三種典型正面小重疊碰撞試驗(yàn)對(duì)比分析

季奕 馬偉杰

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300）

主題詞：交通事故 小重疊碰撞 實(shí)車碰撞測(cè)試 運(yùn)動(dòng)響應(yīng) 乘員損傷

1 前言

隨著汽車安全標(biāo)準(zhǔn)及NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程的持續(xù)推出，大大促進(jìn)了我國(guó)汽車碰撞安全技術(shù)的發(fā)展，而由于汽車安全技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，車輛正面碰撞中車輛的耐撞性和乘員保護(hù)能力有了顯著的改善和提高。但是仍有正碰事故造成較大的傷害，就目前而言，正面碰撞大多為100%剛性壁障碰撞和40%可變性壁障碰撞。在這兩種試驗(yàn)中，通過(guò)有效的設(shè)計(jì)緩解碰撞沖擊，車輛前端的吸能性結(jié)構(gòu)可以全部或局部參與其中，以達(dá)到保護(hù)乘員的目的。但是交通事故結(jié)果顯示仍然會(huì)有較多的乘員嚴(yán)重傷害事故發(fā)生，如圖1所示，國(guó)外事故統(tǒng)計(jì)表明，在正面碰撞事故中，類似撞樹(shù)或者車對(duì)車小重疊碰撞事故占比較高[1-3]。

圖1 各國(guó)小偏執(zhí)碰撞事故比例

美國(guó)小重疊碰撞事故占正面碰撞總事故的22%，德國(guó)和瑞典分別為26%和27%，而這一數(shù)據(jù)在英國(guó)更是達(dá)到了34%之高。研究表明，由于事故車輛的前端吸能抗撞結(jié)構(gòu)并沒(méi)有或很少參與其中，車輛前端結(jié)構(gòu)只是以很小的重疊率發(fā)生撞擊，使得吸能部分并沒(méi)有發(fā)揮作用，這類碰撞往往帶來(lái)巨大的車身結(jié)構(gòu)侵入駕駛艙以及強(qiáng)烈的橫向運(yùn)動(dòng)，乘員的下肢和頭頸部會(huì)由于這種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)受到傷害[4-5]。NHTSA以及IIHS對(duì)美國(guó)國(guó)家車輛事故樣本庫(kù)中抗撞性樣本系統(tǒng)對(duì)這類事故進(jìn)行了深入的研究[6-7]，我們?cè)噲D最大程度的通過(guò)某種試驗(yàn)方法代表小重疊率碰撞，并以此檢驗(yàn)車輛結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)的保護(hù)作用是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[8-9]。隨后，關(guān)于研究人員也對(duì)小重疊碰撞測(cè)試方法的對(duì)比分析[10]，對(duì)于碰撞測(cè)試中人體損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)也進(jìn)行了大量的研究工作[11-14]，一些新的應(yīng)對(duì)小重疊碰撞測(cè)試的方法也被提出[15-16]，由此可見(jiàn)，小重疊碰撞測(cè)試評(píng)價(jià)及應(yīng)對(duì)方法是近年來(lái)汽車安全重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)小重疊碰撞測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)的研究較少，而考慮到該類碰撞試驗(yàn)對(duì)汽車的安全性提出了更高的要求，因此本文主要研究?jī)?nèi)容包括研究交通事故統(tǒng)計(jì)分析方法，并通過(guò)國(guó)內(nèi)交通事故的事故統(tǒng)計(jì)分析，了解小重疊碰撞事故在我國(guó)發(fā)生的事故比例及碰撞特征；小重疊碰撞的試驗(yàn)方法大致分為3種形態(tài)，即車對(duì)車碰撞（Car to Car,C2C）、車對(duì)剛性固定壁障碰撞（IIHS）及移動(dòng)壁障撞擊靜止車輛（NHTSA）方式，本文通過(guò)3次實(shí)車碰撞試驗(yàn)，通過(guò)車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)、碰撞強(qiáng)度、乘員損傷及車身變形4個(gè)方面分析以上3種碰撞試驗(yàn)的特點(diǎn)。為今后深入開(kāi)展測(cè)試評(píng)價(jià)方法研究及標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的制定具有重要意義。

2 國(guó)內(nèi)交通事故分析

小重疊碰撞事故特點(diǎn)主要包括3點(diǎn)：

（1）碰撞重疊率低，一般小于車寬1/3；

（2）由于重疊率低導(dǎo)致車身主要吸能部件前縱梁無(wú)法起到相應(yīng)的作用；

（3）由于小重疊碰撞時(shí)乘員會(huì)發(fā)生斜向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致原有的約束系統(tǒng)不能充分發(fā)揮其保護(hù)效果。

因此，本文進(jìn)行事故數(shù)據(jù)篩選分析時(shí)，將小重疊碰撞事故的定義為（如圖2所示）：正面碰撞時(shí)，若初次碰撞載荷集中在縱梁外側(cè)（約占車寬25%），并且研究對(duì)象均為轎車。

圖2 小重疊碰撞事故定義

圖3 所示為我國(guó)小重疊正面碰撞事故比例占27%，而碰撞部位為車輛的1/4左側(cè)和1/4右側(cè)，分別占比56%和44%。從事故的受傷害程度來(lái)看，1/3重疊率重傷及死亡率分別是17%、11%，1/4重疊率重傷及死亡率分別是6%、15%，均高于其它重疊率碰撞形式。

圖3 中國(guó)小重疊率事故比例

如圖4所示，從小重疊碰撞事故車速分布范圍較廣，車輛碰撞速度超過(guò)40 km/h達(dá)到了93%，車輛碰撞速度在60 km/h到80 km/h比例最高，占比約為35%，而碰撞速度超過(guò)80 km/h的比例也達(dá)到了37%。因此，可以看出小重疊碰撞事故中車輛碰撞速度高于其它碰撞事故類型。圖5所示為小重疊碰撞事故的平均車速，約為62.4 km/h。

圖4 小重疊碰撞事故車速分布

圖5 小重疊事故碰撞速度統(tǒng)計(jì)

由于小重疊碰撞事故中，車輛前縱梁沒(méi)有彎曲變形起到很好的碰撞吸能的作用，這就使得車輛碰撞部位縱向變形量明顯的大于其他碰撞類型，危害到了乘員的安全。根據(jù)車輛碰撞縱向變形量統(tǒng)計(jì)分析，如圖6所示，車輛縱向變形量分布于30～60 cm的比例較大，約占44.2%；變形量大于60 cm的比例達(dá)44.2%，而從車輛結(jié)構(gòu)上分析，當(dāng)變形量大于60 cm，已經(jīng)明顯威脅乘員倉(cāng)的生存空間，致使乘員失去必要生存空間，即擠壓造成的傷害；而同時(shí)車輛發(fā)生旋轉(zhuǎn)，乘員在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與車輛側(cè)面部件發(fā)生強(qiáng)烈接觸造成傷害。

圖6 小重疊碰撞車輛縱向變形量統(tǒng)計(jì)

如圖7所示,可以看出正面完全重疊碰撞即正面100%重疊率碰撞中駕乘人員死亡率是最高的，達(dá)到17.65%，其次是正面1/4重疊碰撞為15.63%。正面1/3重疊碰撞中駕乘人員受傷率是最高的，達(dá)到46.67%，其余重疊碰撞中駕乘人員受傷率相差不大。

圖7 正面碰撞事故人員受傷統(tǒng)計(jì)

根據(jù)小重疊碰撞事故人員傷害情況統(tǒng)計(jì)分析，小重疊碰撞事故中對(duì)駕乘人員頭、面部及胸腔傷害較大，在所有損傷部位分布中，頭面部損傷部位數(shù)為56，占所有損傷部位數(shù)的比例為49.6%，胸腔損傷部位數(shù)為21，占比為18.6%，如圖8所示；在統(tǒng)計(jì)的AIS3+（嚴(yán)重級(jí)別及以上的損傷部位）傷害情況中，頭面部的損傷部位數(shù)最多為14處，占中的AIS3+損傷部位數(shù)的比例為60.9%，如圖9所示。根據(jù)各受傷區(qū)域的傷害程度統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，小重疊碰撞事故中，駕乘人員的頭面部及胸腔部位的受傷比例及傷害嚴(yán)重程度明顯高于其他受傷部位。

圖8 乘員損傷部位分布

圖9 乘員AIS3+損傷部位分布

小重疊碰撞事故中車輛碰撞速度的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生乘員死亡的事故中碰撞車速均大于35 km/h，而在碰撞速度車速為35 km/h到75 km/h時(shí)，車內(nèi)人員的傷害程度及受傷害的比例均最高，其中，輕傷傷害的比例達(dá)到20.2%，重傷比例為7.4%，死亡比例也達(dá)到4.3%，如圖10所示。此外，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，車輛在碰撞速度大于75 km/h的情況下，人員受重傷和死亡的比重加大，對(duì)人員傷害度加大。

圖10 碰撞速度與乘員損傷關(guān)聯(lián)性

3 研究方法

從實(shí)際的交通事故特點(diǎn)來(lái)分，小重疊偏置碰撞事故形態(tài)主要有3種最常見(jiàn)的碰撞形式，車撞固定物體（樹(shù)、柱等）、車對(duì)車直線碰撞、車對(duì)車小角度斜向碰撞。目前，小偏置碰撞的試驗(yàn)方法大致分3種形態(tài)，即車對(duì)車碰撞、車對(duì)剛性固定壁障方式以及MDB撞擊靜止車輛方式，并且碰撞速度、重疊率以及碰撞角度也各有不同，這些重要參數(shù)與各國(guó)實(shí)際道路交通傷害情況及分布密切相關(guān)，因此如何結(jié)合中國(guó)的實(shí)際道路交通情況，研究開(kāi)發(fā)適合我國(guó)交通特點(diǎn)的小偏置碰撞試驗(yàn)方法勢(shì)在必行。

3.1 車對(duì)車小偏置碰撞測(cè)試方法

圖11 車對(duì)車小偏置碰撞示意圖[6]

德國(guó)、日本、瑞典等國(guó)家從90年代初期就開(kāi)始小偏置試驗(yàn)研究，特別是Volvo汽車公司，通過(guò)大量的仿真分析，確定了不同碰撞速度、碰撞角度以及碰撞偏移量為影響因子的仿真矩陣，研究表明：碰撞角度15度，重疊率為30%時(shí)的車身A柱的不穩(wěn)定性最為明顯。因此，本研究車對(duì)車測(cè)試方案采用國(guó)際上普遍的車對(duì)車小偏置碰撞試驗(yàn)方法如圖11，試驗(yàn)車輛稱為目標(biāo)車Target，撞擊車輛稱為子彈車Bullet，兩車均以56 km/h速度相向而行，接近角度采用15°，重疊率采用25%。車對(duì)車碰撞的評(píng)價(jià)方法多是以現(xiàn)有的假人傷害為基準(zhǔn)，參考以NCAP對(duì)乘員的評(píng)價(jià)方法，而車身以及約束系統(tǒng)的情況沒(méi)有明確的性能參數(shù)指標(biāo)。

3.2 IIHS小偏置碰撞測(cè)試方法

IIHS設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了4種碰撞壁障，這些是基于他們對(duì)實(shí)際交通事故的深入分析發(fā)現(xiàn)，正面小區(qū)域重疊碰撞主要有3種事故形式，車輛前端撞樹(shù)或電線桿的柱碰、兩車呈一定角度迎面相碰的斜碰、兩輛車平行的小區(qū)域重疊碰撞，針對(duì)這3種主要的碰撞形式，F(xiàn)lat50（采用直徑為50 mm的平面壁障）Flat150、Polo250（直徑為250 mm的柱形壁障）以及正面偏置可變形壁障(Offset Deformable Barrier,ODB)。由于研究結(jié)果顯示Flat150在車輛側(cè)向位移量、乘員傷害程度、約束系統(tǒng)及假人運(yùn)動(dòng)、乘員艙結(jié)構(gòu)完整性方面都是最嚴(yán)重的，IIHS決定采用Flat150作為最終的試驗(yàn)形式（圖12）。具體碰撞形式為：車輛以(64.4±1)km/h的速度撞擊剛性壁障(壁障高度為1 524 mm，倒角半徑為150 mm)，車輛與壁障的重疊率為25%，駕駛員位置放置一個(gè)HybridIII50%男性假人用以測(cè)量假人傷害。

圖12 IIHS小偏置碰撞示意

3.3 NHTSA小偏置碰撞測(cè)試方法

美國(guó)國(guó)家公路安全局（NHTSA）也從2009年開(kāi)始從事這方面的研究,在此研究基礎(chǔ)上，NHTSA開(kāi)始進(jìn)行小重疊率碰撞實(shí)驗(yàn)的獨(dú)立研究，評(píng)估了不同形式的碰撞類型，至今，NHTSA開(kāi)發(fā)出了2套應(yīng)用新的研究用的可變形壁障的實(shí)驗(yàn)方法,一種是移動(dòng)壁障以20%的重疊率和7度的碰撞角度撞擊車輛。另一種是以35%的重疊率和15度的碰撞角度碰撞車輛，都是為了最大程度的揭示現(xiàn)實(shí)世界中成員運(yùn)動(dòng)特性和傷害原因。本研究采用的NHTSA最終的試驗(yàn)方案（圖13），即：撞擊小車和車頭重疊面積為35%，試驗(yàn)車輛靜止，車頭都有一定的偏斜角度，撞擊傾斜角則變?yōu)?5°，測(cè)試試驗(yàn)速度為90 km/h，Hybrid III 50%男性假人用以測(cè)量假人傷害。

圖13 NHTSA小偏置碰撞示意[8]

4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

無(wú)論IIHS的小偏置剛性壁障試驗(yàn)，還是NHTSA的移動(dòng)壁障角度碰撞試驗(yàn)，這兩類試驗(yàn)方法實(shí)質(zhì)上都是復(fù)現(xiàn)在實(shí)際交通事故中，車輛發(fā)生小偏置碰撞的工況。有理由認(rèn)為，車對(duì)車小偏置試驗(yàn)方法是最接近實(shí)際交通事故的碰撞工況，因此選擇車對(duì)車碰撞的試驗(yàn)結(jié)果作為對(duì)比基準(zhǔn)，分析IIHS和NHTSA試驗(yàn)結(jié)果差異性。以下關(guān)于3種試驗(yàn)方法的對(duì)比分析，均是基于對(duì)同一款車分別進(jìn)行的車對(duì)車、IIHS和NHTSA3種小偏置試驗(yàn)的結(jié)果展開(kāi)的。

4.1 汽車運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

對(duì)比了3種小偏置碰撞中目標(biāo)車碰撞側(cè)B柱加速度曲線，如圖14所示。對(duì)于X向加速度曲線，IIHS試驗(yàn)方法的加速度峰值比車對(duì)車碰撞的低，但是波形脈寬略寬，而NHTSA試驗(yàn)方法的加速度曲線與之相反，峰值較高，但波形脈寬稍窄；從加速度積分的速度可以看出，NHTSA試驗(yàn)方法的X向速度分量與車對(duì)車碰撞更為接近，而IIHS方法的速度與另外二者的差距比較大，整體偏低。對(duì)于Y向加速度曲線，NHTSA試驗(yàn)方法的Y向加速度與車對(duì)車碰撞更為接近，而IIHS方法的Y向加速度曲線與X向類似，同樣是峰值較低，脈寬較寬，但是速度積分的差別與X向速度趨勢(shì)不同，IIHS方法的Y向速度反而比其他兩種方法的要略高。

圖14 三種小偏置碰撞試驗(yàn)車身加速度曲線對(duì)比

圖15 顯示了3種小偏置碰撞試驗(yàn)中，碰撞前和碰撞后的車輛姿態(tài)。從圖15可以直觀看出IIHS和車對(duì)車小偏置碰撞，車輛均有向左的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，而NHTSA的車身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)不同，為向右旋轉(zhuǎn)。通過(guò)高速攝像分析可得車身運(yùn)動(dòng)曲線，量化的曲線中顯示，車對(duì)車小偏置碰撞車身轉(zhuǎn)動(dòng)曲線為正向，表明旋轉(zhuǎn)方向向左，與實(shí)際觀察結(jié)果一致，在150 ms左右時(shí)旋轉(zhuǎn)角度約為10°；IIHS車身轉(zhuǎn)動(dòng)曲線在碰撞前100 ms旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橛蚁?，而后轉(zhuǎn)為左轉(zhuǎn)，150 ms時(shí)旋轉(zhuǎn)角度約為4°；而NHTSA小偏置試驗(yàn)方法旋轉(zhuǎn)與前兩者相反，150 ms時(shí)右轉(zhuǎn)10°。3種小偏置碰撞的車身旋轉(zhuǎn)角度均小于ODB試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)動(dòng)，ODB試驗(yàn)車身轉(zhuǎn)動(dòng)約為12°@150 ms。

圖15 3種小偏置碰撞試驗(yàn)車身運(yùn)動(dòng)對(duì)比

4.2 碰撞強(qiáng)度分析

用來(lái)衡量碰撞波形對(duì)車內(nèi)乘員的相對(duì)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)VPI（Vehicle Pulse Index），該指數(shù)的計(jì)算應(yīng)用了單自由度的質(zhì)量彈簧模型。模型的構(gòu)成包括：質(zhì)量塊M代表乘員，彈簧k和松弛量s表征約束系統(tǒng)，見(jiàn)圖16。

圖16 VPI計(jì)算模型

約束系統(tǒng)的剛度k和松弛量s可以由用戶自由定義，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常情況可以設(shè)置k=2 500 N/m/kg，s=0.03 m。x(t)是車輛運(yùn)動(dòng)位移函數(shù)，作為系統(tǒng)的輸入，通常使用主要碰撞方向的分量進(jìn)行計(jì)算。y(t)是乘員的位移函數(shù)，作為系統(tǒng)輸出，其關(guān)于時(shí)間的二階微分加速度函數(shù)即為VPI指數(shù)。計(jì)算方法如式（1）。

式中：M為乘員質(zhì)量；k為剛度系數(shù)；s為松弛位移量，y(t)是乘員的位移函數(shù)。

表1 三種試驗(yàn)方法駕駛員傷害指標(biāo)對(duì)比

參考以上方法，計(jì)算3種小偏置試驗(yàn)的VPI，曲線如圖17。取其最大值，VPI指數(shù)分別為52.55 g，32.39 g，55.93 g。雖然前文中，從碰撞速度變化量的角度預(yù)言了車對(duì)車碰撞強(qiáng)度最大、車輛變形量也會(huì)相應(yīng)最大，但是從VPI指數(shù)也可以預(yù)言車對(duì)車試驗(yàn)的假人傷害處于三者中間，同時(shí)IIHS試驗(yàn)方法的假人傷害最低，NHTSA試驗(yàn)方法的假人傷害最高。將VPI指數(shù)矢量化，矢量方向參考高速攝像分析的車身X、Y運(yùn)動(dòng)分量，結(jié)果表明，IIHS小偏置碰撞的橫向運(yùn)動(dòng)對(duì)乘員影響最大，其次依次為車對(duì)車小偏置碰撞、NHTSA小偏置碰撞，而傳統(tǒng)的40%ODB試驗(yàn)的橫向擺動(dòng)最小，縱向VPI分量與車對(duì)車小偏置的縱向分量基本一致。

圖17 VPI曲線及矢量圖

4.3 乘員損傷分析

在3種試驗(yàn)小偏置試驗(yàn)方法中，車對(duì)車碰撞的目標(biāo)車駕駛員、IIHS和NHTSA試驗(yàn)車輛的駕駛員是距離撞擊點(diǎn)最近，乘員空間被侵入量最大的位置，駕駛員是受傷最嚴(yán)重的。因此選取該位置假人的傷害結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。按照響應(yīng)先后來(lái)說(shuō)，NHTSA響應(yīng)最早，車對(duì)車碰撞次之，而IIHS的響應(yīng)相對(duì)更加滯后。3組加速度曲線整體表現(xiàn)與VPI有著高度的相似規(guī)律。從傷害的絕對(duì)值看，IIHS試驗(yàn)的HIC36為87、頭3 ms加速度為28.73 g、胸3 ms加速度為29.55 g，都非常小，幾乎沒(méi)有傷害；NHTSA和車對(duì)車碰撞的傷害值處于同一級(jí)別。

4.4 汽車車身變形分析

在IIHS小偏置碰撞試驗(yàn)方法中，包含一項(xiàng)車輛結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)車輛乘員艙關(guān)鍵部位的變形量測(cè)量，確定車身結(jié)構(gòu)安全的優(yōu)劣。參考IIHS車身變形量評(píng)價(jià)方法，測(cè)量并計(jì)算同一車型在3種碰撞試驗(yàn)方法中的乘員艙變形量，如圖18所示。總體而言，車對(duì)車碰撞形態(tài)中的變形量最大，特別是儀表板部分，已經(jīng)進(jìn)入黃色區(qū)域，對(duì)應(yīng)評(píng)級(jí)為acceptable。對(duì)于IIHS和NHTSA兩種小偏置碰撞方法，其二者的乘員艙變形量基本相同，只有A柱下鉸鏈位置的變形，IIHS方法的變形很大，與車對(duì)車碰撞處于同一水平。

圖18 車身變形量對(duì)比

5 結(jié)論

關(guān)于車對(duì)車碰撞試驗(yàn)方法、IIHS試驗(yàn)方法和NHTSA試驗(yàn)方法的假人傷害對(duì)比，整體而言，NHTSA試驗(yàn)方法與車對(duì)車碰撞更為接近，二者的頭部、頸部、胸部等上半身的傷害相近，雖然腿部傷害中NHTSA低于車對(duì)車碰撞，但是曲線總體趨勢(shì)具有相關(guān)性。IIHS試驗(yàn)方法與車對(duì)車碰撞差異明顯，假人整體傷害均低于車對(duì)車碰撞，假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)也有明顯不同。這主要是由于車對(duì)車碰撞和NHTSA方法的撞擊形式都是被動(dòng)撞擊，即試驗(yàn)車輛自身靜止不動(dòng)，子彈車或移動(dòng)壁障以一定速度撞擊目標(biāo)車輛，因此不同的目標(biāo)車輛受到的沖擊能量一致；而IIHS的撞擊形式是主動(dòng)撞擊，及試驗(yàn)車輛以一定的速度撞擊固定壁障，因此不同車輛收到的沖擊能量與自身質(zhì)量有關(guān)，車輛質(zhì)量越重則能量越高，質(zhì)量越輕則能量越低。以上對(duì)比試驗(yàn)中，試驗(yàn)車輛質(zhì)量較輕，造成IIHS整體沖擊能力較低，傷害較低。