兩車輛同向行駛時(shí)小角度碰撞的模擬研究

陳魯偉，郭世永，李宇吉

（266520 山東省 青島市 青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，我國汽車保有量實(shí)現(xiàn)快速增長[1]。截至2020 年6 月，我國汽車保有量達(dá)到2.6 億輛[2]，并且我國以全世界3%的汽車保有量，達(dá)到了全世界交通死亡人數(shù)的16%，而全球每年有100 多萬人死于道路交通事故[3]。根據(jù)國外相關(guān)機(jī)構(gòu)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在常見的汽車碰撞事故中，汽車正面碰撞事故約占碰撞事故總數(shù)的66.9%[4]，其中相當(dāng)一部分是由車對(duì)車的碰撞所造成[5-6]。雖然汽車正面碰撞的比例占所有碰撞形式的大多數(shù)，但是車與車之間同向行駛時(shí)的小角度碰撞現(xiàn)象依然存在，而且這種碰撞對(duì)人身和車輛造成的損害甚至更大于正面碰撞。這種碰撞不同于車輛正面碰撞時(shí)直接引起的撞擊和駕駛員損傷，而是分為由碰撞角度造成的事故車的直接損害以及可能由碰撞所引起的事故車的前進(jìn)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而引發(fā)碰撞護(hù)欄、碰撞其他車輛等狀況，即引起二次碰撞的間接損害。進(jìn)而造成對(duì)車輛、駕駛員更加嚴(yán)重的傷害。

關(guān)于汽車碰撞的研究方法很多，包括經(jīng)驗(yàn)法、實(shí)驗(yàn)法和模擬仿真法。經(jīng)驗(yàn)法往往存在個(gè)人的主觀看法等缺陷以及花費(fèi)高、實(shí)驗(yàn)周期長等缺點(diǎn)[7]；模擬仿真法花費(fèi)低廉，簡(jiǎn)便易行，便于觀察，能縮短試驗(yàn)周期。近年來，研究汽車碰撞的計(jì)算機(jī)仿真軟件的精確性、實(shí)用性、靈活性不斷提高，因此在汽車碰撞的實(shí)際研究中往往采取模擬仿真法。

在美國的碰撞安全法規(guī)中，不僅規(guī)定了正面100%碰撞，同時(shí)還規(guī)定了車輛以≥48 km/h 的速度縱向行駛時(shí)，撞到一個(gè)垂直于汽車行駛路線的剛性壁障，車輛的行駛路線與轉(zhuǎn)過30°的垂直壁障發(fā)生碰撞的汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)（適用于乘用車、多功能乘用車、卡車、客車）[8]。我國于2003 年制定的汽車安全碰撞法規(guī)中并沒有斜角30°碰撞只有0°正面碰撞（只適用于M1 類車輛）[9-10]，所以本次實(shí)驗(yàn)碰撞工況并沒有在法規(guī)中具體規(guī)定，只能參考相關(guān)法規(guī)內(nèi)容，合理規(guī)定實(shí)驗(yàn)條件。

本次實(shí)驗(yàn)的目是研究車輛同向行駛小角度碰撞時(shí)，碰撞角度的不同對(duì)車輛的造成的損傷及影響，期望給安全法規(guī)的完善提供參考。

1 汽車碰撞的研究步驟和方法

1.1 碰撞研究的步驟

在兩車同向小角度的汽車碰撞工況中，以一款SUV 車輛為撞擊車輛，同時(shí)假設(shè)將目標(biāo)車輛簡(jiǎn)化為剛性墻，這樣就把兩車輛同向行駛時(shí)的碰撞問題轉(zhuǎn)化為了車輛與剛性墻發(fā)生正面大角度碰撞的問題。若假設(shè)成立，在本車碰撞工況的研究中唯一變量則為剛性墻的轉(zhuǎn)角，其余條件保持不變。

在建模研究的過程中，首先需要在HyperMesh中對(duì)SUV 汽車模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[11]和必要的幾何清理，這樣可以加快計(jì)算速度，提高工作效率；之后還需對(duì)劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行連接設(shè)置、材料屬性設(shè)置、初始速度設(shè)置以及載荷與約束條件的設(shè)置等；然后將劃分好網(wǎng)格的模型保存為K 文件。利用LSDYNA 對(duì)保存好的K 文件進(jìn)行仿真碰撞計(jì)算；最后運(yùn)用HyperView 等軟件對(duì)得到的碰撞云圖、動(dòng)圖等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、歸納總結(jié)等后處理，根據(jù)后處理結(jié)果得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論和相應(yīng)的觀點(diǎn)和建議。

1.2 研究方法和理論依據(jù)

1.2.1 研究方法

因?yàn)樵谶M(jìn)行的研究中，SUV 車輛行駛的初速度保持不變，需要不斷改變SUV 初速度方向與剛性墻的夾角，因此在模擬研究中可以采用控制變量法：不斷改變唯一變量（SUV 初速度方向與剛性墻的夾角，夾角分別10°，20°，30°），其余條件不變，最后通過對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

1.2.2 理論依據(jù)

在有限元模型中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置和時(shí)間關(guān)系表示為

在t0時(shí)刻初始位置為

每個(gè)節(jié)點(diǎn)和整體都滿足動(dòng)量守恒、能量守恒和質(zhì)量守恒定律：

其中牽引力邊界條件如下：

位移邊界條件如下：

接觸內(nèi)邊界條件如下：

式（1）—式（7）中：xi（i=1，2，3，…，a）——i 節(jié)點(diǎn)的位移；x'——i 節(jié)點(diǎn)的速度=vi（i=1，2，3，…，a）。

通過將以上邊界條件代入各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算可以得到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和能量變化規(guī)律與整個(gè)結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的特征關(guān)系[12]。

2 有限元模型的建立和參數(shù)設(shè)置

2.1 模型的網(wǎng)格劃分

在構(gòu)建車輛碰撞模型的過程中，因整車零件過多且一部分零件對(duì)仿真結(jié)果幾乎沒有影響，所以在構(gòu)建整車仿真模型時(shí)，可以對(duì)這部分零件進(jìn)行簡(jiǎn)化或者刪減處理，然后在處理后的整車模型中進(jìn)行幾何清理等優(yōu)化措施。而對(duì)于汽車碰撞過程中形變較大的部件，則需要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化以提高計(jì)算速度。在網(wǎng)格劃分過程中，在SUV 這款車型中幾乎不變形的結(jié)構(gòu)以及一些無法抽中面的物件采用實(shí)體單元?jiǎng)澐?，?duì)于車內(nèi)乘員、車內(nèi)座椅、中控臺(tái)和內(nèi)飾等采用質(zhì)量塊代替并賦予相應(yīng)質(zhì)量，以提高計(jì)算速度。其余物件只需采用抽中面的方法進(jìn)行2D 網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小大部分為15 mm。進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查后，得到符合要求的SUV 的網(wǎng)格模型，包括472 423 個(gè)2D 網(wǎng)格和799 個(gè)3D 網(wǎng)格。最后完成的網(wǎng)格模型如圖1 所示。

圖1 SUV 的網(wǎng)格劃分Fig.1 Grid division of SUV

2.2 連接設(shè)置以及速度設(shè)置

在HyperMesh 中，在車體的框架之間采用spotweld 焊點(diǎn)連接來模擬實(shí)際中的焊縫，而在連接玻璃與車身框架之間時(shí)，可采用rigid 共節(jié)點(diǎn)連接模擬可變形體之間的連接關(guān)系。同時(shí)，連接時(shí)注意在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)處不能同時(shí)定義兩種連接方式，否則計(jì)算過程中會(huì)報(bào)錯(cuò)，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。

關(guān)于速度設(shè)置，根據(jù)美國NHTSA 正面全寬碰撞的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，碰撞車輛的速度需≥48 km/h。因此可賦予整車沿X 軸正向速度：70 km/h，即19 444.4 mm/s，使其以19 444.4 mm/s 的速度撞向與汽車行駛方向成夾角的剛性墻，如圖2 所示（夾角α分別為10°，20°，30°）。對(duì)模型施加向下的重力加速度，重力常數(shù)為9 807 mm/s2。

圖2 車輛行駛方向與剛性墻的夾角Fig.2 Angle between vehicle driving direction and rigid wall

2.3 控制卡片設(shè)置

除了以上參數(shù)設(shè)置外，還需要進(jìn)行控制卡片設(shè)置，避免計(jì)算時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。主要進(jìn)行的設(shè)置卡片有CONTROL_TERMINATION（計(jì)算時(shí)間長度控制）、CONTROL_TIMESTEP（計(jì)算步長設(shè)置），其余的控制卡片設(shè)置只需保持默認(rèn)值即可。其中計(jì)算時(shí)長設(shè)置為0.20 s，計(jì)算步長為1.52×10-6s。

3 仿真結(jié)果分析

在這組控制變量實(shí)驗(yàn)的3 個(gè)仿真過程中，為了觀察到明顯的形變，從實(shí)驗(yàn)中選取車輛行駛方向與剛性墻夾角為30°的碰撞過程，觀察其碰撞云圖。從中取3 個(gè)代表性時(shí)刻的仿真圖：車輛與剛性墻剛接觸的時(shí)刻、車輛剛離開剛性墻時(shí)刻以及車輛碰撞完成時(shí)刻。由圖3 可知，在0～0.015 s 時(shí)，汽車正常行駛，直到在0.015 s 時(shí)車輛與剛性墻發(fā)生碰撞；0.015～0.155 s 是車輛與剛性墻發(fā)生碰撞的過程；0.155～0.200 s 汽車已經(jīng)與剛性墻無接觸，直到仿真結(jié)束。在這種碰撞角度的碰撞過程中，車輛碰撞剛性墻的一側(cè)的汽車前端發(fā)生了明顯形變，且碰撞側(cè)的汽車門窗產(chǎn)生了一定的位移，車頂部分由于碰撞向下凹陷一部分，前側(cè)車輪發(fā)生明顯形變，以至于到碰撞結(jié)束前，車輪角度還沒有恢復(fù)原樣。

圖3 碰撞夾角為30°的碰撞工況中的重要時(shí)刻Fig.3 Important moment in collision working condition with an collision angle of 30°

同時(shí)，我們還能觀察到汽車的保險(xiǎn)杠、吸能盒、水箱、前縱梁等吸能裝置只是在橫向上的偏移量較大，而在縱向上卻幾乎沒有形變量，借此可推導(dǎo)出上述吸能部位的吸能效果未能充分發(fā)揮的結(jié)論。這種情況也可能導(dǎo)致碰撞后的汽車存著比較可觀的動(dòng)能，進(jìn)而引起二次碰撞傷害。希望在汽車研發(fā)的過程中可以在汽車前端添加橫向吸能裝置，以及在車輛前輪轉(zhuǎn)向系受到破壞后能自動(dòng)鎖死汽車前輪的裝置，來降低車輛發(fā)生碰撞后存在的動(dòng)能，達(dá)到降低車輛及乘員受到二次碰撞傷害的可能性。

4 曲線分析

4.1 能量轉(zhuǎn)換分析

在碰撞數(shù)據(jù)中，能量轉(zhuǎn)換是需要首先關(guān)注的問題。車輛碰撞過程中能量的變化主要是動(dòng)能轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，依舊符合能量守恒原理，所以在碰撞過程中總能量基本保持不變。從圖4—圖6 中發(fā)現(xiàn)，該車碰撞工況中的能量變化確實(shí)是動(dòng)能變成內(nèi)能。

圖4 碰撞夾角為10°時(shí)的能量變化Fig.4 Energy change when collision angle is 10°

圖5 碰撞夾角為20°時(shí)的能量變化Fig.5 Energy change when collision angle is 20°

圖6 碰撞夾角為30°時(shí)的能量變化Fig.6 Energy change when collision angle is 30°

在能量轉(zhuǎn)換變化曲線中，從hourglass energy（沙漏能）、internal energy（內(nèi)能）、kinetic energy（動(dòng)能）、total energy（總能量）4 條能量曲線就能很好地觀察到碰撞模型的能量轉(zhuǎn)換。運(yùn)用LS-DYNA 觀察碰撞過程中的能量變換時(shí)，首先采用60 Hz 的濾波通道對(duì)其進(jìn)行濾波處理，這樣就可以觀察到更加平滑的能量轉(zhuǎn)換曲線。

這組實(shí)驗(yàn)中，汽車初始速度保持70 km/h 不變，唯一變量是剛性墻的傾斜角度（10°，20°，30°）。從圖4—圖6 明顯可見：（1）伴隨著汽車碰撞的進(jìn)行，動(dòng)能不斷減少，內(nèi)能反而不斷增加；（2）碰撞過程中，能量的總量（即動(dòng)能與內(nèi)能之和）基本不變（符合能量守恒原理）；（3）車輛正面100%全寬碰撞過程中，最終動(dòng)能基本上都轉(zhuǎn)換成了內(nèi)能，即使動(dòng)能還有所剩余，所占比重也很小。由圖4—圖6 可知，在車輛與剛性墻成小角度碰撞過程中，雖然依然存在動(dòng)能減少、內(nèi)能增加現(xiàn)象，但在碰撞結(jié)束后，動(dòng)能并未完全轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，且動(dòng)能所占比重隨車輛與剛性墻夾角的增大而減小。

由上述結(jié)果（3）容易推導(dǎo)出，SUV 與剛性墻發(fā)生小角度碰撞后，依舊存在較可觀的動(dòng)能。若SUV 與剛性墻碰撞后的行駛路線上存在護(hù)欄、其余車輛等障礙物，碰撞車輛發(fā)生二次碰撞，進(jìn)而發(fā)生加深對(duì)車輛以及乘員傷害情況的可能性比較大。

4.2 A、B 柱的安全分析

車輛碰撞過程中，A 柱與B 柱之間距離的變化會(huì)影響駕駛員的安全空間，若A、B 柱之間的距離過小，會(huì)損害駕駛員及乘員的生存空間，進(jìn)而造成損害。角度為30°的碰撞工況結(jié)束后，A、B 柱間的距離可判斷駕駛員及乘員生存空間的變化。

由圖7（a）可見，直到碰撞結(jié)束時(shí)刻A 柱與B 柱基本沒有形變，即駕駛員生存空間在碰撞過程中沒有受到威脅。上述結(jié)論需要準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，因此分別在圖7（a）中A 柱與B 柱上各取一點(diǎn)，并以碰撞結(jié)束時(shí)刻兩者之間距離為基準(zhǔn)，求兩者之間的增量距離曲線，得到曲線如圖7（b）所示。觀察到兩者之間的最大增量距離d=13.77 mm。增量距離d 很小。數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了這種碰撞工況對(duì)駕駛員生存空間的改變微乎其微。

圖7 碰撞車輛A、B 柱安全分析Fig.7 Safety analysis of columns A and B of colliding vehicles

4.3 車輛兩前輪之間的距離分析

因?yàn)樵诜抡孢^程中忽略了駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向系的影響，所以可通過觀察SUV 兩前輪在碰撞中的距離變化分析車輛轉(zhuǎn)向系是否受到破壞。在圖8所示的兩前車輪的外側(cè)中心分別取一個(gè)點(diǎn)，通過HyperView 測(cè)量2 個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離，以這2 個(gè)點(diǎn)在碰撞過程中的距離變化代表兩前車輪間的距離變化。

圖8 兩前輪之間距離的取點(diǎn)Fig.8 Distance between two front wheels

從HyperGrash 中的具體數(shù)據(jù)結(jié)合圖9 得到：（1）兩輪之間初始距離為1 579.72 mm。（2）夾角為30°時(shí)，在0.07 s 時(shí)兩輪之間最小距離約為1 440.74 mm；夾角為20°時(shí)，在0.085 s 時(shí)兩前輪之間最小距離約為1 438.91 mm；夾角為10°時(shí)，在0.10 s 時(shí)兩前輪之間最小距離約為1 498.24 mm。（3）仿真結(jié)束時(shí)兩輪之間的距離在碰撞車輛與剛性墻的夾角分別為10°、20°以及30°轉(zhuǎn)角時(shí)分別為1 508.14，1 456.38，1 455.61 mm。由圖9 可知，隨著碰撞車輛與剛性墻夾角的變小，兩前輪之間最小距離不斷變大，且最小距離時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)得越晚；隨著與剛性墻夾角的變小，碰撞結(jié)束時(shí)，兩前輪之間的距離不斷變大但是依舊小于初始距離；從碰撞結(jié)束后兩前輪之間的距離可以看出，在20°和30°碰撞夾角時(shí)轉(zhuǎn)向系受損情況差不多，相較于前兩者，10°碰撞夾角時(shí)轉(zhuǎn)向系受損較輕。

圖9 碰撞夾角分別為10°、20°、30°時(shí)兩前輪之間的距離Fig.9 Distance between two front wheels when collision angle is 10°,20°and 30°r espectively

這3 種碰撞工況中，兩前輪距離最近點(diǎn)到碰撞結(jié)束兩輪之間距離在波動(dòng)中逐漸拉遠(yuǎn)。這是由于碰撞過程中，連接兩前輪之間的軸不僅發(fā)生彈性形變還發(fā)生塑性形變。兩前輪之間距離在最小點(diǎn)之后逐漸變大就是軸的彈性形變恢復(fù)原狀造成的。但直到碰撞結(jié)束，兩輪之間的距離依舊縮進(jìn)了一些，這是兩前輪之間的軸發(fā)生塑性形變?cè)斐傻?。從圖8 可見，即使碰撞結(jié)束了，前輪的轉(zhuǎn)角還是沒恢復(fù)。這就從另一方面解釋了汽車發(fā)生這種碰撞之后發(fā)生二次碰撞的可能性，即前輪轉(zhuǎn)角在碰撞后并沒有恢復(fù)且轉(zhuǎn)向系受到一定破環(huán)，不利于汽車轉(zhuǎn)向，從而導(dǎo)致汽車無法有效規(guī)避障礙物，進(jìn)而造成對(duì)汽車和乘員的二次傷害。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)車輛以一定的速度撞擊剛性墻時(shí)，隨著車輛與剛性墻夾角α的變小，車輛直接受到的損傷程度不斷減小，汽車前端的吸能裝置（如保險(xiǎn)杠，吸能盒等）變形不充分。同時(shí)，前縱梁在車輛縱向上的形變可忽略不計(jì)，只在橫向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得在碰撞結(jié)束后車輛依舊會(huì)保持較大內(nèi)能。

（2）在車輛與剛性墻成小角度碰撞過程中，汽車前端直接受損，通過云圖觀察最為明顯，尤其是兩前輪之間的距離。由兩前輪間距離變化曲線可知，兩車同向行駛時(shí)，碰撞夾角為20°、30°的碰撞工況下，到碰撞結(jié)束，兩輪之間的距離大約縮小了124.11 mm，并且發(fā)生碰撞后前輪轉(zhuǎn)過一定的角度，同時(shí)轉(zhuǎn)向系遭到破壞。結(jié)合結(jié)論（1）得出：在兩車輛同向行駛小角度碰撞工況中，極易發(fā)生二次碰撞，加深對(duì)車和人的損害。

（3）此碰撞工況下，汽車A、B 柱之間距離的變化很微小，對(duì)駕駛員影響可忽略不計(jì)。

（4）本研究存在一定的局限：①剛性墻被撞擊時(shí)，不會(huì)和實(shí)際情況下碰撞車輛發(fā)生變形、位移等。希望在以后的研究中撞擊車輛和被撞車輛都使用汽車模型；②車輛碰撞的實(shí)際過程中，司機(jī)一定會(huì)有相應(yīng)的自救措施，如快速進(jìn)行制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等操作，本實(shí)驗(yàn)未顧及此類復(fù)雜工況。