基于簡(jiǎn)化力學(xué)模型的整車(chē)碰撞乘員安全研究

夏明輝，徐作文

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（常州）有限公司，江蘇 常州 213166）

1 研究背景

隨著汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展和人們生活水平的日益提高，愈來(lái)愈多的汽車(chē)走向千家萬(wàn)戶，汽車(chē)的安全性能越來(lái)越受到消費(fèi)者重視。整車(chē)被動(dòng)安全性能開(kāi)發(fā)往往是各大主機(jī)廠整車(chē)性能的核心內(nèi)容，如何造就更安全、更環(huán)保、更節(jié)能的好車(chē)，從被動(dòng)安全角度來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)在于如何提高對(duì)車(chē)內(nèi)乘員的保護(hù)能力。本文基于一種簡(jiǎn)化的乘員與車(chē)的運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)力學(xué)特性，從整車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)及約束系統(tǒng)匹配特性角度闡述乘員胸部加速度傷害值影響因素，為整車(chē)被動(dòng)安全性能開(kāi)發(fā)提供參考依據(jù)。

2 正面碰撞簡(jiǎn)化力學(xué)運(yùn)動(dòng)模型描述

汽車(chē)正面碰撞是一個(gè)復(fù)雜的非線性、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大變形過(guò)程，涉及汽車(chē)和乘員的加速度、速度、位移和碰撞力等動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及能量密度、塑性變形和結(jié)構(gòu)剛度等物理概念。這些物理概念之間的相互關(guān)系構(gòu)成的各種正面碰撞動(dòng)力學(xué)模型被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)被動(dòng)安全性能分析領(lǐng)域[1-3]。車(chē)體B 柱底部加速度波形或整車(chē)最大動(dòng)態(tài)壓縮量是整車(chē)被動(dòng)安全開(kāi)發(fā)中一項(xiàng)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，決定約束系統(tǒng)匹配難度，直接反映乘員人體胸部加速度，決定乘員自身的傷害值大小。因此建立一種簡(jiǎn)易的乘員與車(chē)物理運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型，研究車(chē)體與乘員之間的運(yùn)動(dòng)力學(xué)關(guān)系，為整車(chē)車(chē)身耐撞性結(jié)構(gòu)研究及約束系統(tǒng)匹配開(kāi)發(fā)提供重要的指導(dǎo)作用。

在初始碰撞動(dòng)能和整車(chē)最大動(dòng)態(tài)壓縮量一定的條件下，矩形加速度波形是對(duì)乘員保護(hù)最有利的一種碰撞波形形式，它代表了一種均勻的能量釋放和吸收過(guò)程，避免加速度峰值過(guò)于集中。而在實(shí)際碰撞過(guò)程中，由于車(chē)體結(jié)構(gòu)縱向剛度變化幅度較大，產(chǎn)生的碰撞力是一個(gè)波動(dòng)過(guò)程，因此碰撞加速度曲線也不可能是一個(gè)理想的矩形，但是將車(chē)體加速度波形近似擬合為等效加速度矩形方波ESW 具有實(shí)際工程分析意義。等效矩形方波ESW 水平越低，乘員胸部最大加速度響應(yīng)就可能越低，因此車(chē)體耐撞性設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)追求盡可能低的等效矩形方波[4]。等效加速度方波ESW 曲線如圖1 所示，以時(shí)間軸或位移軸確定的整車(chē)碰撞加速度曲線擬合為等效加速度矩形方波。整車(chē)碰撞動(dòng)態(tài)壓縮量曲線如圖2 所示，反映出車(chē)身壓縮過(guò)程中位移與時(shí)間的關(guān)系。

圖1 等效加速度矩形方波ESW 曲線

圖2 整車(chē)碰撞動(dòng)態(tài)壓縮量曲線

簡(jiǎn)化乘員與車(chē)體力學(xué)運(yùn)動(dòng)模型如圖3 所示，將乘員約束系統(tǒng)和碰撞車(chē)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，分析車(chē)體運(yùn)動(dòng)與乘員人體運(yùn)動(dòng)關(guān)系。其中Mv為整車(chē)車(chē)輛質(zhì)量，M0為車(chē)內(nèi)乘員質(zhì)量，xv為車(chē)輛碰撞變形量，x0為車(chē)內(nèi)乘員運(yùn)動(dòng)位移量，F(xiàn)為車(chē)輛所受的碰撞接觸力，K為約束系統(tǒng)匹配剛度，δ為乘員與約束系統(tǒng)之間的間隙量。

圖3 簡(jiǎn)化乘員與車(chē)體力學(xué)運(yùn)動(dòng)模型

對(duì)于簡(jiǎn)化乘員與車(chē)體力學(xué)運(yùn)動(dòng)耦合模型其他參數(shù)定義如下：x0為車(chē)內(nèi)乘員運(yùn)動(dòng)位移量，xv為車(chē)輛碰撞變形量，x˙0為乘員運(yùn)動(dòng)速度，x˙v為車(chē)體運(yùn)動(dòng)速度，x0˙˙為乘員胸部絕對(duì)加速度，xv˙˙ 為車(chē)體減速度，˙x˙0/v為乘員相對(duì)于車(chē)體加速度，c為車(chē)體最大動(dòng)態(tài)壓縮量，t為碰撞時(shí)間歷程，t*為乘員與約束系統(tǒng)接觸時(shí)間歷程，ω為約束系統(tǒng)角速度頻率，v0為車(chē)輛碰撞初始速度，K為約束系統(tǒng)匹配剛度，κ為胸部加速度變化/乘員與車(chē)相對(duì)位移變化，aESW為整車(chē)加速度波形加速度。

車(chē)輛運(yùn)動(dòng)方程：

乘員運(yùn)動(dòng)方程：

其中：

目標(biāo)設(shè)定一如下。

整車(chē)碰撞初始條件：整車(chē)質(zhì)量Mv=1 368 kg，整車(chē)始碰撞速度v0=50 km/h。

整結(jié)構(gòu)最大動(dòng)態(tài)壓縮量分解目標(biāo)：整車(chē)結(jié)構(gòu)，c=500 mm。

約束系統(tǒng)匹配性能目標(biāo)：約束系統(tǒng)，約束系統(tǒng)剛度K=0.2 g/mm，約束系統(tǒng)匹配間隙δ=20 mm。

人體胸部加速度最大值42.97g，不滿足設(shè)計(jì)要求。

目標(biāo)設(shè)定二如下。

整車(chē)碰撞初始條件：整車(chē)質(zhì)量Mv=1 368 kg，整車(chē)初始碰撞速度v0=50 km/h。

整車(chē)結(jié)構(gòu)最大動(dòng)態(tài)壓縮量分解目標(biāo)：整車(chē)結(jié)構(gòu)，c=500 mm。

約束系統(tǒng)匹配性能目標(biāo)：約束系統(tǒng)，約束系統(tǒng)剛度K=0.08 g/mm，約束系統(tǒng)匹配間隙δ=10 mm。

人體胸部加速度最大值40.0g，滿足設(shè)計(jì)要求。

目標(biāo)設(shè)定三如下。

整車(chē)碰撞初始條件：整車(chē)質(zhì)量Mv=1 368 kg，整車(chē)初始碰撞速度v0=50 km/h。

整車(chē)結(jié)構(gòu)最大動(dòng)態(tài)壓縮量分解目標(biāo)：整車(chē)結(jié)構(gòu)，c=540 mm。

約束系統(tǒng)匹配性能目標(biāo)：約束系統(tǒng)，約束系統(tǒng)剛度K=0.2 g/mm，約束系統(tǒng)匹配間隙δ=20 mm。

人體胸部加速度最大值40.0g，滿足設(shè)計(jì)要求。

約束系統(tǒng)匹配剛度需要足夠小，并且約束系統(tǒng)間隙需要足夠小，才能改善乘員胸部加速度值。滿足這種特性則需要安全帶、汽車(chē)座椅等自身性能參數(shù)以及零部件之間的系統(tǒng)匹配特性決定，約束系統(tǒng)匹配剛度愈小，約束系統(tǒng)匹配間隙愈小，則約束系統(tǒng)吸收能量愈好，愈能減少乘員沖擊和乘員胸部加速度。并且由車(chē)身結(jié)構(gòu)決定的加速度特性及整車(chē)碰撞最大動(dòng)態(tài)壓縮量參數(shù)能充分反映車(chē)體的降乘效應(yīng)（“ridе-dоwn”效應(yīng)），若車(chē)體降乘效應(yīng)愈好，則車(chē)體結(jié)構(gòu)對(duì)能量吸收愈明顯，傳遞至乘員的能量就會(huì)相應(yīng)地減少，反映至乘員胸部加速度則愈低[5-7]。

乘員響應(yīng)取決于2 個(gè)因素：整車(chē)加速度波形ESW和乘員約束系統(tǒng)匹配。約束系統(tǒng)自身的剛度及約束系統(tǒng)間隙因素的存在，使得約束系統(tǒng)匹配有自身的限制。假使乘員胸部加速度設(shè)定不超過(guò)40g，整車(chē)加速度波形加速度aESW必須小于20g，否則約束系統(tǒng)很難匹配滿足乘員胸部加速度目標(biāo)要求。按照整車(chē)加速度波形加速度aESW必須小于20g要求，按照C-NCAP 標(biāo)準(zhǔn)100%剛性墻正面碰撞工況要求，由公式可以推算出整車(chē)最大動(dòng)態(tài)壓縮量c必須大于492 mm。這里的最大動(dòng)態(tài)壓縮量c＞492 mm 是基于理論范圍的理想結(jié)果，實(shí)際的整車(chē)碰撞要想達(dá)到胸部加速度G≤40g，整車(chē)在100%剛性墻正面碰撞中的最大動(dòng)態(tài)壓縮量往往要在500 mm 以上。

3 結(jié)論

約束系統(tǒng)匹配剛度愈小，約束系統(tǒng)匹配間隙愈小，則約束系統(tǒng)吸收能量愈好，減少乘員沖擊，有利于乘員胸部加速度減少。車(chē)體加速度愈小或整車(chē)動(dòng)態(tài)壓縮量愈大，說(shuō)明車(chē)身結(jié)構(gòu)能量吸收效率愈高，車(chē)體降乘效應(yīng)愈好，乘員胸部加速度會(huì)相應(yīng)減小，有利于乘員保護(hù)。一個(gè)合理的約束系統(tǒng)匹配特性和一個(gè)良好的車(chē)身降乘效應(yīng)更加有利于乘員保護(hù)作用，同時(shí)安全帶預(yù)緊和限力特性也為約束系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供條件。