曹立波，顏凌波

（湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南，長(zhǎng)沙 410082）

根據(jù)各國(guó)和各地區(qū)的事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，翻滾事故雖然在所有交通事故中所占的比例并不大，但是它在致死事故中所占的比例非常高。在澳大利亞，翻滾事故導(dǎo)致了每年27%的交通事故死亡人數(shù)[1]；在歐洲，因車輛翻滾造成的死亡人數(shù)占所有交通事故死亡人數(shù)的20%[2]；在美國(guó)，翻滾事故在所有交通事故中所占的比例雖然只有2.4%，但翻滾事故中的死亡人數(shù)卻占了全部交通事故死亡人數(shù)的33%[3]，而且每年因?yàn)榉瓭L事故中人員傷亡而導(dǎo)致的各方面損失達(dá)到了500億美元[4]。在我國(guó)，翻滾事故所占比例隨著正面碰撞、側(cè)面碰撞事故所占比例的逐漸降低而呈現(xiàn)逐漸增多的趨勢(shì)，同時(shí)，我國(guó)的翻滾事故還呈現(xiàn)出群死群傷的重特大事故特點(diǎn)，其社會(huì)影響極為惡劣[5]。因此，研究翻滾事故安全性、降低翻滾事故中的損傷具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

1 翻滾碰撞事故的基本特性

1.1 翻滾碰撞事故的分類

翻滾是指汽車?yán)@其縱軸或橫軸旋轉(zhuǎn)90°或90°以上的運(yùn)動(dòng)[6]。由此可見(jiàn)，翻滾事故從形態(tài)上來(lái)說(shuō)基本可以分為汽車?yán)@自身縱軸旋轉(zhuǎn)的翻滾和汽車?yán)@自身橫軸旋轉(zhuǎn)的翻滾兩個(gè)大類。而根據(jù)美國(guó)事故樣本數(shù)據(jù)—碰撞事故數(shù)據(jù)系統(tǒng)（National Automotive Sampling System — National Automotive Sampling System，NASS — CDS）中結(jié)合事故外因而進(jìn)行的定義，翻滾可分為絆翻（Trip-over）、拋翻（Flip-over）、爬翻（Climb-over）、轉(zhuǎn)翻（Turnover）、墜翻（Fall-over）、彈翻（Bounce-over）、空翻（End-over-end）、與汽車相撞引起的翻滾（Collision with other vehicle）和其它翻車引發(fā)類型（Other rollover initiation type）共9種不同的事故形式[6]。其中絆翻、拋翻、爬翻、轉(zhuǎn)翻、墜翻、彈翻以及與汽車相撞引起的翻滾都屬于汽車?yán)@其自身縱軸旋轉(zhuǎn)的翻滾，而空翻則屬于汽車?yán)@其自身橫軸旋轉(zhuǎn)的翻滾。表1列出了NASS中各種事故類型的文字定義[6]及在全部事故中所占比例[7]。由表1可知，無(wú)論是對(duì)乘用車還是輕型貨車而言，絆翻是所有翻滾事故中最為常見(jiàn)的一種類型，其次是墜翻。圖1顯示了各種翻滾類型的定義[7]。

1.2 翻滾碰撞事故的主要階段

由表1可知，無(wú)論對(duì)于乘用車還是輕型貨車，超過(guò)一半的翻滾事故類型為絆翻事故。因此，絆翻事故的研究是翻滾碰撞事故研究的主要內(nèi)容。而絆翻事故的主要過(guò)程基本可以分為碰撞階段和非碰撞階段。絆翻事故的非碰撞階段主要是指汽車失控開(kāi)始到汽車車頂與地面開(kāi)始接觸的這段過(guò)程。在這個(gè)階段中，汽車首先由于駕駛員誤操作等原因從正常行駛狀態(tài)變?yōu)槭Э貭顟B(tài)，汽車會(huì)具有一個(gè)顯著的偏轉(zhuǎn)角度。當(dāng)汽車碰到路肩等障礙物或者地面摩擦力足夠大時(shí)，汽車會(huì)開(kāi)始翻滾并導(dǎo)致汽車車頂與地面發(fā)生碰撞接觸。絆翻事故的碰撞階段主要是指汽車車頂與地面開(kāi)始接觸后的過(guò)程。絆翻事故碰撞階段開(kāi)始時(shí)汽車和乘員的初始動(dòng)態(tài)對(duì)最終乘員損傷的程度有著直接的影響，而這些初始動(dòng)態(tài)則由非碰撞階段中汽車和乘員的動(dòng)態(tài)來(lái)決定。

表1 翻滾事故類型的定義及其所占比例

部分學(xué)者將非碰撞階段進(jìn)一步細(xì)分，從而把絆翻事故的主要過(guò)程劃分為3個(gè)階段[5,8]。其中汽車側(cè)滑到汽車一側(cè)輪胎或兩側(cè)輪胎離開(kāi)地面的過(guò)程為絆翻事故的初始階段；汽車離開(kāi)地面后在空中翻滾的過(guò)程為空中階段；汽車空中翻滾后汽車與地面接觸的過(guò)程為接觸階段。

1.3 汽車翻滾碰撞的主要影響參數(shù)

圖2顯示了汽車在正常情況下所處的整體和局部坐標(biāo)系[9]。在翻滾中，汽車開(kāi)始碰撞的初始條件通常由3個(gè)狀態(tài)參數(shù)和3個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)共6個(gè)初始碰撞參數(shù)來(lái)決定。因此，這6個(gè)初始碰撞參數(shù)也決定了翻滾碰撞中汽車怎么翻、翻多少圈、變形程度等動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果，而這些汽車的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也直接影響到了汽車內(nèi)乘員的動(dòng)態(tài)和損傷狀況。

汽車在翻滾碰撞中具有的3個(gè)狀態(tài)參數(shù)分別為偏轉(zhuǎn)角度、傾斜角度和旋轉(zhuǎn)角度。其中偏轉(zhuǎn)角度表示汽車?yán)@其局部坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)的角度；傾斜角度表示汽車?yán)@其局部坐標(biāo)系Y軸旋轉(zhuǎn)的角度；翻滾角度是指汽車?yán)@其局部坐標(biāo)系X軸旋轉(zhuǎn)的角度。而3個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)則反映了翻滾中汽車沿整體坐標(biāo)系中兩個(gè)坐標(biāo)軸的平移運(yùn)動(dòng)和繞其自身縱軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中旋轉(zhuǎn)速度反映汽車?yán)@其自身縱軸所做的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；平移速度反映了汽車沿著整體坐標(biāo)系Y軸所做的平移運(yùn)動(dòng)；跌落速度則反映了汽車沿整體坐標(biāo)系Z軸的垂直運(yùn)動(dòng)，由于汽車跌落通常是自由落體運(yùn)動(dòng)，因此跌落速度也可以用跌落高度來(lái)表示。由于在翻滾過(guò)程中，汽車失控前在X軸方向上平移所產(chǎn)生的大部分動(dòng)能都轉(zhuǎn)化成了汽車翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，因此，翻滾時(shí)汽車在X軸方向上的平移運(yùn)動(dòng)通常都不是很大，所以可以忽略該方向上的平移運(yùn)動(dòng)。

2 翻滾碰撞安全性研究進(jìn)展

2.1 事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

目前，在交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析研究中較普遍的結(jié)論主要有：

（1）翻滾中離翻滾側(cè)較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)端乘員的損傷風(fēng)險(xiǎn)要大于離翻滾側(cè)較近的近端乘員[10-11]。

（2）絆翻是所有翻滾事故類型中最為常見(jiàn)的一種[7]。

（3）大部分翻滾事故只包含1輛汽車[12]。

（4）翻滾事故中車輛翻滾圈數(shù)一般不超過(guò)兩圈[13-14]。

（5）安全帶對(duì)翻滾中的乘員拋出有較大的正面影響[10-11, 15-17]。

表2 翻滾中與乘員損傷程度相關(guān)的因素

除此之外，不少事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究還指出了很多與翻滾中乘員損傷程度相關(guān)的因素。表2則詳細(xì)給出了這些相關(guān)因素。

在翻滾事故中，乘員頭部和面部損傷的主要影響因素是翻滾類型和車頂側(cè)向最大變形，而乘員頸部損傷的主要影響因素包括乘員年齡、體重、車輛翻滾90°的次數(shù)和車頂豎直方向上的最大變形。在未被拋出的所有乘員中，未系安全帶的乘員比系安全帶的乘員有著更高的頭部、面部和頸部（Head, Face and Neck, HFN）損傷風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，系和未系安全帶的乘員之間有著不同的HFN損傷影響因素。表3指明了系和未系安全帶的乘員在翻滾中其HFN損傷的主要影響因素[23]。

但是，由于翻滾碰撞自身的復(fù)雜性和各類研究中數(shù)據(jù)處理方法和分析方法的不同，目前即使使用類似數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)所分析的結(jié)果也可能會(huì)不一樣。例如，有些研究表明頸部不是翻滾事故中人體最常見(jiàn)的損傷部位之一[4,14]，而有些研究則顯示頸部在翻滾事故中發(fā)生損傷的頻率在所有人體部位中可排入前3位[7,24-25]。因此，需要一種更嚴(yán)謹(jǐn)可靠的方法來(lái)研究事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表3 系和未系安全帶的乘員HFN損傷的重要影響因素

2.2 損傷機(jī)理和損傷源

2.2.1 翻滾事故中的損傷形式

很多研究表明頭部、頸部和胸部是翻滾事故中最容易發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的人體部位[10-11,16,26]。在翻滾事故中，腦損傷要比頭骨骨折發(fā)生得更為頻繁，而頸椎骨折則是最常見(jiàn)的頸部損傷[26]。表4顯示了翻滾條件下人體頭部、胸部、肩部、頸部和腹部最常見(jiàn)的損傷形式[14]。

2.2.2 翻滾事故中的損傷源及相關(guān)爭(zhēng)議

通常情況下，車頂往往被認(rèn)為是非拋出乘員頭部和頸部損傷的主要損傷源[4,10,14,26]。對(duì)于系了安全帶的乘員來(lái)說(shuō)，胸部損傷的主要損傷源是車體內(nèi)部飾件，而對(duì)于未系安全帶的乘員來(lái)說(shuō)，其胸部損傷的主要損傷源是轉(zhuǎn)向柱[10,26]。然而，由于翻滾碰撞中車體和人體復(fù)雜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及人們所采用的不同的分析方法和數(shù)據(jù)處理方法，翻滾事故中車頂?shù)膲簼⒆冃闻c乘員損傷之間的因果關(guān)系存在著明顯的爭(zhēng)議。

直觀來(lái)看，車頂壓潰變形的增大會(huì)減少乘員的生存空間從而增大乘員頭部和頸部的損傷風(fēng)險(xiǎn)。在20世紀(jì)50年代初，車頂強(qiáng)度被認(rèn)為在翻滾事故乘員安全中有非常重要的作用，即車頂強(qiáng)度越強(qiáng)，乘員也就越安全。之后一些學(xué)者也通過(guò)分析實(shí)際翻滾事故得出類似的結(jié)論支持了這個(gè)觀點(diǎn)[27]。然而，在1975年，Moffatt提出翻滾碰撞中車頂?shù)膲簼⒆冃闻c乘員的頭、頸部損傷沒(méi)有因果聯(lián)系的假設(shè)。他指出翻滾碰撞中乘員的損傷是由乘員與車體內(nèi)飾的接觸造成，并非是由車頂?shù)膲簼⒃斐?，增加車頂?qiáng)度雖然可以減小車頂?shù)膲簼⒊潭?，但是不一定能減少或消除乘員與車體內(nèi)飾之間的接觸，因此翻滾碰撞中車頂?shù)膲簼⒆冃闻c乘員的損傷沒(méi)有直接的因果聯(lián)系[28]。不少學(xué)者也通過(guò)運(yùn)用交通事故數(shù)據(jù)分析[29-30]和試驗(yàn)[15,24,31-32]等各種方法驗(yàn)證了這一假設(shè)。盡管如此，仍舊有很多學(xué)者認(rèn)為車頂?shù)膲簼⒆冃问窃斐沙藛T損傷的直接原因，并通過(guò)交通事故數(shù)據(jù)分析[19,21,33-34]，重新檢查Malibu試驗(yàn)[35-39]等各種方法來(lái)驗(yàn)證他們的觀點(diǎn)。

實(shí)際上，車頂剛度對(duì)每一款車型應(yīng)該有一個(gè)合理的大小。剛度太大盡管可以減少車頂?shù)膲簼⒆冃?，但?huì)增加翻滾碰撞中的碰撞加速度，使乘員與車內(nèi)的二次碰撞速度增加，從而導(dǎo)致乘員的損傷加劇。剛度太小，可能使車頂在翻滾碰撞中產(chǎn)生過(guò)大的壓潰變形，直接對(duì)乘員頭頸部產(chǎn)生傷害。因此，車頂?shù)膭偠燃炔灰颂笠膊灰颂　?/p>

2.3 物理試驗(yàn)

1934年，通用汽車公司進(jìn)行了第1個(gè)汽車翻滾試驗(yàn)，該試驗(yàn)的方法是將汽車從一個(gè)小山坡的頂端翻滾下去[40]。在此之后的幾十年中，人們發(fā)明了各種各樣的整車動(dòng)態(tài)翻滾試驗(yàn)，這些試驗(yàn)包括使用減速臺(tái)車來(lái)協(xié)助汽車翻滾或使用專門設(shè)計(jì)的支架結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車翻轉(zhuǎn)，其試驗(yàn)方法越來(lái)越先進(jìn)，試驗(yàn)種類也越來(lái)越繁多。

然而，由于翻滾碰撞事故的復(fù)雜性，目前各國(guó)還沒(méi)有頒布一個(gè)強(qiáng)制執(zhí)行的法規(guī)試驗(yàn)來(lái)直接測(cè)試汽車整車翻滾安全性能。到目前為止，美國(guó)216號(hào)和226號(hào)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全性法規(guī)（Federal Motor Vehicle Safety Standard, FMVSS ）是與乘用車翻滾防撞性相關(guān)的強(qiáng)制法規(guī)，而歐洲66號(hào)汽車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)（ECE R66）則是與載客人數(shù)超過(guò)22人的大型客車的側(cè)翻安全性相關(guān)的強(qiáng)制法規(guī)。其中，F(xiàn)MVSS 216法規(guī)采用剛性平板頂壓的方法進(jìn)行車頂強(qiáng)度測(cè)試，其主要目的是為了降低翻滾中因汽車車頂壓潰變形侵入乘員艙造成的傷亡[41]。而FMVSS 226法規(guī)是一種減少乘員拋出風(fēng)險(xiǎn)的試驗(yàn)，其主要目的是促進(jìn)運(yùn)用側(cè)面安全氣囊來(lái)降低翻滾和側(cè)面碰撞中乘員完全或者部分地從側(cè)面車窗被拋出的風(fēng)險(xiǎn)[42]。ECE R66法規(guī)則是采用側(cè)翻的方法來(lái)測(cè)試大型客車的上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其主要目的是防止側(cè)翻中客車車頂結(jié)構(gòu)侵入生存空間[43]。除此之外，F(xiàn)MVSS 208法規(guī)[44]是唯一涉及乘用車的整車翻滾碰撞試驗(yàn)法規(guī)，然而，該試驗(yàn)并未被要求強(qiáng)制執(zhí)行，且有研究表明該試驗(yàn)由于試驗(yàn)中的汽車損傷嚴(yán)重程度[24]和汽車初始翻滾角度[7]等原因只能反映實(shí)際中很少一部分的翻滾事故。同時(shí)，美國(guó)公路交通安全管理局（National Highway Transportation Safety Administration, NHTSA）也認(rèn)為該試驗(yàn)缺乏多次試驗(yàn)之間的可重復(fù)性，不適合作為一個(gè)客觀評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)安全特性的法規(guī)試驗(yàn)[41]。因此，該試驗(yàn)對(duì)車輛翻滾安全性改進(jìn)的指導(dǎo)意義有限。

除了上述法規(guī)試驗(yàn)以外，目前翻滾試驗(yàn)研究領(lǐng)域內(nèi)還有不少其它的翻滾試驗(yàn)，如斜坡/螺旋坡翻滾試驗(yàn)（Ramp/Corkscrew test）[45]、轉(zhuǎn)向盤引導(dǎo)的翻滾試驗(yàn)(Steer-induced rollover test)[46-48]、泥土絆翻試驗(yàn)(Soil trip test)[49-51]、路堤翻滾試驗(yàn) (Embankment test)[47]、路緣絆翻試驗(yàn)(Curb trip test)[49-50]和壁障翻滾試驗(yàn)(Barrier rollover test)[52]等等。而在這些試驗(yàn)中，控制翻滾碰撞系統(tǒng)試驗(yàn)、喬丹翻滾系統(tǒng)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)翻滾試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)是目前為數(shù)不多的可以重復(fù)實(shí)現(xiàn)翻滾試驗(yàn)的整車試驗(yàn)。除此之外，目前翻滾試驗(yàn)研究領(lǐng)域內(nèi)還存在一些專門用于某項(xiàng)研究的子系統(tǒng)試驗(yàn)裝置，如頭部位移試驗(yàn)裝置[53]、翻滾約束系統(tǒng)測(cè)試裝置[54-55]和減速翻滾試驗(yàn)系統(tǒng)[56]等等。

2.3.1 控制翻滾碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)

控制翻滾碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)（Controlled Rollover Impact System, CRIS）[31,57]是由美國(guó)Exponent公司開(kāi)發(fā)的一套可控制可重復(fù)的試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)可用于評(píng)價(jià)汽車翻滾中車頂與地面碰撞時(shí)的整車結(jié)構(gòu)性能和乘員約束系統(tǒng)保護(hù)性能。如圖3所示，在CRIS試驗(yàn)中，試驗(yàn)車被連接在一輛拖車后部特別設(shè)計(jì)的支架上。拖車可通過(guò)支架帶著試驗(yàn)車向前行駛，從而給試驗(yàn)車一個(gè)平移速度。在拖車行駛的過(guò)程中，試驗(yàn)車會(huì)一直保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)拖車行駛到碰撞區(qū)域時(shí)，試驗(yàn)車脫離支架跌落至地面發(fā)生碰撞。碰撞接觸時(shí)的初始條件，如翻滾角度、偏轉(zhuǎn)角度、傾斜角度、翻轉(zhuǎn)速度、平移速度和跌落高度都可以通過(guò)該系統(tǒng)控制而且可在多次試驗(yàn)中重復(fù)實(shí)現(xiàn)。美國(guó)通用汽車公司在2003年進(jìn)行的一系列CRIS試驗(yàn)進(jìn)一步證明了CRIS試驗(yàn)可重復(fù)實(shí)現(xiàn)車頂與地面碰撞時(shí)的車體動(dòng)態(tài)特性[58]。然而，CRIS試驗(yàn)也存在一定的不足，如只能重復(fù)實(shí)現(xiàn)翻滾碰撞中車體與地面的第1次碰撞，之后車體翻滾直至停止這段過(guò)程的車體動(dòng)態(tài)CRIS試驗(yàn)無(wú)法重復(fù)實(shí)現(xiàn)[57]；無(wú)法對(duì)翻滾中車體側(cè)滑等一些過(guò)程進(jìn)行模擬分析[58]。

2.3.2 喬丹翻滾試驗(yàn)系統(tǒng)

喬丹翻滾系統(tǒng)（Jordan Rollover System,JRS）[59-60]是由美國(guó)Xprts公司開(kāi)發(fā)的一套多用途可重復(fù)的翻滾試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于評(píng)價(jià)汽車翻滾中的整車結(jié)構(gòu)安全性能和乘員約束系統(tǒng)保護(hù)性能，同時(shí)它還可以用于研究翻滾過(guò)程中的假人動(dòng)態(tài)響應(yīng)。試驗(yàn)中，試驗(yàn)車的兩端與前后支架上的鉸鏈連接，并通過(guò)鉸鏈控制在旋轉(zhuǎn)和下落的同時(shí)與一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)發(fā)生碰撞接觸。與CRIS試驗(yàn)一樣，在JRS試驗(yàn)中，碰撞時(shí)車體的動(dòng)態(tài)初始條件都可以通過(guò)支架等控制，而且可在多次試驗(yàn)中重復(fù)實(shí)現(xiàn)。然而，JRS試驗(yàn)由于設(shè)計(jì)中限制了車體的側(cè)向位移以及去掉了車輪等部分部件也受到了是否能真實(shí)反映實(shí)際翻滾的質(zhì)疑[32]。同時(shí)，JRS試驗(yàn)也和CRIS試驗(yàn)一樣無(wú)法分析翻滾中車體側(cè)滑和車體空中翻滾等一些過(guò)程中的車體動(dòng)態(tài)和乘員響應(yīng)[58]。另外，NHTSA指出目前JRS試驗(yàn)中使用的初始參數(shù)大小還缺乏足夠的實(shí)際事故數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證，因此需要進(jìn)一步的研究來(lái)決定合理的初始參數(shù)大小[41]。JRS試驗(yàn)的示意圖如圖4所示。

2.3.3 動(dòng)態(tài)翻滾試驗(yàn)系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)翻滾試驗(yàn)系統(tǒng)（Dynamic Rollover Test System, DRoTS）[61]是由美國(guó)維吉尼亞大學(xué)（University of Virginia）于2011年研發(fā)完成的一個(gè)翻滾試驗(yàn)系統(tǒng)，是目前全球唯一的由學(xué)校開(kāi)發(fā)的整車翻滾試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路基于JRS試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)與JRS試驗(yàn)一樣采用支架連接被試驗(yàn)車，并通過(guò)支架給車體施加旋轉(zhuǎn)速度和跌落速度，然后讓車體與移動(dòng)平臺(tái)相碰從而實(shí)現(xiàn)翻滾中車頂與地面的接觸。盡管如此，DRoTS試驗(yàn)系統(tǒng)相對(duì)JRS試驗(yàn)系統(tǒng)有了較大的改進(jìn)，例如DRoTS試驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)的單獨(dú)指定和更大范圍的試驗(yàn)初始條件，擁有更大的被試驗(yàn)車輛的尺寸范圍，具備了進(jìn)行尸體試驗(yàn)的能力等等。圖5顯示了DRoTS試驗(yàn)的基本結(jié)構(gòu)。

2.4 仿真分析

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真開(kāi)始成為一個(gè)非常有效的研究翻滾碰撞的方法。目前，很多研究人員利用計(jì)算機(jī)仿真模型來(lái)研究翻滾中汽車和乘員的動(dòng)態(tài)，而這些模型可以劃分為剛體模型和變形體模型兩個(gè)大類。Chou等人將翻滾仿真模型分為簡(jiǎn)單汽車二維剛體模型、汽車剛體模型、車體結(jié)構(gòu)+假人+約束系統(tǒng)剛體模型和有限元模型4種類型[62]，并對(duì)多種仿真模型進(jìn)行了歸納總結(jié)[8]，但是，總體上看這些模型仍然屬于剛體和變形體兩個(gè)大類。

2.4.1 剛體模型

剛體模型主要是運(yùn)用單個(gè)或多個(gè)剛體所建立的用于研究車體或乘員動(dòng)態(tài)的模型。通常情況下，剛體模型還可以進(jìn)一步劃分為二維剛體模型和三維剛體模型。

二維剛體模型本質(zhì)上是從簡(jiǎn)單汽車系統(tǒng)中導(dǎo)出的微分公式。這些簡(jiǎn)單的汽車系統(tǒng)可能由單個(gè)剛體組成也可能由通過(guò)鉸鏈、彈簧和阻尼器表示的懸架系統(tǒng)連接起來(lái)的兩個(gè)或3個(gè)剛體組成。二維剛體模型主要用于評(píng)估汽車的翻滾特性和汽車之間相對(duì)的安全特性[63]，確認(rèn)汽車翻滾穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)發(fā)翻滾檢測(cè)系統(tǒng)[64]，模擬各種翻滾試驗(yàn)來(lái)理解各種試驗(yàn)參數(shù)下的汽車動(dòng)態(tài)響應(yīng)[65-67]。

三維剛體基礎(chǔ)模型主要是指通過(guò)三維事故重建軟件或者純運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬軟件所建立的剛體模型。這些軟件主要包括HVE (Human Vehicle Environment)[68-69]、PC-Crash[70-71]、ATB (Articulated Total Body)[72-74]以及MADYMO[75-80]等等。其中HVE和PC-Crash通常用于三維翻滾事故的重建，而ATB和MADYMO則常用于翻滾時(shí)汽車和乘員的動(dòng)態(tài)研究。然而，這些軟件都無(wú)法精確模擬翻滾碰撞過(guò)程中汽車車頂?shù)淖冃危@也給準(zhǔn)確了解翻滾碰撞中變形對(duì)乘員的損傷帶來(lái)了一定的局限性。

2.4.2 變形體模型

變形體模型主要是指運(yùn)用有限元方法來(lái)研究翻滾事故中汽車變形的有限元模型。目前，有限元方法雖已廣泛用于正面碰撞和側(cè)面碰撞的研究中，但是由于其較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，有限元方法還很少用于翻滾碰撞的研究中。Niii等人在1995年運(yùn)用一個(gè)大客車的有限元模型進(jìn)行了較短的碰撞仿真[81]，這也是2006年之前唯一在文獻(xiàn)中發(fā)表的翻滾有限元仿真模型[8]。之后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元模型也越來(lái)越多地被用于各種翻滾碰撞安全性研究。其中包括SAE J2114臺(tái)車試驗(yàn)和路緣絆翻試驗(yàn)中假人響應(yīng)的研究[82]、各個(gè)翻滾碰撞初始參數(shù)對(duì)翻滾中車體動(dòng)態(tài)[9]和乘員動(dòng)態(tài)[80,83]的影響。

綜上所述可見(jiàn)，目前有很多計(jì)算機(jī)仿真軟件可以用于翻滾碰撞安全的研究，但是，還沒(méi)有一個(gè)軟件可以在不犧牲模擬準(zhǔn)確性的情況下完整地模擬包括翻滾觸發(fā)形式、汽車車體在與地面接觸時(shí)的變形和乘員響應(yīng)等結(jié)果在內(nèi)的整個(gè)翻滾過(guò)程[9]。因此，各類仿真軟件被單獨(dú)或者結(jié)合起來(lái)使用以模擬某個(gè)特定的翻滾過(guò)程。例如，Digges等人運(yùn)用HVE軟件重建了翻滾事故的汽車運(yùn)動(dòng)特性，并將其作為MADYMO模型的輸入[84]；Gopal等人將PC-Crash和MADYMO結(jié)合來(lái)模擬和研究各種翻滾試驗(yàn)[71]；Ootani和Pal提出了一種方法將PC-Crash和FEA方法結(jié)合來(lái)模擬路緣絆翻試驗(yàn)和泥土絆翻試驗(yàn)[85]；Parent等人將LS-DYNA與MADYMO結(jié)合使用來(lái)研究不同翻滾碰撞參數(shù)對(duì)車體動(dòng)態(tài)響應(yīng)和乘員損傷結(jié)果的影響[9,80]。Yan等人同樣通過(guò)結(jié)合LS-DYNA和MADYMO研究了翻滾中假人損傷響應(yīng)和人體損傷響應(yīng)的不同[83]。

表5列出了目前翻滾碰撞安全性仿真研究領(lǐng)域的幾個(gè)主要軟件在用于翻滾仿真研究時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.5 乘員保護(hù)

目前，專門用于翻滾碰撞中的被動(dòng)乘員保護(hù)措施并不像正面碰撞和側(cè)面碰撞中的被動(dòng)乘員保護(hù)措施那么普遍。較為受關(guān)注的設(shè)計(jì)是運(yùn)用充氣裝置[86]，車頂安全氣囊就是其中之一。車頂安全氣囊主要用于降低翻滾中乘員頭部和頸部的載荷。翻滾臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)車頂安全氣囊打開(kāi)時(shí)，假人的頭部和頸部載荷有明顯降低[87]。除了車頂安全氣囊外，側(cè)面安全氣囊也是一種有效的被動(dòng)乘員保護(hù)措施，它可以有效降低翻滾中乘員的頭部位移[88]。在2011年3月，NHTSA專門發(fā)布了最新的FMVSS 226法規(guī)。該法規(guī)的主要目的就是運(yùn)用側(cè)面安全氣囊等防護(hù)措施來(lái)降低翻滾中乘員完全或者部分從側(cè)面窗戶被拋出的風(fēng)險(xiǎn)[42]。然而，側(cè)面安全氣囊雖可以降低翻滾中乘員從側(cè)面窗戶被拋出的風(fēng)險(xiǎn)，但它對(duì)非拋出乘員的保護(hù)效果仍舊不清楚[86]。

表5 各軟件在用于翻滾仿真研究時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)

除了氣囊外，安全帶也是目前翻滾碰撞損傷防護(hù)中的一個(gè)主要措施。研究表明安全帶在降低非拋出乘員的損傷風(fēng)險(xiǎn)方面作用較大[89]，系了安全帶的乘員所承受的損傷風(fēng)險(xiǎn)低于未系安全帶的乘員所承受的損傷風(fēng)險(xiǎn)。安全帶可降低70%到95%的脊柱或頸部發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的頻率，同時(shí)還可降低55%的頭部發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的頻率和44%的胸部發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的頻率[27]。盡管如此，目前汽車中的安全帶是主要為正面碰撞所設(shè)計(jì)的，它雖可降低翻滾碰撞中一定的乘員損傷，但還是不能很好地阻止翻滾中乘員頭部與車頂?shù)慕佑|[86]。研究還表明，乘員在翻滾中的總位移大概為35 cm。而目前汽車中車頂?shù)揭粋€(gè)坐直的成年人的頭部的距離大概在5 cm到12.5 cm之間[90]。因此，有必要對(duì)安全帶系統(tǒng)進(jìn)行更好的優(yōu)化或重新設(shè)計(jì)來(lái)提供翻滾中更好的乘員保護(hù)。

在使用傳統(tǒng)3點(diǎn)式安全帶所進(jìn)行的安全帶特性研究表明，安全帶腰帶與水平面之間的角度越大，腰帶長(zhǎng)度越短，肩帶越靠近D環(huán)點(diǎn)，安全帶降低乘員頭部位移的效果越好[53]。同時(shí)，使用預(yù)緊器[53]和限制肩帶和腰帶之間的相互滑動(dòng)[22]對(duì)降低翻滾中乘員的位移也有著積極的作用。

除了對(duì)現(xiàn)有3點(diǎn)式安全帶進(jìn)行改進(jìn)外，新型安全帶也是提供翻滾中更好乘員保護(hù)的一個(gè)安全帶改進(jìn)方向。各項(xiàng)研究表明，相比傳統(tǒng)3點(diǎn)式安全帶，充氣式安全帶可更有效地降低假人垂直和橫向的位移，4點(diǎn)式安全帶則可降低乘員Z向垂直位移，但是增大了Y向的橫向位移[91]。3+2點(diǎn)式安全帶對(duì)降低翻滾中乘員頭部的位移基本沒(méi)有效果[92-93]，但雙腰帶式安全帶在降低翻滾中乘員頭部位移方面效果明顯[93]。

綜上所述，圖6給出了目前翻滾中一些乘員保護(hù)措施的設(shè)計(jì)示意圖。

3 我國(guó)翻滾碰撞安全研究進(jìn)展

由于我國(guó)汽車工業(yè)起步較晚，技術(shù)基礎(chǔ)仍舊薄弱，汽車研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在汽車安全方面的研究重點(diǎn)主要還是集中在提高汽車正面碰撞和側(cè)面碰撞兩個(gè)方面，關(guān)于翻滾碰撞安全性方面的研究基本只限于轎車和客車的仿真研究和客車的翻滾試驗(yàn)等，其中，仿真研究又主要分為數(shù)學(xué)模型仿真分析和客車有限元模型仿真分析兩部分。

3.1 數(shù)學(xué)模型仿真分析

汽車側(cè)面翻滾的穩(wěn)定性研究是目前國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行數(shù)學(xué)模型仿真研究的主要內(nèi)容。其相關(guān)模型主要包括雙軸汽車在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型[94]、汽車側(cè)翻和滾翻的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型[95]、綜合考慮懸架組合角剛度和輪胎垂向剛度的汽車靜態(tài)側(cè)翻模型[96]以及與汽車絆翻相關(guān)的“推箱”數(shù)學(xué)模型[5]等等。這些模型被建立的主要目的基本都是為了研究汽車側(cè)面翻滾相關(guān)的穩(wěn)定因素。

3.2 整車有限元仿真

由于法規(guī)方面的匱乏，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于翻滾的整車有限元仿真研究主要集中在客車的側(cè)翻研究上面，主要方法是通過(guò)建立某客車的有限元模型，按照歐洲ECE R66標(biāo)準(zhǔn)的要求模擬客車的側(cè)翻過(guò)程，然后根據(jù)仿真結(jié)果提出客車側(cè)翻安全性的改進(jìn)方案。這些研究之間主要的區(qū)別只是有些模型僅包含客車骨架模型[97-101]，而有些模型則在客車骨架有限元模型的基礎(chǔ)上添加了蒙皮和擋風(fēng)玻璃等子部件的模型[102-104]。何歡在2007年建立某乘用車的有限元模型，并按照美國(guó)FMVSS 208臺(tái)車試驗(yàn)法規(guī)程序模擬該車的翻滾過(guò)程，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)該車提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案[105]。該研究也是目前國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的乘用車翻滾仿真研究。

由此可見(jiàn)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)翻滾中乘員的動(dòng)態(tài)和損傷響應(yīng)、乘用車的整車動(dòng)態(tài)響應(yīng)和翻滾碰撞影響參數(shù)等方面的研究還很少，有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

本文在大量文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，概括闡述了目前國(guó)內(nèi)外翻滾碰撞安全性的研究現(xiàn)狀。通過(guò)以上概述可以發(fā)現(xiàn)，汽車在翻滾過(guò)程中通常都同時(shí)具有多個(gè)方向的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這也導(dǎo)致了非常復(fù)雜的汽車和乘員的空間運(yùn)動(dòng)，給人們預(yù)測(cè)和研究翻滾事故帶來(lái)了極大的困難。目前，汽車翻滾安全性研究領(lǐng)域中仍舊存在事故分析結(jié)果相互矛盾、相關(guān)試驗(yàn)法規(guī)缺乏和相關(guān)仿真模型缺乏等問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)一個(gè)更嚴(yán)謹(jǐn)可靠的事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)研究方法，設(shè)計(jì)一套翻滾碰撞試驗(yàn)法規(guī)以及建立可完整研究翻滾全過(guò)程的仿真模型是未來(lái)翻滾碰撞安全性研究領(lǐng)域中急需解決的一些問(wèn)題。

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