劉 洋

（1.湖南建筑高級技工學(xué)校，長沙 410015；2.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410015）

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不同重疊率下兩車正面碰撞兼容性研究

劉 洋1,2

（1.湖南建筑高級技工學(xué)校，長沙 410015；2.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410015）

摘 要：本文以小型轎車與中型轎車、MPV、SUV、皮卡四種不同車型在不同重疊率下的正面碰撞有限元仿真為基礎(chǔ)，選取小型轎車的前圍板及A柱侵入量和乘員艙加速度作為衡量兼容性的參數(shù)，對不同車型與小型轎車在不同碰撞重疊率下的正面碰撞兼容性進(jìn)行了研究，探究不同碰撞重疊率下影響正面碰撞兼容性的關(guān)鍵因素，為整車設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：碰撞兼容性 重疊率 有限元仿真

汽車正面相撞事故已成為我國道路交通事故的主要事故形式之一。根據(jù)中華人民共和國道路交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年正面相撞事故起數(shù)占總事故數(shù)的27.52%，其造成的人員死亡占總事故死亡人數(shù)的28.53%，造成的經(jīng)濟(jì)損失也相當(dāng)巨大[1]。根據(jù)美國致命事故報(bào)告系統(tǒng)（FARS）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，造成致命的交通事故中51%是車與車碰撞事故，其中轎車的乘員死亡人數(shù)占77.5%[2]。許多研究指出，碰撞車輛在質(zhì)量、前艙剛度及前部幾何上的差異是影響碰撞兼容性的主要因素[3-5]，在實(shí)際交通事故中兩車兼容性還受碰撞重疊率的影響[6-7]。探究這些因素對兩車碰撞兼容性的影響特點(diǎn)是改善兼容性問題的基本前提。

小型轎車質(zhì)量輕、燃油經(jīng)濟(jì)性好是最適合我國基本國情的車型，其市場占有量也相當(dāng)高，但小型轎車在兩車事故中存在較高的乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)，所以其他車輛對小型轎車的兼容性問題不容忽視。而目前對兩車正面碰撞兼容性的研究大都集中在單一車型間，小型轎車與不同車型間的正面碰撞兼容性還未被全面研究。本文通過仿真分析研究小型轎車與不同車型車輛在不同重疊率下的正面碰撞兼容性特點(diǎn)，探究不同重疊率下影響兩車正面碰撞兼容性的關(guān)鍵因素。

1 方法和材料

1.1 兩車碰撞物理模型描述

兩車碰撞時，其動力學(xué)響應(yīng)特性與兩車接觸結(jié)構(gòu)的相互位置有關(guān)。如圖1和圖2所示，兩車接觸位置分別位于車輛前縱梁外側(cè)和縱梁內(nèi)側(cè)時的力學(xué)模型[7]。當(dāng)兩車接觸位置位于縱梁外側(cè)時：

式中，F(xiàn)L為兩車碰撞相互作用力，F(xiàn)L為左側(cè)縱梁支反力，F(xiàn)R為右側(cè)縱梁支反力，M為保險(xiǎn)杠彎矩，D為縱梁間距，X為碰撞力作用點(diǎn)與右側(cè)縱梁支點(diǎn)距離。

當(dāng)兩車接觸位置位于縱梁內(nèi)側(cè)時，上述式子可表達(dá)為：

圖1 縱梁外側(cè)接觸碰撞車輛載荷力學(xué)模型

圖2 縱梁內(nèi)側(cè)接觸碰撞車輛載荷力學(xué)模型

根據(jù)式（1）至式（6）可知：當(dāng)兩車接觸位置位于縱梁外側(cè)時，隨著重疊率的增大（X減小），車輛保險(xiǎn)杠及左右縱梁受碰撞后，載荷將減?。划?dāng)兩車接觸位置位于縱梁內(nèi)側(cè)時，隨著重疊率的增大（X增大），接觸側(cè)縱梁所受載荷隨之減小，而非接觸側(cè)縱梁所受載荷則隨之增大，保險(xiǎn)杠所受彎矩先隨之增大至碰撞力位于兩縱梁中點(diǎn)時再隨重疊率增大而減小。但實(shí)際碰撞中，兩車相互作用力F也會隨之重疊率的變化而變化，從而使車輛前部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的變形模式和變形量，所以需進(jìn)一步研究重疊率對兩車碰撞兼容性影響。

1.2 車輛模型及參數(shù)對比

在前碰與兼容性評價(jià)研究項(xiàng)目（FIMCAR）第二次項(xiàng)目計(jì)劃中，研究者們對英國聯(lián)合碰撞損傷研究中心（CCIS）和德國深入事故調(diào)查中心（GIDAS）的兩車正面碰撞事故數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。其統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明乘用車與乘用車碰撞事故占所有致車輛乘員AIS2+損傷的兩車正面碰撞事故數(shù)量的50%～60%[8]。所以，本文選用中型轎車、MPV、SUV和皮卡四種不同類別的乘用車為對象，研究小型轎車的正面碰撞兼容性。文中所用到的5款車型的有限元（FE）模型都是美國國家碰撞分析中心（NHTSA/NCAC）在網(wǎng)上發(fā)布的模型，分別是Neon（小型轎車）、Taurus（中型轎車）、Caravan（MPV）、Explorer（SUV）、Silverado（皮卡）。所有車輛的FE模型（如圖3所示）均經(jīng)過100%剛性墻正面碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，可用于正面碰撞研究[9]。

為了研究方便，通常用AHOF400（前艙變形在400mm內(nèi)時的平均力高度）描述汽車前端幾何特征，AHOF400由車輛測力墻碰撞試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出[10-12]。用Kw400（前艙變形在400mm內(nèi)時的計(jì)算變形能量剛度）描述汽車前艙剛度特征，Kw400通過車輛正面剛性墻碰撞試驗(yàn)中的力與位移曲線（圖4所示）計(jì)算得出[10]。表1中列出了本文中所選用的四種車型在質(zhì)量、幾何結(jié)構(gòu)和剛度上的差異。

圖3 本文中所用車型FE模型

圖4 車輛力-位移曲線對比

表1 各車型模型參數(shù)對比

1.3 兩車碰撞FE模型建立

來自FIMCAR的交通事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果還表明乘用車與乘用車碰撞事故中碰撞重疊率大于75%時，乘員受AIS2+損傷風(fēng)險(xiǎn)較大，50%～74%時次之，小于50%時乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)較其他重疊率情況小[8]。根據(jù)Hisaaki Kato等人對美國國家汽車調(diào)查系統(tǒng)—耐撞性數(shù)據(jù)系統(tǒng)（NASS-CDS）的統(tǒng)計(jì)分析,在正面碰撞致命事故中，63%的事故發(fā)生在車輛重疊率為22%～75%的情況下，30%的發(fā)生在車輛重疊率大于75%時，且將近60%的事故的碰撞速度都低于50km/h[2]?；谏鲜鼋煌ㄊ鹿式y(tǒng)計(jì)結(jié)果，為充分研究各重疊率下小型轎車與其他乘用車正面碰撞兼容性，本文建立了小型轎車與四種不同車型在不同重疊率下的正面碰撞有限元模型（Neon-Taurus、Neon-Caravan、Neon-Explorer、Neon-Silverado），相對碰撞速度為50km/h，重疊率為30%、50%、70%、100%（駕駛員側(cè)）。

在車與車的碰撞事故中，汽車乘員艙的巨大變形是導(dǎo)致乘員受傷害的關(guān)鍵性因素，其中68%的下肢損傷來自人體與儀表板的撞擊[2]，前圍板的侵入量可以反映出乘員受傷害的風(fēng)險(xiǎn)。所以本文選取Neon前圍板及A柱侵入量和乘員艙加速度作為評價(jià)兩車兼容性的參數(shù)，其中侵入量仿真結(jié)果輸出位置分布情況如圖5所示。運(yùn)用非線性動態(tài)仿真軟件LS-DYNA對碰撞模型進(jìn)行仿真分析。

圖5 侵入量仿真結(jié)果輸出位置分布

2 結(jié)果

2.1 前部結(jié)構(gòu)相互作用

圖6為重疊率是100%時Neon與四種不同車型碰撞前部結(jié)構(gòu)相互作用情況。從圖6可以看出，碰撞時，Neon前縱梁壓于碰撞對方縱梁下方，產(chǎn)生明顯的“鉆撞”現(xiàn)象。對比分析可知，隨著AHOF400差的增大，“鉆撞”現(xiàn)象越嚴(yán)重。但由于車輛前部副車架和次級吸能結(jié)構(gòu)的作用，Neon對Taurus和Silverado碰撞時的“鉆撞”現(xiàn)象得到明顯的緩解。Neon前縱梁的縱向變形量隨著對方車輛剛度和幾何高度的增加而增大，Neon-Silverado時，Neon縱梁縱向變形最大，其次為Neon-Explore。

如圖7所示，以Neon-Explorer為例描述了不同重疊率下車輛前部結(jié)構(gòu)相互作用情況。30%重疊率時，碰撞接觸區(qū)域位于兩車縱梁外側(cè)，Neon保險(xiǎn)杠左端向內(nèi)側(cè)彎曲，縱梁向左側(cè)彎曲；50%重疊率時，兩車碰撞接觸位置位于縱梁內(nèi)側(cè)，但兩車縱梁在同一平行線上，Neon保險(xiǎn)杠左端向外側(cè)彎曲變形，左側(cè)縱梁產(chǎn)生壓潰形變，右側(cè)縱梁向左側(cè)彎曲；70%重疊率時，兩車接觸位置和縱梁均在對方縱梁內(nèi)側(cè)，Neon保險(xiǎn)杠中部向外側(cè)彎曲變形，左側(cè)縱梁產(chǎn)生壓潰和彎曲形變，右側(cè)縱梁向左側(cè)彎曲變形；100%重疊率時，兩車前部全部碰撞，Neon保險(xiǎn)杠兩端向外側(cè)彎曲，雙側(cè)縱梁產(chǎn)生壓潰和彎曲形變。

圖6 重疊率100%時Neon與四種不同車型碰撞前部結(jié)構(gòu)相互作用

圖7 不同重疊率下車輛前部結(jié)構(gòu)相互作用

2.2 乘員艙侵入量

圖8為各重疊率下Neon與四種不同車型碰撞時的前圍板及A柱侵入量仿真結(jié)果。重疊率為30%時，除駕駛員側(cè)A柱侵入量外其他部位侵入量均為Neon-Silverado的最大，然后依次為Neon-Explorer、Neon-Caravan和Neon-Taurus。重疊率為50%時，各處均為Explorer對Neon造成的侵入量最大，然后依次為Silverado、Caravan和Taurus。重疊率為70%時，接觸側(cè)（駕駛員側(cè)）前圍板侵入量為Neon-Caravan時最大；而該側(cè)A柱侵入量則為Neon-Silverado時最大，然后依次為Neon-Explorer、Neon-Caravan和Neon-Taurus；非接觸側(cè)（乘員側(cè)）各處侵入量均為Neon-Explorer時最大。重疊率為100%時，各處侵入量均為Neon-Silverado時最大，其次為Neon-Explorer。

圖8 各重疊率下Neon與四種不同車型碰撞時的前圍板及A柱侵入量

2.3 乘員艙加速度

圖9為不同重疊率下Neon與四款車正面碰撞仿真的乘員艙加速峰值比較。從圖9可以看出，在不同重疊率下，Neon與各車型相碰產(chǎn)生的加速度值存在較大差異，同一重疊率下不同車型對Neon產(chǎn)生的加速峰值也不同。重疊率為30%時，Neon-Caravan和Neon-Explorer加速度峰值較大，分別為24.8g和23.7g，然后依次為Neon-Silverado（17.9）、Neon-Taurus（10.9g）。重疊率為50%時，Neon-Explorer的加速度明顯高于其他模型，其峰值為32.5g，Neon-Caravan （25.6g）和Neon-Silverado（23.4g）次之，Neon-Taurus （17.2g）最小。重疊率為70%時，Neon-Explorer（32.2g）和Neon-Silverado（29.2g）的加速度明顯高于其他兩種模型。重疊率為100%時，Neon-Silverado（26.1g）的加速度為四者中最大，其次為Neon-Explorer（21.9g）、Neon-Caravan（19.6g）和Neon-Taurus（16.6g）。

圖9 不同重疊率下Neon與四款車正面碰撞仿真的乘員艙加速峰值

3 討論

從分析結(jié)果可以看出，隨著前部幾何高度差的增加，兩車“鉆撞”現(xiàn)象越明顯，但由于不同重疊率下車輛參與接觸碰撞的部件不同，車輛前部幾何結(jié)構(gòu)高度和剛度因素對兼容性的綜合影響特性規(guī)律不明顯。

3.1 乘員艙侵入量

從侵入量仿真結(jié)果中可以看出，四款車型中SUV和皮卡對小型轎車的碰撞兼容性相對較差，中型轎車對小型轎車的碰撞兼容性相最好。但碰撞時不同車型對小型轎車前圍板及A柱造成的侵入量存在差異，且在不同重疊率下車型間對小型轎車造成的侵入量大小順序和主要侵入部位也有所不同。這是碰撞時載荷傳遞路徑，主要吸能結(jié)構(gòu)相互作用效果及車輛本身質(zhì)量、前部剛度、前部幾何高度參數(shù)特點(diǎn)共同作用的結(jié)果。30%重疊率時，受車輛重量、剛度的影響，各車型對Neon的侵入量大小基本按質(zhì)量比和剛度比的大小順序而排列；但是，駕駛員側(cè)A柱侵入主要是由于載荷沿Neon上邊梁向后傳遞時所致，而由于皮卡前部結(jié)構(gòu)剛好與小型轎車上邊梁產(chǎn)生了較好的相互作用效果，致使小型轎車上邊梁產(chǎn)生了較好的變形，明顯減小了小型轎車的侵入。50%和100%重疊率時，碰撞載荷主要沿碰撞車輛間的左側(cè)縱梁傳遞，小型轎車的最大侵入部位在駕駛員側(cè)前圍板處。由于兩車縱梁直接接觸碰撞，前部幾何結(jié)構(gòu)高度和剛度綜合因素對兩車正面碰撞兼容性影響最明顯，小型轎車的乘員艙侵入量和加速度峰值都隨著AHOF400差和Kw400比的增大而增大。70%重疊率時，載荷主要沿碰撞雙方的左側(cè)縱梁及發(fā)動機(jī)向后傳遞，由于MPV發(fā)動機(jī)距離車輛前部的空間較其他車輛小，阻礙了其前部部件的變形，致使較大載荷由小型轎車承擔(dān)，碰撞能量大部分由小型轎車吸收。然而，小型轎車前部空間吸能量有限，只能通過乘員艙的變形吸收剩余能量，導(dǎo)致其前圍板較大侵入，致使小型轎車侵入量大于其與幾何高度差和剛度比均更大。

3.2 乘員艙加速度

兩車碰撞時的加速度與其碰撞時的相互作用力有關(guān)，而相互作用力的大小受兩車質(zhì)量、剛度、幾何結(jié)構(gòu)高度和在碰撞中的主要吸能部件的具體變形特點(diǎn)影響[10]。不同重疊率時，車輛碰撞加速度受車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)影響特點(diǎn)存在差異。

比較同一碰撞對方在不同重疊率下小型轎車加速度峰值可以看出，隨著重疊率的變化，碰撞加速度峰值呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律：小型轎車與MPV碰撞時，隨著重疊率的增大小型轎車乘員艙加速度減??；重疊率小于50%時，縱梁未直接參與碰撞，MPV前部高度恰好使得小型轎車卡于其下部，車輛未產(chǎn)生明顯旋轉(zhuǎn)，而前部吸能部件又少，從而加速度峰值最高；縱梁參與碰撞時，由于MPV前縱梁為拱形結(jié)構(gòu)，碰撞時以彎曲變形為主，且其發(fā)動機(jī)距離車輛前端短，碰撞時前部較易變形至發(fā)動機(jī)處產(chǎn)生加速度峰值；隨著重疊率的增加，參加吸能的部件隨之增加，當(dāng)變形至發(fā)動機(jī)處時前部吸收的能量也增加，從而減小了碰撞加速度峰值。小型轎車與其他三款車型碰撞時，隨著重疊率的增大，其加速度峰值均為拋物線形式變化，在50%至70%重疊率時達(dá)到最大；這是由于重疊率小于50%時，縱梁未直接參與碰撞，且車輛碰撞時會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，從而縱向加速度較低；縱梁參與碰撞時，隨著重疊率的增大，車輛碰撞旋轉(zhuǎn)減弱，而前部參與吸能的部件增加，當(dāng)重疊率接近70%時二者因素達(dá)到平衡，從而產(chǎn)生最大加速度。

比較同一重疊率下不同碰撞對方至小型轎車加速度峰值可以看出，不同重疊率下影響兩車正面碰撞兼容性的主要因素存在以下特點(diǎn)：30%重疊率時，幾何結(jié)構(gòu)高度因素對兩車碰撞的相互作用效果影響最大，MPV和SUV前部高度恰好使得小型轎車在碰撞時將前輪卡在了它們的前縱梁下，小型轎車前部部件變形較小，產(chǎn)生了較大的相互作用力，從而引起了較大加速度峰值。50%和70%重疊率時，車輛前部剛度因素作用明顯，SUV和皮卡對小型轎車產(chǎn)生的加速度大于其他車型，但由于皮卡前部剛度比SUV略小，所以小型轎車與皮卡碰撞時加速度峰值比與SUV碰撞時小。而100%重疊率時，幾何結(jié)構(gòu)因素和剛度因素綜合作用，皮卡前部幾何高度高，當(dāng)小型轎車完全鉆入其縱梁下方時產(chǎn)生最大加速度，此時作用力大于高剛度SUV與小型轎車碰撞時，所以與皮卡碰撞時小型轎車加速度峰值最大。從小型轎車乘員艙加速度仿真結(jié)果來看，四款車型中SUV和皮卡對小型轎車的兼容性較差。

4 結(jié)論

本文研究了小型轎車對不同車型的正面碰撞兼容性特點(diǎn)，分析了不同碰撞重疊率下影響正面碰撞兼容性的主要因素。研究表明，質(zhì)量大、剛度高及前部幾何尺寸高的車型（如SUV和皮卡）對小型轎車的正面碰撞兼容性較差。在不同碰撞重疊率下，車輛前部結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)能改變?nèi)笠貙嫒菪缘挠绊懱匦裕褐丿B率小于30%時，車輛前部幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是影響兼容性的主要因素；重疊率在30%～50%時，車輛剛度和幾何結(jié)構(gòu)為兼容性主要影響因素；重疊率在50%～70%時，發(fā)動機(jī)直接參與碰撞，其布置特點(diǎn)影響兩車兼容性；重疊率大于70%碰撞時，車輛質(zhì)量、前部幾何結(jié)構(gòu)和剛度為影響正面碰撞兼容性的主要因素。所以，在進(jìn)行碰撞兼容性研究時需具體考慮車輛前部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和車輛碰撞時的結(jié)構(gòu)相互作用特點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合質(zhì)量、剛度和幾何因素全面分析車輛碰撞兼容性問題。

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A Study on Compatibility of Vehicle-to-Vehicle Frontal Crash in Different Overlap Ratios

LIU Yang1,2
(1.Hunan Building Senior Technical School, Changsha, 410015;2. HuNan Urban Construction College,Changsha, 410015)

Abstract:Based on small cars and midsize sedan, MPV and SUV, pickup truck, four different models under different rate of overlapping of frontal crash simulation based on f inite element, select small car dash panel and A column into amount and crew capsule acceler ation as to measure the parameters of the compatibility, the different models under different collision overlap rate with s mall cars in the frontal cr ash of compatibility was studied, under different collision overlap rate to explore the key factors influencing the frontal crash compatibility, as to provide theoretical basis for the vehicle design.

Key words:crash compatibility,overlap ratio,finite element simulation