基于约束系统仿真分析的碰撞台车试验设计

于针对台车旋转角度和碰撞加速度两变量同时考虑来 系统分析实现台车试验来代替整车６４ ｋｍ／ｈ的４０％偏
置碰撞试验的研究。
针对以上问题，本文提出了＿一种针对驾驶员侧约束 系统可有效代替整车６４ ｋｍ／ｈ的４０％偏置碰撞试验的
台车试验设计方法，基于该方法确立了台车初始偏转角 度和碰撞加速度，并将台车仿真试验跟整车偏置碰撞 仿真试验结果进行了对比。
摘
要：设计了一种偏置可变形壁障碰撞（ＯＤＢ）台车试验，以有效代替整车偏置碰撞试验。针对某款
长安乘用车，用Ｈａｄｙｍｏ模拟软件，建立该车型驾驶员侧约束系统的计算机辅助工程（ＣＡＥ）仿真模型。 完成与整车６４ ｋｍｌｈ的４０％ＯＤＢ试验的对标，模拟了Ｈｙｂｒｉｄ ＩＩＩ型５０百分位假人在试验中的伤害参 数。同时考虑了台车的初始固定偏转角度和台车加速度两个变量，用ＣＡＥ仿真分析，确定台车车身设 置最优方案与整车试验对比。结果表明：对于头部、胸部等关键部位的伤害曲线，该台车试验方法与 整车试验相似度大于８０％。从而，提供了一种用台车试验代替整车偏置碰撞的新方法。 关键词：汽车安全；偏置可变形壁障碰撞（ＯＤＢ）；台车试验；约束系统；Ｍａｄｙｍｏ软件 中图分类号：Ｕ
度波形。分析矩阵见表２所示。约束系统通过施加加 速度载荷来评判乘员损伤指标，而Ｂ柱下方加速度能 较好的反映乘员加速度水平【ｌ”。图４为模型施加的加 速度波形，分别为左Ｂ柱下方加速度的１００％，９５％， ９０％，８５％和８０％缩放，速度变化为６４ ｋｍ／ｈ，波形 持续时间为０．１５ ｍｓ。
表２分析矩阵
通事故的致死率为２７．３％，居世界之首［２】。在汽车事故 中，正面碰撞最为普遍［３】。正面碰撞分为全宽碰撞和 ４０％偏置碰撞【４】，而重叠率为３１％～４０％的碰撞事故
中，一级损伤率最高口】。而４０％偏置碰撞试验能够较 好地模拟重叠率为３０％一４０％的交通事故【５】，并且在
２０１２版中国新车评价规程（Ｃｈｉｎａ
ｂａｒｒｉｅｒ，ＦＲＢ）是车体结构
及约束系统研发达五星的主要难点，因此我国对ＦＲＢ 研究较多。用线性的台车试验来模拟整车ＦＲＢ试验也
很容易得到满意结果。２０１２版Ｃ－ＮＣＡＰ标准出台后，将
偏置碰撞速度由５６ ｋｍ／ｈ提升到了６４ ｋｍ／ｈ同。６４ ｋｍ／ｈ的 可变形壁障偏置碰撞（ｏｆｆｓｅｔ
ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ
Ｎｅｗ Ｃａｒ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ
图１
驾驶员侧约束系统基础模型
该模型约束系统主要包括：预紧限力式安全带、
Ｐｒｏｇｒａｍ，Ｃ－ＮＣＡＰ）标准出台前，由于满足５０ ｋｍ／ｈ刚 性壁正面碰撞（ｆｒｏｎｔａｌ
ｒｉｇｉｄ
安全气囊、转向管柱、座椅以及地板、汽车仪表板（ｉｎｔｅｒａｌ
ｐａｎｅｌ，ＩＰ）等，采用ＭＡＤＹＭＯ假人库中Ｈｙｂｒｉｄ １１型 ５０百分位假人来进行损伤指标的测量。并进行整车仿 真模型和整车６４ ｋｍ／ｈ偏置碰撞试验对标。
收稿日期／Ｒｅｃｅｉｖｅｄ：２０１３．１２．０３ 基金项目，Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ：汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室基金项目（ＮＶＨＳＫＬ－２０１１１３） 第一作者／Ｆｉｒｓｔａｕｔｈｏｒ：赵会（１９５９一），男，美国，教授。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｈｕｉ＠ｃｈａｎｇａｎ．ｃｏｍ．ｃｎ 第二作者／Ｓｅｃｏｎｄ ａｕｔｈｏｒ：徐晓云，硕士研究生。Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｕｘｉａｏｙｕｎｌ １３０＠１２６．ｃｏｍ
万方数据
赵会，等：基于约束系统仿真分析的ＯＤＢ碰撞台车试验设计
５３
据中国国家统计局网站公布的２０１２年统计公报，
截止２０１２年底中国大陆民用汽车保有量达１．２亿辆，
比上年末增长１４．３％【１】。汽车保有量的不断增长，标志 着中国汽车大国的地位进一步确立。与此同时，交通事
故也已成为人类生命安全的第一公害。据统让中国交
１．２模型的对标
整车仿真和整车试验对标评分结果对比分别如表 １所示。假人关键部位响应曲线如图２所示，其中：头 部伤害允许指标（ｈｅａｄ ｉｎｊｕｒｙ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ，ＨＩＣ）。
表１ 整车仿真和整车试验对标评分结果对比
ｂａｒｒｉｅｒ，ＯＤＢ）
显得比５０ ｋｍ／ｈ的ＦＲＢ对乘员的损伤更大，因此满 足６４
ｗａｓ
ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｃｒａｓｈ ｌｅｓｔｓ ｗｉｔｈ ４０％ＯＤＢ
ｗｅｒｅ
ａｔ ａ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ６４ ｋｍ／ｈ．Ｔｈｅ
ｉｎｊｕｒｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｏｆ ｔｈｅ Ｈｙｂｒｉｄ ｍ ５０ｔｈ ｄｕｍｍｙ
ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｗｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ
ＯＤＢ（ｏｆｆｓｅｔ
ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ
ｂａｒｒｉｅｒ）
ＣＡＥ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）ｍｏｄｅｌ
ａ
ｗａｓ
ｂｕｉｌｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＭＡＤＹＭＯ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｓｉｄｅ
ｒｅｓｔｒａｉｎｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ
Ｃｈａｎｇ＇ａｎ Ｍｏｔｏｒ’Ｓ ｃａｒ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ
４１６．９１
文献标识码：Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—８４８４．２０１４．０１．００６
Ｓｌｅｄ ｔｅｓｔ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＯＤＢ ｃｒａｓｈ ｔｅｓｔｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｒｅｓｔｒａｉｎｔ ｓｙｓｔｅｍ
ＳｌｍＵｌａｔｔｏｎ
●
＿
・■
＇
‘
ａｎａＩｙＳ｜Ｓ
ＺＨＡＯ Ｈｕｉｌ，ＸＵ Ｘｉａｏｙｕｎｒ，ＳＨＡＯ Ｙｉｍｉｎ９２，ＷＡＮＧ Ｚｈｉｌ （１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＶｅｈｉｃｌｅＮＶＨａｎｄＳａｆｅｔｙ
ａ ｎｅｗ ａｒｅ
ｉｎｊｕｒｙ ｃｕｒｖｅｓ ｆｒｏｍ
ｆｈｅ
ｃｌｏｓｅ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｍｏｒｅ
ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｒｅｐｌａｃｅ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｖｅｈｉｄｅ ｃｒａｓｈ ｔｅｓｔｓ ｉｎ ＯＢＤ． ｓｙｓｔｅｍｓ；ＭＡＤＹＭＯ
ｂａｒｒｉｅｒ（ＯＤＢ）；ｓｌｅｄ ｔｅｓｔｓ；ｒｅｓｔｒａｉｎ
ＩＳＳＮ １６７４．８４８４ ＣＮ １ １－５９０４／Ｕ
汽车安全与节能学报，２０１４年，第５卷第ｌ期
Ｊ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ，２０１４．Ｖ０１．５ Ｎｏ．１
６／１３ ５２—５７
基于约束系统仿真分析的ＯＤＢ碰撞台车试验设计
赵会１，徐晓云２，邵毅明２，王智１
（１．长安汽车工程研究总院，汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆４０１１２０，中国； ２．重庆交通大学，重庆４０００７４，中国）
万方数据
赵会，等：基于约束系统仿真分析的ＯＤＢ碰撞台车试验设计
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
５５
本文将对标好的整车偏置碰撞模型调整为台车试
验的边界条件，即加速度加载方向与模型ｘ向有一定 夹角。由于在本车型之前对偏转角度。ｃ和波形加载比 例２ ｍ为左Ｂ柱加速度的倍数）这两个变量做过仿真分 析，找到了相应范围。故本次分析将变量范围缩小，以 左侧Ｂ柱下方为旋转中心，绕ｚ轴旋转角度仅（００、７０、
结果表明：安全带腰带作用力能较好的反应约束
系统对乘员的保护作用，同时假人的运动姿态受髋部 合成加速度影响较大，二者对标效果良好，因而保证
１整车偏置碰撞分析模型的建立
１．１模型的建立 通过合理匹配约束系统，可以在车辆发生碰撞时， 有效减轻乘员与车内部件的碰撞，减少伤害嘲。本文 以某长安车型为研究对象，建立了驾驶员侧约束系统
ｖａｒｉａｂｌｅｓ，ｌｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｆｉｘｅｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｓｌｅｄ ａｎｄ Ｉｈｅ ｓｌｅｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ
ｃｕｒｖｅ，ｗｅｒｅ
ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＣＡＥ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｃｃｕｐａｎｔ’Ｓ ｈｅａｄ ａｎｄ ｃｈｅｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｌｅｄ ｔｅｓｔｓ ａｎｄ ｆｒｏｍ ｌｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｅｓｔｓ ｔｈａｎ ８０％．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｌｅｄ ｔｅｓｔ ｓｅｔ ｕｐ ｐｒｏｖｉｄｅｓ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ ｃｒａｓｈ ｓａｆｅｔｙ；ｏｆｆｓｅｔ ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ
固定台车车身时就使车身与台车加速方向保持—定夹角 仅，如图３ｂ所示。 通过这个夹角仅来产生车体坐标轴下的分力ｎ，和
图３台车试验示意图
（ａ）旋转前
ｎ。模拟假人在整车偏转过程中假人相对车体的偏转运 动姿态；同时台车加速度波形采用将左Ｂ柱加速度进
行一定比例缩放的方式，找出适合台车试验的加速度 波形。因此确定：在设计台车仿真试验中的２个主要变 量是初始旋转角度和台车加速度波形。
表３采用各方案和整车偏置碰撞试验假人的伤害结果
仿真试验 方案１ 方案２ 方案３ 方案４ 方案５ 方案６ 方案７ 方案８ 方案９ 方案１０
弘
甜
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弛 勰
弘
” 弘 弘
９。、１１。）。波形选择一定比例的车体左侧Ｂ柱加速
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＶｅｈｉｃｌｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈａｎｇ＇ａｎ
Ｍｏｔｏｒ
Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０１ １２０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ
４０００７４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ Ｏｆ ｏｆｆｓｅｔ ｓｌｅｄ ｔｅｓｔｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｌＯ ｒｅｓｅｍｂｌｅ ｗｈｏｌｅ－ｖｅｈｉｃｌｅ ｃｒａｓｈ ｔｅｓｔｓ．Ａ
ｋｍ／ｈ
ＯＤＢ成为了车体结构和约束系统研发达到
五星的主要难点。之前，对ＯＤＢ的研究相对较少，尤
其是如何用台车来代替整车ＯＤＢ试验的研究则更虫
因此开展４０％偏置碰撞的研究工作十分必要。 由于整车碰撞试验成本高，且开发周期长，各国
汽车企业越来越多的采用台车碰撞试验来研究整车碰 撞安全性。一些科研人员已验证了台车模拟分析在整 车偏置碰撞过程中的实用性［７】。但是，目前还没有关
仿真模型，如图１所示。
了用整车仿真模型来评判乘员损伤指标的研究方法的
准确性。
２偏置碰撞台车仿真模拟
２．１仿真设计规则
在整车偏置碰撞试验中车体的动态形式有２种。
万方数据
汽车安全与节能学报
２０１４年第５卷第１期
０
５０
１００
０
１５０
０
１５０
０
图２整车仿真和整车试验假人关键部位伤害值对标结果
第１种是绕ｚ轴（在车体坐标系中，坐标系原点与
图７为方案１２与整车偏置碰撞仿真试验的假人关
键部位响应曲线的对比。由于是台车试验，因此假人响
图４加速度曲线
应主要考察头部、颈部、胸部和髋部的响应拟合情况。 其中方案１２髋部合成加速度曲线略小于整车偏置碰撞 仿真试验曲线，头部合成加速度曲线峰值比较接近，考
叭 ＆ ＆ 互 殳 良
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”帅 弘 黔
弛 如 弘 鲫 ” 矾
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弘 弘
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舵
２）方案１２的假人运动姿态如图５所示，即碰撞台 车绕ｚ轴旋转９。，波形采用左Ｂ柱８５％缩放时的假 人运动姿态。 ３）整车偏置碰撞仿真试验的假人运动姿态如图６ 所示。 从图５和图６比较结果可以看出，两者相似度较好， 都在７５ ｍｓ时刻与气囊接触，１４０ ｍｓ时刻头部落点大 致相同。
车体质心重合，ＸＯＺ处于汽车左右对称的平面内。ｘ轴
平行于地面指向车头前方，ｚ轴通过质心指向上方’Ｙ 轴指向车体的左侧【１０］。）产生的旋转造成乘员在碰撞过
烈
程中的运动姿态也发生偏转从而造成乘员以—定的角度 与约束系统发生碰撞。 第２种形式是车体将发生不同程度的前倾（绕ｙ 轴点头）ｏ而根据经验，在两种动态形式中旋转对乘员 的损伤影响更大，因此本论文忽略前倾现象而主要考 虑车体旋转形式下台车模拟方法的研究。 在台车试验中模拟整车偏置工况，关键在于如何 模拟整车碰撞工况中车辆撞击到壁障发生偏转运动以 及车体加速度波形左侧Ｂ柱和右侧Ｂ柱有较大差异， 但台车试验中只能施加一个加速度波形，如图３ａ所示。 解决的总体思路是，设计一种新的台车试验，初始安装