汽车正面碰撞讲义

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法规简介
汽车安全事故已经成为危害人类生命安全的一大公害。 早在二十世纪六十年代，美国就建立了影响至今的联邦机动车安全标 准FMVSS（Federal Motor Vehicle Safe Standard ）,作为最早的汽车安 全性法规，它已经具有全面的框架结构，包括了几十项内容，即大约25项 的主动安全性标准和大约23项被动安全性标准。同时，还包括碰撞试验后 进行燃油泄漏检验的法规。正碰为FMVSS208法规。 欧洲也相继推出了欧洲经济委员会ECE(Economic Commission for Europe Regulations)、欧洲经济共同体EEC(European Economic Community)安全法规。正碰为ECE R33、ECE R94法规。 日本也推出了日本道路运输车辆保安标准TRIAS( Traffic Safety and Nuisance Research Institute's Automobile Type Approval Test Standards)。 澳大利亚 —— ADR（automotive design Regulations）
在正面碰撞中，车身前部为主要吸能区域，在各部件的安全性设计上，主要考虑使其具有合适的刚度，在车 身变形与能量吸收上达到平衡，以便减少车内乘员的损伤。如前纵梁，在设计上就要求其在碰撞时需产生理想的 压溃变形，而非弯曲变形。对于梁来说，影响变形方式和能量吸收能力的因素有：截面尺寸、厚度、长度、材料 特性等，有时候简单地加厚或将中强度钢改为高强度等反而会事与愿违。所以钢板厚薄并不是影响正面碰撞安全 的决定性因素，多考虑车身前部的吸能空间反而更加重要。
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典型偏置正面碰撞车体加速度波形
B-Pillar Base B-Pillar Upper
Struck side (LH) Non-struck side (RH)
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乘员约束系统模型
完整的乘员约束系统 包括乘员舱结构（包括仪 表板、膝盖缓冲块、前挡 板、前底板等）、座椅总 成、安全带总成、方向盘 及转向管柱系统、气囊总 成、各ECU单元及传感器 等。 有限元建模传感器是很 重要的一环。
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小腿碰撞行人保护要求
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行人保护设计内容
可以针对保险杠吸能结构（EA单元）、保险杠横梁、前车灯系统、发 动机舱盖、翼字板等结构优化，可以结合高速正面碰撞的吸能构件－吸能盒 （crashbox）优化
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行人保护试验
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考虑碰撞安全性能的保险杠应用
结合低速碰撞与行人保护内容，目前市场上获得应用的保险杠结构有 以下几种：
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பைடு நூலகம்
高速正面碰撞－FMVSS 208内容
FMVSS 208还包括儿童离位试验，滚翻等内容 儿童有1岁、3岁、6岁
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完整FMVSS 208假人伤害评价标准
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假人说明
体重：75kg 身高：175mm 体重：55 kg 身高：155mm
50th Male Hybrid III Dummy
5th Female Hybrid III Dummy
中国正面碰撞法规
1999年10月28日，我国正式颁布了CMVDR 294《关于正面碰撞乘员保 护的设计规则》，该设计规则适用于M1类车辆（除驾驶员座位外，乘客座 位不超过八个的载客车辆）关于正面碰撞时前排外侧座椅乘员保护方面的认 证。 目前该规则已经正式成为强制性标准。标准号为GB11551-03。 2006年7月1日，中国的侧碰、后碰法规也即将实施。 中国的法规都是参考欧洲标准。 注：CMVDR 294 —— china motor vehicle design rule
实际上应该在概念设计阶段做的工作，模型也没有这么详细（仅仅为一 些线框梁模型）； 在概念设计的阶段，要多从车辆安全性能的角度出发，多进行一些车体 关键零部件结构的测试与分析，以确保车身结构的安全达到预先制定的相关 参数要求，这样的开发过程会减少后期车身结构设计的更改，有效的缩短开 发周期。
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发动机舱变形空间
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国内强检标准
涉及到主、被动安 全的各有16项，一 般安全的有8项。
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美国FMVSS法规被动安全部分
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欧洲 ECE 法规被动安全部分
碰撞防护（12 项） 对驾驶员及乘员的防护 车辆碰撞中防止转向机构驾驶员的 伤害 摩托车与轻便摩托车驾驶员和乘员 用头盔和面罩 商用车辆驾驶员内乘员防护 追尾碰撞中被撞车辆（轿车）的结 构特性 正面碰撞中被撞车辆（轿车）的结 构特性 车辆（轿车）前碰撞中的乘员保护 车辆侧碰撞中的乘员保护 汽车碰撞报警系统 对行人及其它道路使用者的防护 车辆（轿车）前后保护装置 车辆的后下部防护装置 货车、挂车和半挂车的侧面防护 车辆的前下部防护装置 被动安全 车辆倾翻防护（2 项） 座椅、安全带和头枕（6 项） R66 大型客车上部结构 R14 车辆安全带固定点 R111 N 类和 O 类罐式车辆的抗倾翻稳定 R16 机 动车 成年 乘 客 用安全 带 和 约束 性 系统 R17 车辆座椅、座椅固定点和头枕 R25 与车辆座椅一体或非一体的头枕 R44 机动车儿童乘员用约束系统 R80 大型客车座椅和固定点 门锁和车门保持件（1 项） R11 车辆门锁和车门保持件 内外凸出物（3 项） R21 车辆（轿车）内饰件 R26 车辆外部凸出物 R61 商用车辆驾驶室后围板之前的外部 凸出物
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碰撞分析理论
汽车碰撞是一个非常复杂且不断寻求平衡的领域，是一个复杂的瞬时物理过程， 它包含成百上千个零件的复杂变形和相互作用，汽车碰撞过程中车身变形和乘员的动 力学响应均表现为非线性特性，其中包括以大变形、大应变为特征的几何非线性，以 弹塑性变形为特征的材料非线性，以不同零部件表面接触摩擦作用为特征的边界非线 性。 从汽车正面碰撞来看，基本的设计原则有两点：一是保持驾驶室的完整性；二是 尽可能减少受安全约束系统保护的乘员在给定的撞击条件下和驾驶室的空间限制范围 内的碰撞。第一个条件限制了车辆可能允许的最大正面变形，第二个条件要求采用最 大可能的车体前部变形和能量吸收，以便减少车内乘员的损伤。
塑性理论：
n &ε &0 )] σ = a + bε p ⋅ [1 + c ln(ε
[
]
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碰撞分析理论
常用塑性简化： 有限元计算方法：
显式有限元法
Mu && + K (u)u = f ext (u)
中心差分法
u & n +1 / 2
理想弹塑性线性强化模型
Eε σ = ' σ s + E (ε − ε s ) 当ε ≤ ε s 当ε > ε s
“百分位” 定义：是指人体身高分布值的百分位，即对于身高的某一百分位分布值，则表示 身高小于此值的人数所占的百分率，并将此身高分布值定义为对应于这一百分位的人体标准身 高。常用的有5%、50%和95%三种百分位的人体尺寸，分别代表矮小身材、平均身材和高大身 材。 Hybrid III－由美国通用汽车公司开发。
IIHS
ECE R42
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欧美低速正面碰撞要求比较
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低速正面碰撞设计思想
IIHS柱撞时，约有90％的能量被 保险杠吸收，完全刚性墙撞击时， 约有85％的能量被保险杠吸收； ECE R42 摆锤撞击时，约有45 ％～ 55％的能量被保险杠吸收， 能量剩余部分靠车体运动，悬架 跳动等来吸收；
设计时对车辆保险杠要求很 高，除满足此法规外，另外还有行 人保护法规等要求。
车辆概念性设计（规划、竞争车型评估等） 车体前舱结构布置（参考同级车型耐撞性 能，充分考虑变形空间） 车辆加速度、位移等碰撞波形分析 车体框梁结构吸能、传力特性设计（纵梁、 （副）车架等） 乘员空间变形分析 安全系统总体优化分析 为零部件厂商提供设计参数及容差 产品可靠性验证
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车身框梁结构的碰撞分析
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偏置正面碰撞内容
ECE R94、Euroncap（前部碰撞）、 IIHS （前部碰撞）等偏置碰撞法规，所 用偏置障碍物是一样的，速度不同。 对于碰撞的模拟来说，障碍物特性很 重要。
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偏置正面碰撞法规比较
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低速正面碰撞内容
IIHS刚性墙和刚性前柱，车体速度8km/h，车 动； ECE R42 碰撞器，速度4km/h，碰撞器与车体空 载质量相等； SAE PART 581 碰撞器，速度4km/h，碰撞器与 车体空载质量相等； 相应的，车体后部结构也需要做低速碰撞的试验 验证。
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碰撞用到的假人家族
上述为试验假人，FEM假人主要以试验假人为基础建模。
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假人颈部伤害状态图例
Neck Motions Neck Injury
Compression-flexion Injury
Tension-extension Injury
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车外行人保护内容
欧洲EC指令2005年强制。 ECE法规以1998协议在全球法规框架下讨论行人碰撞安全性要 求的立法，估计2006年能够通过，中国、美国是全球法规的签约 国， 一旦颁布美国肯定实施。 目前只在Euro ncap新车评定程序中有此项要求，但非强制，有 很大市场影响。
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乘员空间总布置
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内饰件保护头锤试验
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乘员空间分析
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车体前挡板侵入量分析
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碰撞波形分析及控制
矩形波吸能特性最好，但不利于乘员响应。 优良的波形分三个明显的区域： 0～20ms：峰值出现在10ms左右，峰 值15～20g，便于气囊传感器触发，也有 利于及早消除乘员与安全带之间的间隙； 气囊展开过程（>30ms），加速度值 6～8g，保证气囊完全展开，乘员以较小 的相对速度与气囊接触； 加速度逐步上升（>50ms），保证最 大变形量和碰撞速度降落为零的时间，控 制较小的回弹速度。
un +1 − un = ∆t
u & n +1 / 2 − u & n −1 / 2 u &&n = ∆t
u &&n = un +1 − 2un + un −1 ( ∆t ) 2
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车辆耐撞性能设计流程
• • • 以系统工程的方式开发碰撞安全性能 从概念设计阶段开始，将安全系统设计融入开发流程的每一个环节 充分发挥CAE分析的作用
序
言
通常情况下，对于被动安全性分为两个方面，车内乘员安全和车外行人保护。 作为被动安全性研究的主要内容就是如何合理的进行车身结构安全性设计和乘员 约束系统设计，利用车身结构件的变形吸收能量以减少对乘员的冲击，同时利用乘员 约束系统给予乘员最大限度的保护。 对于减轻车内乘员和车厢部件发生二次冲击可能造成的“二次伤害”，同样也需 要利用乘员约束系统。 对于车外行人，通常采用车身结构安全性设计和车身外表安全装置，在发生碰撞 时减少对行人的伤害。 我们所作的分析主要是针对被动安全进行的。目前的能力还仅限于按照相关法规、 参考相关分析过程进行车身结构的分析验证。
R12 R22 R29 R32 R33 R94 R95 R97 R42 R58 R73 R93
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车辆正面碰撞内容
GB11551-03 Frontal rigidwall Full overlap Velocity = 50km/h
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车辆正面碰撞内容
法规主要制定的是试验要求。 碰撞又分高速碰撞和低速碰撞，高速 碰撞研究车内乘员在发生碰撞时受损伤程 度，低速碰撞则研究车体在发生轻度撞击 时，车体尽量避免发生损坏。 正面碰撞又包括完全正面碰撞和偏置 碰撞，完全正面碰撞偏重于乘员伤害评 价， 偏置碰撞偏重于对车体结构的评价。 这些都有相关法规要求。计算机仿真 是尽量按照法规要求再现碰撞过程。
车辆正面碰撞性能分析讲义
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主要内容
概述 国内外被动安全法规简介 车辆正面碰撞内容（低速、高速、行人保护、偏置碰撞、假人要求等） 碰撞分析理论基础 车辆耐撞性能设计流程 正面碰撞模拟分析流程 考虑车辆被动安全性能的技术应用 总结 未来碰撞安全技术需关注的领域
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序
言
现代汽车技术发展的主要方向为安全、环保和节能。 和人们生命有着最直接关系的就是汽车安全。 对于汽车安全性的研究，通常可分为主动安全性和被动安全性两大类。 主动安全性 —— 是指在交通事故发生之前采取安全性措施，尽可能的避免 交通事故的发生。如：车轮防抱死制动系统、牵引力控制系统、主动悬架、四轮 转向、四轮驱动、车距雷达报警系统以及汽车全球定位导航系统等。 被动安全性 —— 是指在事故发生的时候，利用对车辆结构的设计以及被动 安全性装置，尽可能的减少驾驶员和车上乘员以及车外行人受到伤害的程度。如： 安全气囊、安全带、可压溃式转向柱等。