汽车侧面碰撞过程的仿真

汽车侧面碰撞过程的仿真作者：史广奎朱西产冯琦程勇陈晓东游国忠摘要：结合国内首次汽车侧面碰撞试验，建立了包括移动壁障、假人和轿车在内的汽车侧面碰撞模型。

通过仿真准确地再现出复杂的实车侧面碰撞过程。

关键词：侧面碰撞模型仿真1 前言大量的交通事故是汽车发生侧面碰撞。

以2000 年我国发生的交通事故为例，正面碰撞事故占20.8%，而侧面碰撞事故占34.4%[1]。

从伤亡情况看，正面碰撞造成的伤亡人数占26.9%，而侧面碰撞占32.3%。

可见研究汽车侧面碰撞对改善交通安全至关重要。

欧美从20 世纪80 年代初就开始重视对汽车侧面碰撞的研究。

美国于1990 年颁布并执行了汽车侧面碰撞保护法规FMVSS214；欧洲在1995 年也制定了相应的法规ECER95，并于1998 年强制执行。

我国目前还没有颁布汽车侧面碰撞的强制性法规。

2002 年5 月30 日，在国内完成了第一辆轿车的侧面碰撞试验。

单靠试验来解决汽车侧面碰撞问题是不现实的，迫切需要将计算机仿真技术与汽车侧面碰撞试验结合起来。

这样，可以利用仿真数据全、针对性强的特点对试验结果进行剖析，也可利用周期短、成本低的优势对产品改进方案进行评估。

2 试验方案用移动壁障模拟撞击车，它由台车和吸能块组成，总质量为956 kg，质心距地503 mm。

吸能块采用ECER95 规定的标准吸能块，其前端面分成6 个区域，处于下部的1、2、3 区比上部的4、5、6 区向前突出60 mm，旨在模拟保险杠（图1）。

被撞车为一辆国产轿车，横置在移动壁障的跑道上。

驾驶员为EuroSID-I型标准假人，其H 点处在跑道中心线正上方。

牵引绞盘通过钢丝绳带动移动壁障以50±1 km/h 的速度行驶，在距轿车2 m 处钢丝绳和移动壁障突然脱开，让移动壁障和轿车左侧面发生碰撞。

用高速摄像、电测量和光测量三种方式同时采集汽车、假人和移动壁障各部位的加速度和变形量。

图1 吸能块的尺寸(mm)3 汽车侧面碰撞模型3.1 移动壁障建立的移动壁障模型有6661 个单元，7837 个节点。

吸能块主体采用体单元和蜂窝铝材料，内部的衬板采用板单元和分段线形塑性材料，台车部分为刚体。

保证吸能块的变形特性和耗散能量特性是移动壁障建模的技术关键，需要对吸能块的单元特性反复进行调整，通过仿真验证确定最终的模型。

验证方法是令移动壁障在光滑路面上以35 km／h 的速度与刚性测力墙碰撞，要求吸能块的最大变形量为（330±20）mm，耗散能—变形曲线、整体和1～6 区的力—变形曲线应在一定的界限范围内[2]。

验证结果如图2 所示，各项指标都满足了上述要求。

图2 吸能块的变形特性3.2 假人假人模型是在VPG（虚拟试验场）/Safety 模块中提供的EuroSID-I 假人样本模型的基础上建立的。

原模型头部、颈部、胸部和左右腿的质量低于标准假人[2] [3]。

补足质量后，对头部、肩部、胸部、腹部和骨盆的响应特性进行了仿真标定。

头部：对称面与水平面成35o，下方200 mm 处设一刚性墙。

对头部所有节点施以重力加速度，使之与刚性墙碰撞，要求头部质心的合成加速度的峰值在100～150 g 之间[2]。

标定结果为131 g。

肩部：假人坐在刚性平面上，胸部竖直，上臂向前与竖直方向成40°，两腿水平伸直。

做一直径为152 mm、质量为23.5 kg 的柱形摆锤模型。

摆锤以4.3 m/s 的速度撞击肩轴，要求摆锤的加速度峰值在7.5～10.5 g 之间。

标定结果为10.1 g。

胸部：将肋骨组件固定在刚性支架上。

做一直径为150 mm，质量为7.8 kg 的柱形落锤模型。

落锤以1.0、2.0、3.0、4.0 m/s 的速度撞击肋骨侧面，要求肋骨的位移分别在10～14、23.5～27.5、36～40、46～51 mm 之间。

标定结果为：12.0、25.1、39.2、49.5 mm。

腹部：假人坐在刚性平面上，胸部竖直，上臂和两腿向前水平伸直。

做一质量为23.5 kg 的冲击锤模型(冲击面为150mm×70 mm 的矩形)。

冲击锤以6.3 m/s 的速度撞击腹侧，要求冲击锤受力峰值在9.5～11.1kN 之间，且发生在撞击后9.8～11.4 ms；腹部合力的峰值在5.9～7.9 kN 之间。

标定结果：冲击锤受力峰值为10.2 kN，发生在10 ms；腹部合力的峰值为6.1 kN。

骨盆：假人坐姿与腹部标定时相同。

用直径为152 mm，质量为23.5 kg 的柱形摆锤以4.3 m/s 的速度撞击H点，要求摆锤受力峰值在4.4～5.4 kN 之间，且发生在撞击后10.3～15.5 ms；耻骨合力峰值在1.04～1.64 kN 之间，且发生在9.9～15.9 ms。

标定结果：摆锤受力峰值为4.8 kN，发生在14 ms；耻骨合力峰值为1.48 kN，发生在12 ms。

3.3 汽车汽车结构复杂，综合考虑计算时间和计算精度，对整车各部位采用了疏密程度不同的单元：位于车身左侧、前围最前点和C 柱下部之间的区域为主变形区，单元边长为10～20 mm，主要部件包括左侧的车门、门柱、门槛、门横梁、地板、座椅、顶盖、顶盖横梁、仪表板、前轮罩等；与主变形区对称的右侧区域为次变形区，单元边长为20～40 mm；对于前后非撞击区，单元边长大多在50 mm 以上。

四边形单元的最大边长与最小边长之比不超过4:1，三角形单元不超过2:1；四边形单元各内角在45o～120o范围内，三角形单元的最小内角不小于25o；四边形单元的翘曲度在10°以下。

图3 为整车模型，共有173529 个单元，173651 个节点，5200 个焊点。

其中，车身骨架、车门、座椅骨架、副车架、发动机罩、行李仓盖采用可变形的板单元，悬架和轮胎利用VPG 模型库中提供的模型进行参数定义，动力总成简化为刚体，其余对侧面碰撞影响不大的部件由质量点代替。

模型总质量为1050 kg, 质心距地581 mm，距前轴1026 mm，与实车情况一致。

图3 整车模型图4 为左侧前后车门模型。

左侧车门是侧面碰撞模型中的关键部件，单元边长大多在15 mm 以下，局部最小单元边长为6 mm。

焊点位置参照了实际车门焊接位置布置。

左前门有14797 个单元，14957个节点和495 个焊点。

左后门有11910 个单元，11213个节点和390 个焊点。

顾及到门铰合页为锻件，其刚度远高于与之连接的车门和门柱的局部刚度，使用了刚性的板单元来代替实体单元，铰链销采用柱铰单元；对门锁的锁止作用采用弹簧单元来模拟，为了模拟到门锁可能发生的脱离现象，定义了弹簧单元失效时的各方向变形量。

图4 左侧前后车门模型4 仿真与试验结果比较按以下步骤完成仿真：读入模型→选择碰撞法规→定义移动壁障位置和速度→定义假人位置、坐姿和安全带的约束→建立碰撞中的接触→定义控制卡片→定义仿真结果输出→提交分析任务。

车门变形量的仿真结果与试验数据的比较见表1。

计算和测量的部位同为图4 标出的车门外板位置。

从表1 可以看出仿真结果准确再现出如下信息：车门最大变形（直接关系到对人体的伤害程度）发生在前门的第3 点，与试验结果一致；计算的最大变形量为342 mm，仅与试验结果相差23 mm（约6%）；车门的变形轮廓为前门第15～17 部位和后门第21～24 部位发生翘曲，其它部位侵入乘员室内，这也与试验情况相符；仿真的平均误差（以32 点总变形量的误差计）为18.8%。

误差主要在后门的下部，在所测的32点中以第6 点的偏差为最大，与试验结果差了93 mm（约41%）。

加速度响应的的仿真结果与试验曲线的比较见图5。

计算和测量的加速度同为汽车驾驶员座椅支座的侧向加速度、移动壁障质心的纵向加速度和假人头部的合成加速度。

从图5 可以看出：座椅支座加速度在21、29、43 ms 处的三个主要峰值均仿真出来，这三个峰值的仿真误差分别为5% 、11%和23%；移动壁障加速度峰值的试验结果是-15.5 g, 发生在碰撞后42 ms，仿真结果也是-15.5 g，发生在44 ms；假人头部加速度峰值的试验结果是80 g，发生在碰撞后60 ms，仿真结果是74 g, 也发生在60 ms。

在加速度的仿真结果中，以移动壁障的仿真精度为最高，原因是其结构相对简单，并预先进行了性能验证；假人的仿真精度低于汽车的仿真精度，原因在于假人的响应主要来自更为复杂的车内二次碰撞，其误差是车身响应误差和假人模型自身误差的积累。

图5 加速度响应的比较5 前门改进意见该轿车的试验结果中，各项安全指标都达到了ECER95 的要求。

但测得的假人耻骨合力的最大值为5.5 kN，已接近ECER95 所允许的上限（6 kN）。

究其原因，发现前门最大变形部位正处于假人H 点附近，对人体盆骨构成了较大的伤害威胁。

通过仿真，对前门的改进提出了如下见解：防撞杆的板厚由2.5 mm 改为3 mm；窗台加强板的板厚由1.2 mm 改为1.5 mm；门槛加强梁的板厚由0.6 mm 改为1 mm。

改进前、后假人耻骨合力的仿真结果及原车试验曲线一同绘入图6。

仿真结果表明，改进后假人耻骨合力可降低17%。

图6 假人耻骨合力6 结论建立了包括移动壁障、假人和轿车在内的汽车侧面碰撞模型。

仿真和试验结果对比表明，该模型能够准确地再现实车侧面碰撞过程，可用于对试验结果进行剖析和对产品改进方案进行评估。

参考文献1 中华人民共和国道路交通事故统计资料汇编（2000）.公安部交通管理局，20002 ECE Regulation No.95. Uniform Provisions the Concerning the Approval of Vehicles with Regard to the Protection of the Occupants in the Event of a Lateral Collision. July 6,19953 Engineering Technology Associates, Inc. VPG/safety application manual, October 15，2001(end)。