（光学工程专业论文）轿车侧面柱碰撞的耐撞性优化设计研究.pdf

j售，1j a s t u d yo no p t i m a ld e s i g no fc r a s h w o r t h i n e s s o fc a rs i d es t r u e t u r ei ns i d ep o l ei m p a c t b y l iy i d e b e ( h u n a ni n s t i t u eo fe n g i n e e r i n g ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n gj i k u a n g j a n ，2 0 1 l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：启墨么 日期圳年f 月，妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名窍张 日期：z 口，年f 月邝日 刷磴名彳易? 豸趸钼飙加引刖鲴 轿车侧面柱碰捧的耐撞件优化设计研究 摘要 汽车侧面碰撞包括车对车和车对障碍物两种碰撞形式，它是造成乘员重伤和 死亡的主要交通事故形态。在车辆交通事故中，车辆与柱状物的侧面碰撞作为一 种特殊的侧面碰撞形式，往往能导致乘员的严重伤害，因此有必要对侧面柱碰撞 进行研究。要提高轿车在侧面柱碰撞中的耐撞性能，车身侧围作为重要的侧面结 构，是承受侧面碰撞力的主要部件。其侵入量、侵入速度和变形模式对乘员的损 伤有着直接的关系。因此理想的车辆侧围匹配，在一定程度上能够有效地降低侧 面柱碰撞中乘员的损伤。 针对车辆侧面柱碰撞，本文采用了代理模型理论与之相应的优化方法，结合 现有的碰撞仿真分析软件，提出了针对汽车碰撞安全性的优化方法和优化流程。 通过控制车体的加速度和b 柱在乘员正常坐姿胸部同高度处的腰线位置侵入量， 以达到在侧面柱碰撞中对乘员胸部保护的侧面结构安全性设计的目标值。 本文首先基于碰撞仿真基本理论和人体损伤机理分析了实际碰撞中车辆动力 学响应和乘员响应特性。然后按照欧洲侧面柱碰撞法规，构建了车辆侧面柱碰撞 仿真模型并进行有效性验证，同时对其侧面柱碰撞结构安全性能进行了简要的评 价。在此基础上进行了结构改进，对改进前后的整车动态响应、系统能量响应、 侧围结构变形特性和侵入量等方面进行了深入的对比分析，进一步揭示侧面柱碰 撞的碰撞特性。 在改进的车型基础上，采用正交试验设计方法和综合平衡法，以车体加速度 峰值和b 柱最大侵入量为评价指标，以车身侧围部件的材料为设计变量，使用灵 敏度分析评估各部件材料对目标值的显著度，利用综合平衡分析进行了最优方案 的选择。接着在拉丁超立方实验设计基础上构建了整车k r i g i n g 近似模型，最后 利用多目标遗传算法对部件的厚度参数进行了刚度的优化匹配。 研究结果表明：针对成熟的车身结构，欲提高其侧面柱碰撞结构安全性能， 最有效的方法是在保证不影响其部件原有功能的情况下合理进行相关匹配；利用 近似模型代替有限元模型进行柱碰撞车身耐撞性分析和优化是可行有效的，同时 提高了计算效率和降低了生产成本；通过对侧围各组成部件的材料匹配和厚度优 化可以控制加速度和减小侵入量，有效提高车辆侧面柱碰撞的耐撞性能和降低假 人的损伤。本文的研究方法和结果为提高车辆的侧面柱碰撞安全性能提供了一定的实 用思路和参考价值。 关键词：侧面柱碰撞；k r i g i n g 模型；刚度强度匹配；耐撞性；多目标优化 i i 硕上学位论文 a b s t r a c t t h ev e h i c l es i d ei m p a c tc o l l i s i o ni so n eo ft h em o s tc o m m o nt y p e si n f a t a l c r a s h e s i ti n c l u d e sc a r t o c a rs i d ei m p a c ta n dc a r t o - n a r r o wo b j e c tc o l l i s i o n i nr e a l t r a f f i ca c c i d e n t s ，s i d ei m p a c to fp a s s e n g e rc a r sw i t hf i x e dp o l e ，a sas p e c i a lt y p eo f s i d ei m p a c t ，m a yr e s u l ti ns e v e r ei n ju r i e st ot h eo c c u p a n t s ，s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d y t h ec o l l i s i o no fp o l es i d ei m p a c t i n o r d e rt oi m p r o v et h es i d ep o l ei m p a c t c r a s h w o r t h i n e s s ，t h ec a rs i d es t r u c t u r e ，a sa ni m p o r t a n ta s s e m b l yo fp a s s e n g e r c a rs i d e c o n f i g u r a t i o n i st h em a i nc o m p o n e n tt ow i t h s t a n dt h ei m p a c tf o r c ei ns i d ec o l l i s i o n i t si n t r u s i o n ，i n t r u s i o nv e l o c i t ya n dd e f o r m a t i o nm o d ea r em a i nc a u s a t i o n s o f o c c u p a n t si n ju r i e s s ot h ei d e a lm a t c ho fs i d ec o m p o n e n t si nt h ec a rc a ne f f e c t i v e l y r e d u c e dt h ei n j u r yr i s ko fo c c u p a n t si ns i d ep o l ei m p a c t b a s e do nt h es i d ep o l ei m p a c t ，t h es t u d ya d o p t st h es u r r o g a t em o d e lt h e o r y ，t h e r e l e v a n to p t i m i z a t i o nm e t h o da n dt h ec r a s hs i m u l a t i o ns o f t w a r et ob r i n go u t t h e o p t i m i z a t i o nm e t h o da n dp r o c e s sf o ra u t o m o t i v ec a r s hs a f e t y a tt h es a m et i m e ，t h e p r o t e c t i o no fo c c u p a n t sc h e s ti se n h a n c e db yc o n t r o l l i n gt h ec a ra c c e r l a r a t i o na n d b p i l l a ri n t r u s i o ni nt h el e v e lo ft h ec h e s tr e g i o no fo c c u p a n t sn o r m a l l ys e a t e di nt h e v e h i c l ei ns i d ep o l ei m p a c t f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e dt h e t h ev e h i c l ed y n a m i cr e s p o n s e a n do c c u p a n t r e s p o n s ec h a r a c t e r si na c t u a li m p a c tb a s e do nt h et h e o r yo fc a rc o l l i s i o ns i m u l a t i o n a n dh u m a ni n j u r ym e c h a n i s m a c c o r d i n gt ot h el a t e s te u r o n c a pr e g u l a t i o n s ，af i n i t e e l e m e n tm o d e lo fp o l es i d ei m p a c tw a sd e v e l o p e da n dv a l i d a t e d ，a n dt h e n a n a s s e s s m e n tw a sb r i e f l ym a d eo ni t ss a f e t yp e r f o r m a n c e a f t e rt h ec a r ss i d es t r u c t u r e h a sb e e ni m p r o v e db yu s i n gt h e o r e t i c a lm e c h a n i cm e t h o d ，ac o m p a r a t i v ea n a l y s i sw a s c a r r i e do u tb e t w e e nt h ef o r m e ra n dl a t t e rm o d e li n t e r m s o ft h es i d es t r u c t u r e d e f o r m a t i o n ，a c c e l e r a t i o nr e s p o n s ea n ds y s t e m e n e r g yr e s p o n s eo ft h ec a rb o d y ，a n d f u r t h e rr e v e a l e dt h ep o l es i d ec o l l i s i o nc h a r a c t e r i s t i c s f u r t h e r m o r e t h em a t e r i a lo fs i d ec o m p o n e n t sw a s d e f i n e da sd e s ig nv a r i a b l ea n d t h ev e h i c l el a t e r a la c c e r l a r a t i o na n db - p i l l a rm a x i m u mi n t r u s i o n a st h et w om a i n t a r g e t sf o re v a l u a t i o n b a s e do nt h es t r u c t u r e - i m p r o v e dm o d e l ，t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i s b e t w e e e nt h ed e s i g nv a r i a b l e sa n dt a r g e t sw a sa s s e s s e dw i t ht h eh e l po fo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g na n dc o m p r e h e n s i v ee q u i l i b r i u mm e t h o d s t h e n t h eo p t i m a lm a t c h o fm a t e r i a lw a ss e l e c t e da n di no r d e rt oo p t i m i z et h et h i c k n e s so fs i d es t r u c t u r e ，t h e i i i k r i g i n gs u r r o g a t e m o d e lw a se s t a b l i s h e db yu s i n gl a t i n h y p e r c u b ed e s i g n m e t h o d o l o g yt op r o v i d et h ek r i g i n ga p p r o x i m a t i o nw i t he x p e r i m e n t a ls a m p l e s a t l a s t ， t h ek r i g i n gf u n c t i o n sw e r eo p t i m i z e db ym u l t i o b je c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) t o g e tt h ef i n a lo p t i m a lr e s u l t s t h er e s u l t so ft h er e s e a r c hs h o wt h a tt h em o s te f f e c t i v em e a s u r e st oi m p r o v et h e c r a s h w o r t h i n e s so f m a t u r eb o d ys t r u c t u r ei st h er e a s o n a b l em a t c h i n go fs t i f f n e s sa n d s t r e n g t hw h i c hd o e s n ta f f e c tt h eo r i g i n a lf u n c t i o no fp a r t s ；a p p l y i n g t h ea p p r o x i m a t e m o d e lt ot h ec r a s h w o r t h i n e s so p t i m i z a t i o n o fv e h i c l ei np o l e s i d e i m p a c t c o n f i g u r a t i o n i sf e a s i b l ea n de f f i c i e n t ，s i m u l t a n e o u s l yi n c r e a s i n gc o m p u t i n g e f f i c i e n c va n ds a v i n gt h ep r o d u c t i o nc o s t ；t h em a t e r i a lm a t c h i n ga n dt h i c k n e s s o p t i m i z i n go fs i d ec o m p o n e n t sc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ev e h i c l ea c c e r l a r a t i o na n d d e c r e a s es i d ei n t r u s i o n ，i m p r o v i n gt h ec a r sc r a s h w o r t h i n e s sa n dr e d u c i n go c c u p a n t i n j u r vr i s k t h em e t h o da n dt h er e s u l t so f t h es t u d yp r o v i d eas i g n i f i c a n tr e f e r e n c et o i m p r o v et h ev e h i c l es a f e t ya n dr e d u c et h eo c c u p a n ti n ju r y r i s ki np o l es i d ei m p a c t k e yw o r d s ：s i d ep o l ei m p a c t ；k r i g i n gm o d e l ；m a t c ho f s t i f f n e s sa n ds t r e n g t h ； c r a s h w o r t h i n e s s ；m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n i v 硕l 二学位论文 目录 学位论文原创性声明i 摘要i i a b s t r a c t 。i i i 第1 章 绪论1 1 1 汽车侧面碰撞研究的背景和意义1 1 2 侧面碰撞安全技术的国内外发展现状3 1 3 汽车侧面碰撞研究方法。4 1 4 汽车侧面碰撞相关试验法规6 1 5 本课题的研究背景和内容。一l l 第2 章汽车侧面柱碰撞仿真理论和力学分析1 3 2 1 侧面柱碰撞非线性有限元理论1 3 2 2 侧面柱碰撞中力学分析17 2 3 侧面柱碰撞中车身刚度特性分析2 0 2 4 本章小结2 3 第3 章汽车侧面柱碰撞安全性仿真分析和改进2 4 3 1 引言2 4 3 2 整车有限元模型的建立2 4 3 3 侧面柱碰撞有限元模型的建立和验证一2 5 3 4 侧面柱碰撞结构安全性仿真分析与改进一3 0 3 5 本章小结3 6 第4 章基于综合平衡法的侧围材料匹配设计3 7 4 1 引言3 7 4 2 提高侧面柱碰撞结构耐撞性的方法一3 7 4 3 试验设计和优化设计方法一4 0 4 4 侧面柱碰撞的材料匹配问题4 l 4 5 灵敏度分析和优方案选取4 3 4 6 本章小结4 7 第5 章基于多目标遗传算法的侧围厚度优化_ 4 8 5 1 引言o 4 8 5 2 刚度和强度与影响因素间的关系4 8 5 3 试验设计和优化设计方法4 9 v 轿车侧面住碰撞的耐搏性优化设计研究 5 4 多目标优化问题的定义5 2 5 5 多目标优化过程5 4 5 6 优化结果及验证5 8 5 7 本章小结6 l 总结和展望6 3 参考文献6 5 致谢6 8 附录a 攻读学位期间发表的学术论文目录6 9 v i 硕j j 学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车侧面碰撞研究的背景和意义 众所周知，车辆交通事故已经成为现代生活中威胁、残害人类生命的一大公害。 自2 0 0 2 年之后，中国汽车行业开始进入爆发式增长阶段，特别是随着私人消费的 兴起，轿车需求量开始迅速攀升，并成为推动中国汽车发展的一股重要力量。与此 同时，中国在全球汽车产业中的地位也逐渐上升。2 0 0 9 年中国汽车产销量分别达 到了创记录的1 3 7 9 1 万辆和1 3 6 4 4 8 万辆，同比增长4 8 3 和4 6 1 5 ，已位居世 界第一位。如此高的发展速度让中国汽车保有量持续上升，汽车工业的不断壮大在 给中国人民带来生活便捷的同时也导致了大量道路交通事故的频繁发生。近年来， 我国道路交通事故死亡人数居高不下，连续数年居于世界第一位。根据我国道路 交通事故统计数据，在2 0 0 1 - - 2 0 0 7 年我国发生的所有交通事故中，前两大事故形 态的数据统计如表1 1 所示。可以看出，近年来我国的侧面碰撞事故虽然在乘员 死亡率上仅次子正面碰撞，但却是发生频率最高和受伤人数比例最多的事故形态， 远远高于正面碰撞事故形态。 表1 12 0 0 1 - 2 0 0 7 年中国不同事故形态统计数据 汽车碰撞通常分为正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞，还有翻滚和撞行人的情况 轿车侧面柱碰掩的耐掩惟优化设计研究 等。在交通事故中，发生不同形式碰撞的比例和人员死亡率是不同的。从图1 1 和 图1 2 可见心1 ，正面碰撞事故占总数的6 7 ，但由于设计上对此已采取了很多成功的 措施，所以导致人员死亡数只占碰撞事故死亡总人数的3 l 。侧面碰撞事故占总数 的2 8 ，但由于侧撞中对乘员的保护更困难，因此人员死亡率较高( 占事故死亡总 人数的3 4 ) 。同时，汽车侧面碰撞又可分为直接碰撞和间接碰撞两种形式，直 接碰撞是指车与车之间的碰撞，而间接碰撞是指由于车辆的跑偏、滑移等引起的 与障碍物的碰撞，如树桩、柱子等。另据相关调查表明1 ，在各种汽车碰撞事故 形式中，汽车侧面碰撞事故造成死亡和重伤的事故约占2 5 ，其中4 3 5 5 是在 车与车之间的碰撞事故中造成的，另外l2 16 是由车体侧面撞击柱状物而造 成的。在德国有半数以上的侧面碰撞对象是树干或电线杆等柱状物体，在2 0 0 2 年 车祸中死亡的3 2 3 3 5 人中有2 3 是死于侧面碰撞的，他们当中的6 0 是死于碰撞时 车辆侧面碰到狭窄物体或者是其它轻型小货车的碰撞事故中n 3 。 2 3 _ 图1 1 不同碰撞形式发生的比例 求 、一 恃 u 踩 正面碰撞侧面碰撞翻滚后面碰撞 碰撞形式 图1 2 不同碰撞形式的人员死亡率 对轿车而言，轿车侧面是车体中强度较薄弱的部位啼1 。由于乘员与车门内板 之间只有2 0 - 3 0 厘米的距离，一旦受到侧面撞击，轿车侧面结构缺少像其前后部 那样足够的空间发生结构变形及吸收能量，乘员受到强烈贯入的冲击载荷，损伤 部位涉及头部、胸部、腹部、骨盆及上下肢，损伤级别一般在a i s 3 + 及以上，严 重时危及生命，人体各部位的损伤概率如图1 3 所示阳1 。另外，在斜坡上或转弯时 车辆发生的侧面碰撞，还有可能引起被撞车辆的翻滚，导致车门框架的变形使车 门不能正常开启，影响了乘员离开危险地带及对其救援的最快时间。 口车对车 车对接窄物体 头巧面 颈都 胸部腹部居盆 下肢 图1 3 侧面碰撞人体部位损伤a is 3 + 2 辐弱圬5 o 雠 咏 嘣 帐 懈 傩 帐 6 5 4 3 2 l 硕 ：学位论文 综上所述，在所有的汽车侧面碰撞交通事故中，除了人为因素外，车辆本身 结构的碰撞安全性达不到要求是一个重要原因。因此，针对汽车侧面碰撞安全性 的研究已经成为了汽车被动安全性研究中一项重要内容，提高汽车侧面碰撞安全 性对提高乘员的安全防护和改善道路交通安全有着十分重要的意义。 1 2 侧面碰撞安全技术的国内外发展现状 在上个世纪末，欧洲、美国等汽车业发达国家已经将侧面碰撞的事故形 态列入安全法规体系中，但它们研究的主要还是车与车之间的碰撞，而对 车与柱的侧撞研究相对较少1 。根据美国高速公路管理局的报告，在2 0 0 3 年美国所有的交通事故中，车辆与固定目标( 如树桩，立杆等柱状物) 的碰撞 就占了19 ，其中4 4 的事故对生命构成了严重的威胁阳3 。我国在2 0 0 6 年7 月颁布并执行了汽车侧面碰撞的乘员防护法规，以减少交通事故中人 员的伤亡。但目前还没有关于侧面柱碰撞的法规，相关研究还处于起步阶 段。而在e u r o n c a p 现行的评分规则中，侧面柱碰撞作为可选项，满分有2 分。不过在2 0 0 9 年e u r o n c a p 实施的新评分规则中，侧面柱碰撞的分值已经 增加到8 分的比重旧1 。 目前，关于车辆侧面柱碰撞的安全性研究不是很多。朱海涛等人基于 力学理论，以乘员损伤和车身变形为指标，比较了侧面柱碰和一般侧碰的 差别。d o n g 等人则从车身部件的刚度和变形模式分析得出，门槛和b 柱下 端依次是影响柱碰撞耐撞性的关键部件。m a r k h 等人基于福特的实车平 台，从实验的角度上得出了车辆在柱碰撞中不同碰撞位置、不同柱面大小 等因素对吸能和速度的影响关系。 利用代理近似模型对车辆进行耐撞性优化已经被证明是可行并有效的。 其中m a r k l u n d p o 等23 对比了局部和全局近似方法后，以线性和二次响应 面的形式采用全局近似对b 柱进行了优化。文献3 1 利用移动最小二乘响应面 方法对整车正碰的轻量化进行了优化设计。文献43 成功地将多目标粒子群 优化方法应用到汽车结构优化研究中。文献n 朝在结合整车耐撞性和白车身 n v h 的多学科设计优化方法下，利用序列响应面优化了汽车前部的吸能部 件。 在侧面碰撞中，侧围结构的侵入量、侵入速度和侵入形态是直接影响乘 员安全的主要因素n 引。葛树文n 7 3 等人分析了车体结构材料的分配，并且通 过在侧围结构中使用高强度钢研究了不同级别高强钢以及高强度钢的分别 对侧面碰撞安全的影响。 本文根据拉丁方法得到的试验设计方案对某车进行e u r o n c a p 倾, 9 面刚 性柱碰撞有限元模拟，得到侧面侵入量和车体加速度，形成构建耐撞性评 轿乍侧面柱碰撞的耐撞忭优化设汁研究 价指标的样本点，然后采用k r i g i n g 方法拟合这些样本点，建立相应的代理 模型，在此基础上，以侧面乘员胸部位置最大侵入量和加速度峰值最小为 目标，约束b 柱内板最大侵入量上限值，对侧围部件的板厚进行优化，达到 提高车辆侧面柱碰撞耐撞性的目的。 1 3 汽车侧面碰撞研究方法 目前，国内外关于车辆碰撞安全技术的研究方法可系统地分为车辆碰撞 过程的理论研究以及碰撞试验研究，而这方面的工作又包含两个部分，一 部分是理论分析方法和试验研究方法本身的研究。另一部分是这些方法的 工程应用。在理论分析方法中，人们通过解剖碰撞过程，了解它的细节， 从而了解碰撞缓冲、吸能和对人体的损伤机理；另一方面，人们开展碰撞 试验技术的系统性研究，开发各种实车碰撞、台车碰撞和零部件碰撞试验 技术与装置，建立试验标准和规范。由于其直观性和真实性，碰撞实验不 仅在生产实际中有力地促进了车辆乘员碰撞保护技术的改进和提高，而且 还极大地丰富了碰撞理论，为推动碰撞安全保护技术的进步起到了重要作 用。 但需要指出的是，尽管碰撞试验能为车辆乘员保护设计提供强有力的帮 助，但由于它依赖于实物，并且要通过反复的试验一修改一再试验的迭代 过程，不仅周期长、费用高，而且由于试验手段和条件的限制，并不能解 决设计人员希望解决的全部问题，如真实的吸能分布等。因此，随着计算 机技术和计算方法的发展，与车辆乘员碰撞相关的计算机仿真技术得了广 泛的应用，并在车辆乘员保护设计与改进中显示出巨大的作用和潜力。通 过对汽车或乘员碰撞过程的建模和仿真，人们在计算机中能对乘员的运动 及响应进行分析和评估，从而发现问题，为下一步修改提供科学依据。可 以说，每一次碰撞仿真就相当于一次实车碰撞实验，而且计算机能记录下 来各种与碰撞有关的信息比试验采集的要多。更为重要的是，碰撞仿真不 需要依赖于实物或样品，因此在产品设计阶段就能对汽车整车和约束系统 的碰撞特性进行分析和评估，从而将汽车安全性的隐患消灭在萌芽状态。 这样不仅大大缩减汽车新产品的开发周期，同时又节约开发成本，提高产 品品质。随着车辆更新换代的不断加快，车辆乘员碰撞仿真技术已成为各 大汽车研究与开发机构特别关注和重视的高新技术。 1 3 1 实车碰撞试验法 实车碰撞试验主要用来对己开发出的成品车型进行按法规要求的试验， 以鉴定是否达到法规要求。在实车碰撞试验中有固定壁障碰撞试验、移动 4 壁障碰撞试验、翻车试验和车对车碰撞试验等方法。其中移动壁障碰撞试 验是移动壁障以一定的速度撞击静止的车辆的试验方法，广泛应用于车辆 的侧面碰撞安全性能的评价。 实车碰撞试验与事故情形最为接近，是综合评价车辆安全性能( 尤其在 法规检验时) 的最直接、最有效的方法。它是从乘员保护的观点出发，以交 通事故再现的方式来分析车辆碰撞前后的乘员与车辆运动状态及损伤状 况，并以此为依据改进车辆结构安全性设计，增设或改进车内外乘员保护 装置。其试验结果说服力最强，同时还可以为台车模拟碰撞试验和计算机 仿真提供试验条件和参考数据，以及有效性验证，但实车碰撞试验的准备 工作复杂、周期长、费用大、重复性差、对设备的要求很高。 1 3 2 台车碰撞试验法 台车碰撞试验是对实车碰撞试验的模拟，用一个比较坚固的台车代替汽 车，无需破坏真实汽车，在台车与刚性墙之间安装有缓冲装置，台车通过 缓冲装置与刚性墙发生碰撞，通过调整缓冲装置的力学特性使台车获得可 重复的、接近于实车碰撞的减速度波形。 台车碰撞模拟试验可以用于乘员保护装置的性能评价和零部件的耐惯 性力试验等，可以比较清晰地反映零部件在碰撞过程中的能量吸收、载荷 分布、结构抗撞和抗冲击变形等特性，可以模拟较大范围内的碰撞情形。 这种试验一般在新车型开发的早期进行，为产品开发过程的抗撞性设计提 供有益的数据和检验。缺点是试验中难以考虑汽车的侧围结构以及内饰件 等与乘员所受载荷之间的相互关系。 1 3 3 计算机仿真分析法 近几十年来，计算机仿真碰撞技术迅速发展，在安全性车身的开发、乘 员保护措施的优化、人体生物力学、碰撞用假人的开发等领域中发挥了重 大作用。尽管计算机模拟试验还不能完全取代昂贵的实车碰撞试验，但是 在产品的概念设计阶段、样车的试制、试验次数的减少、开发费用及周期 的降低等方面有明显的优势，而且可重复性强、结果信息全面。同时计算 机模拟研究的适用面广、精度高，可以处理很多异常复杂的结构变形等问 题，还可以设定模型的边界条件和其它特定条件等，因此显示出强大的生 命力。 随着牛顿矢量力学、拉格朗日分析力学、多刚( 柔) 体系统动力学、生 物力学、碰撞理论、材料理论、有限元理论、数值方法以及计算机技术水 平的不断提高，汽车碰撞计算机模拟理论和方法得到了不断发展和完善， 涌现出各种用于碰撞仿真分析的商用软件，如c a l 3 d 、m a d y m o 、 5 轿屯侧面柱碰搏的耐樟。陀优化设计研究 l s d y n a 、p a m - c r a s h 、m s c d y t r a n 等，其中采用多刚体系统动力学 理论建模的软件可以模拟碰撞事故中乘员与环境的相互作用，能很好地再 现事故过程，而采用显式有限元理论建模的软件可以用来描述车身结构的 抗撞性，处理很多异常复杂的结构大变形问题n8 1 。这些软件的模拟结果能 与实车碰撞结果大致吻合，尤其是对于车身结构的改进，可以使用这些软 件和算法在短时间内对多种方案做出比较，得到满意的改进方案。 其中值得一提的是，随着显式有限元方法的逐渐成熟，标志着汽车碰 撞安全性研究进入了试验和理论研究并重的阶段。本文将综合应用有限元 软件以及模拟分析软件进行仿真研究。 1 4 汽车侧面碰撞相关试验法规 为了减轻汽车碰撞事故对人类造成的危害，各汽车工业发达国家先后针对汽 车碰撞事故中常见的人体损伤和其它危害制定了相应的碰撞安全法规。在2 0 世纪 7 0 年代后期，美国、欧洲就开始从事侧面碰撞试验技术的研究。19 9 0 年1o 月，美国在联邦法规f m v s s214 车f - j 静强度试验方法中，追加了实车侧面碰 撞试验方法的要求。19 9 5 年10 月，欧洲将侧面碰撞乘员保护正式纳入e c e 法规中，颁布了e c e r 9 5 。日本在侧碰撞方面的研究起步相对较晚，从9 0 年代初开始，于l9 9 8 年正式纳入日本保安基准。中国于2 0 0 6 年7 月1 日开始 实施机动车侧碰乘员防护认证规定( c m v d r 2 9 5 ) 。需要说明的是，其 中最著名的法规是美国f m v s s 系列法规和欧洲e c e 碰撞安全法规，而中国 和日本的侧面碰撞法规则趋同于欧洲法规。 1 4 1 侧面碰撞试验法规 美国f m v s s214 和欧洲e c e r 9 5 虽然同是侧面碰撞法规，但它们差异很 大，主要表现在：移动变形壁障的质量、尺寸、形状及刚度特性都不同； 碰撞形态不同。如图1 4 所示，美国侧面碰撞法规中碰撞角为2 7 。( 即台车纵轴线 与台车运动方向之间的夹角) ，而欧洲法规的碰撞角为0 。( 即移动变形壁障台车纵 轴线与被试验车辆纵轴线垂直) ；测试假人不同；碰撞速度不同；碰撞位置 不同；乘员损伤评价指标不同。表1 2 y l j 出了美国与欧洲侧碰法规的试验方法及 评价指标情况。 6 碰 移动方 a ) 美国f m v s s 2 1 4 侧面碰撞形态 b ) 欧洲e c e r 9 5 侧面碰撞形态 图1 4 美国、欧洲法规侧面碰撞形态图 如图1 5 所示，在美国侧面碰撞法规试验中，可变形移动障碍壁( m o v i n g d e f o r m a b l eb a r r i e r - - m d b ) 由两个单元构成，一个为主体部分，另一个为前端保 险杠部分，由铝制蜂窝组成，形状尺寸如图1 5 a 所示心引。欧洲m d b 前端结构由 6 个铝制蜂窝单元组成，单元尺寸为5 0 0 m m x 2 5 0 m m ，每三个一列叠置成两排， 底端一排向前突出6 0 m m ，大小形状如图1 5 b 所示。每个单元都有独立的通过试 验验证的力一变形特性曲线，以此来模拟车辆前端的实际刚度n 钆2 引。 卜a i , - - a 1c 与a 546 j ! l b 量 1 5 023 c t i 。 l 5 0 05 0 05 0 q 一 0 0 r 。1 1。l 卜a, t - a 地面 - j 9 瑙纷 【塑j a ) 美国m d b 前端结构b ) 欧洲e c e r 9 5 n d b 前端结构 图1 5 美国、欧洲m d b 前端结构图 表1 2 美国与欧洲侧面碰撞法规的试验方法及评价指标值 法规号 f m v s s 2 1 4 ( 美国)e c e 9 5 ( 欧洲) 项目名称侧面碰撞乘员保护e c e 侧面碰撞乘员保护 移动变形壁障质量 1 3 6 5 k g9 5 0 k g 碰撞速度 5 3 6 k m h5 0 k m h 7 对于轴距5 2 8 9 5 6 m m 移动变形壁障的沿纵轴中 的车辆被移动变形壁障碰 垂面与车辆上通过碰撞侧面前 撞的一侧，从轴距中心向 座椅r 点的横断面的距离戍在 前9 3 9 8 m m 处引一垂直 2 5 m m 以内。在试验前，应确 碰撞基准线基准线；对于轴距大于 保在碰撞的瞬间，由前表面两 2 8 9 5 6 m m 车辆，在移动 侧垂直面所限定的水平中间面 变形壁障的那侧从轴线中 位于上、下两个距此表面为 心线向后5 0 8 m m 处引一 2 5 m m 的平面中间 基准线 e u r o s i d 一1 ( 欧洲侧面碰撞假 碰撞假人 s i d ( 美国侧面碰撞假人) 人1 头部伤害指标( h i c ) s 1 0 0 0 5 8 5 9 ( 四门车) 胸腔损伤指标 5 9 0 9 ( 两门车) 伤 胸部 胸部变形指数 5 4 2 m m 害 指 粘性指标茎1 0 m s 标 腹部载荷5 2 5 k n 加速度 5 1 3 0 9 骨盆 载荷5 6 k n 试验过程中车门不得打 被撞击一侧试验车门 开。碰撞试验后，不借助任何 不得打开。未被撞一侧车 其它性能要求工具可以将门打开。乘员不能 门处于不锁止状态，可以 甩离座位，试验后假人能够移 拉门把手而将门打开 出。燃油泄漏率5 3 0 9 m i n 从表1 2 可以看出，在评价指标方面，美国侧碰法规倾向于直接使用加速度， 而欧洲侧碰法规以假人被撞部位的挤压位移量和所受的载荷力作为评价指标心1 。 美国将侧面碰撞时最易于被撞的人体部位即胸部和骨盆作为伤害指标测量点，欧 洲的损伤指标测量点则包括头部、腹部及肋骨等要害部位心引。 1 4 2 侧面柱碰撞实验法规 随着汽车碰撞试验研究的不断深入，有必要进一步分析不同事故形态对 人体的伤害，因此侧面柱碰撞试验也随之出现。目前国际上现有的侧面柱碰 撞法规有：e u r o n c a p 33 ( p o l es i d ei m p a c t ) ，美国联邦法规f m v s s 2 0 1 和美 国联邦法规f m v s s 2 1 4 n p r m 心4 1 ( o b l i q u ep o l et e s t ) ，它们的不同之处主要在： 车辆的碰撞形态、碰撞柱的尺寸、试验中所用的假人、碰撞速度和角度、碰 撞基准点的位置、乘员伤害指标等，表1 3 为他们的基本的实验项目设置对比， 图1 6 和图1 7 分别为他们实验的碰撞形态。值得一提的是，在以往的 e u r o n c a p 测试中只有将侧面头部气囊作为标准配置的销售车型才能选择进 行侧面柱碰撞试验，而且是作为侧面碰撞的补充和加分项。在2 0 0 9 年2 月颁 布的新规中，侧面碰撞试验项目已经被列为强制性要求，分值由2 分提高到8 分，假人伤害指标方面则参照侧面碰撞，由以往只考查前排假人的头部增加 到包括头部( h i c ) 、胸部( 肋骨变形量) 、腹部( 腹部总受力) 、骨盆( 受力) 4 个部位全面考查。f m v s s 2 14 n p r m 中则直接将侧面柱碰撞试验法规作为强 制性要求，新车型于2 01 1 年9 月开始实施。 表1 3 侧面柱碰撞试验法规的对比 e u r on c a pf m v s s2 0 1 f m v s s 2 1 4n p r m ( o b l i q u ep o l ei m p a c t ) 碰撞速度 碰撞角度 碰撞柱的直径 使用的假人 2 9 k m h 9 0 0 士3 0 2 5 4 + 3 m m 一个e u r o 。s i d 系列 3 2 k m h 7 5 0 2 5 4 + 6 m m 两个e s 一2 r e 或s i dl i s f r g 图1 69 0 0 的碰撞形态图1 77 5 0 的碰撞形态 1 4 3 侧面零部件实验法规 在车辆被动安全性的试验研究中，由于整车碰撞的费用较高，所以在其部件 的要求可以被独立提出和评价时，对一些影响汽车安全的重要零部件进行零部件 试验，以此来分析整车被动安全性对其性能的要求。试验方法有动态撞击试验和 准静态试验两种。其中，侧门强度试验就是涉及到车辆侧面碰撞的零部件实验， 它在能一定程度上评价汽车在侧面碰撞时使乘员伤害最小，侧门所应具有的最低 强度。 除包含动态试验外，美国f m v s s 2 1 4 法规就规定了准静态侧门强度的试验方 嚣= ”则 拱卟 轿车侧面柱碰撞的耐掩性优化设计研究 法及性能要求。试验将整车车身固定在一个刚性平台上，用直径为3 0 5 m m 、棱边 圆角半径为1 3 m m 的刚性圆柱或半圆柱体进行加载。柱体长度就保证超出车窗下 边缘至少1 3 m m ，但又不接触车窗上边缘，下端在车门最低以上1