汽车侧面碰撞过程的仿真

1、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19

2、95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。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956kg，质心距地503mm。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60mm，旨在模拟保险杠

3、（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-l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501km/h的速度行驶，在距轿车2m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。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

4、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35km/h的速度与刚性测力墙碰撞，要求吸能块的最大变形量为（33020）mm,耗散能一变形曲线、整体和16区的力一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。4L医料琵能15IEZEH.gkN?.5RECEE95I卜匪4L医料琵能15IEZEH.gkN?.5RECEE95I卜匪316kNMm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-l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23。补足质量后，对头

5、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200mm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100150g之间2。标定结果为131g。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152mm、质量为23.5kg的柱形摆锤模型。摆锤以4.3m/s的速度撞击肩轴，要求摆锤的加速度峰值在7.510.5g之间。标定结果为10.1g。胸部：将肋骨组件固定在刚性支架上。做一直径为150mm,质量为7.8kg的柱形落锤模型。落锤以1.0、2.0、3.0、4.0m/s的速度

6、撞击肋骨侧面，要求肋骨的位移分别在1014、23.527.5、3640、4651mm之间。标定结果为：12.0、25.1、39.2、49.5mm。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23.5kg的冲击锤模型（冲击面为150mmx70mm的矩形）。冲击锤以6.3m/s的速度撞击腹侧，要求冲击锤受力峰值在9.511.1kN之间，且发生在撞击后9.811.4ms；腹部合力的峰值在5.97.9kN之间。标定结果：冲击锤受力峰值为10.2kN,发生在10ms；腹部合力的峰值为6.1kN。骨盆：假人坐姿与腹部标定时相同。用直径为152mm，质量为23.5kg的柱形摆锤以4

7、.3m/s的速度撞击H点,要求摆锤受力峰值在4.45.4kN之间，且发生在撞击后10.315.5ms；耻骨合力峰值在1.041.64kN之间，且发生在9.915.9ms。标定结果：摆锤受力峰值为4.8kN,发生在14ms；耻骨合力峰值为1.48kN，发生在12ms。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1020mm,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2040mm；对于前后非撞击区

8、，单元边长大多在50mm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4501200范围内，三角形单元的最小内角不小于250；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1050kg,质心距地581mm,距前轴1026mm,与实车情况一致。图3整车模型图3整车模型图4为左侧前后车门模型

9、。左侧车门是侧面碰撞模型中的关键部件，单元边长大多在15mm以下，局部最小单元边长为6mm。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。Ji2S,i0；11皿0门外驶交总Ji2S,i0；11皿0门外驶交总M为计K和测疋图4左侧前后车门模型仿真与试验结果比较按以下步骤

10、完成仿真：读入模型T选择碰撞法规T定义移动壁障位置和速度T定义假人位置、坐姿和安全带的约束T建立碰撞中的接触T定义控制卡片T定义仿真结果输出T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342mm，仅与试验结果相差23mm（约6%）；车门的变形轮廓为前门第1517部位和后门第2124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

11、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93mm（约41%）。表1车门娈形量的比较皿）3116实斛直1顽ion17231311IS斗咅313-5542.1?45710斗3J23232Qc225311珑21-54-12S22531S22712114023-1E倔22024*310350252529102-543412S75111射02?l&l號12as2S11415713so*1291572001420S73017123515-It)-5312432S01点-47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

12、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、43ms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-15.5g,发生在碰撞后42ms,仿真结果也是-15.5g,发生在44ms；假人头部加速度峰值的试验结果是80g,发生在碰撞后60ms,仿真结果是74g,也发生在60ms。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。50

13、口图5加速度响应的比较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5.5kN,已接近ECER95所允许的上限（6kN）。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2.5mm改为3mm；窗台加强板的板厚由1.2mm改为1.5mm；门槛加强梁的板厚由0.6mm改为1mm。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，20002ECERegulationNo.95.Un