新型汽车碰撞吸能方法及其应用

新型汽车碰撞吸能方法及其应用

湖南大学曹立波主要内容主被动结合汽车碰撞吸能方法逐级汽车碰撞吸能方法研究意义国内外正在研究的主动安全技术主要是采取一些电子监测系统，判断事故发生的可能性。当事故可能发生时，采取相应的避让措施来避免事故的发生。虽然相关研究已取得较大的进步，但由于交通事故的突发特性，使得以预防事故发生为目的的主动安全技术只能避免5％～15％的事故。因此，提高汽车被动安全性或综合利用汽车主动安全技术与被动安全技术来提高汽车的防撞性仍然是非常重要的。工作原理:采用与保险杆连接在一起的金属薄壁吸能梁作为主要吸能部件，当由驾驶员控制或系统自动判断到碰撞事故不可避免时,推动装置将吸能部件推出车前并将其限位,通过吸能梁的压溃变形吸收碰撞能量。该吸能装置解决了“为提高车辆碰撞吸能特性必须尽量增加变形吸能空间与车内吸能空间受到限制”的矛盾，通过主动向外增加变形吸能空间，达到提高车辆的碰撞安全性的目的。该装置已经获得了国家发明专利ZL02139876.3。主被动结合碰撞吸能方法可行性分析吸能特性的仿真研究采用多刚体与有限元耦合计算的方法，利用MADYMO软件分别对装备有该吸能装置及未装备该吸能装置的汽车在正碰、侧碰及与行人碰撞过程中的碰撞特性进行了模拟对比分析。

正碰仿真

(50Km/h)动态响应过程对比未装吸能装置的正碰模型装有吸能装置的正碰模型碰撞加速度曲线对比结果比较：安装有该装置时车辆碰撞加速度峰值由414.4（m/s2）降到了315.4（m/s2）,降低了23.90%。吸能装置的变形吸能长度达到300多毫米，使车辆的吸能缓冲时间增加25ms左右，速度从13.33m/s降到10.61m/s，吸收了车辆碰撞动能的36.65%。当碰撞速度低于20km/h时，该吸能装置可以吸收所有碰撞能量，从而使汽车其它车身结构免受损失。

侧碰仿真

模拟动态响应过程对比（碰撞速度：50km/h）对于侧面碰撞而言，由于被撞汽车能够用于缓冲和吸能的区间十分有限，现有的大多数汽车结构设计都难以提供较好的耐侧撞性能，乘员在侧面碰撞事故中更加容易遭受伤亡。以2005年我国发生的交通事故为例，正面碰撞造成的伤亡人数占26.9%，而侧面碰撞占32.3%。由于该装置能够在撞击车辆之间增加缓冲吸能的空间，通过吸能梁的变形吸能使被撞车辆受到的冲击得到降低，从而可有效减轻乘员受到的伤亡。两车的相对运动速度曲线对比安装有该吸能装置时两车的相对运动速度曲线变化更加平缓，从碰撞开始接触到两车开始分离的碰撞过程，即从相同的初始相对速度14.17m/s运动到0m/s的时间由43ms增加到74ms，变形吸能的时间增加了31ms。假人损伤参数的比较假人骨盆横向加速度胸腔脊柱下部(LowerSpine)横向加速度胸腔脊柱上部(UpperSpine)横向加速度加速度峰值（m/(s**2)）

骨盆横向加速度

脊柱上部横向加速度

脊柱下部横向加速度

无吸能装置2628.1819.41884.35有吸能装置881.95579.94

913.4降低66%29%51%

行人碰撞仿真

动态响应过程对比（50百分位男性）分别对5百分位小个女性、50百分位男性及95百分位大个男性行人进行了碰撞模拟分析和比较。由于大部分行人碰撞事故都发生在45km/h以下，所以仿真碰撞速度都取32km/h。行人头部损伤比较50百分位男性5百分位小个女性95百分位高个男性不同行人50百分位男性5百分位女性95百分位男性损伤参数头部加速度峰值HIC头部加速度峰值HIC头部加速度峰值HIC无该装置12901259155114791103899有该装置1055610974435485223仿真分析结论：该装置通过吸能梁的变形吸能和安全气囊的缓冲作用能够对车辆乘员及行人在不同类型的碰撞事故中起到明显的安全保护作用。

第一代装置台车实验已初步开发了两代吸能装置的机械部分及控制部分，对开发的该吸能装置分别进行了台车和实车安装实验。

试验研究实验结论：台车和实车安装实验表明，该控制系统及吸能装置能在汽车上正常运行。但安装不太方便,性能需改进.

第一代装置实车安装试验2007年开始,在国家自然科学基金的支持下,与长丰汽车制造股份有限公司开始合作在猎豹飞腾汽车上进行从新设计改装.

第二代装置实车安装试验逐级碰撞吸能方法微型车在中国具有很大市场。其前部结构与轿车存在明显差异。从造型的角度看，其前部长度不宜过长。通常希望在尽量短的长度内达到碰撞安全性要求。微型车中，通常采用矩形薄壁纵梁作为吸能梁。然而，矩形梁在碰撞初期通常会产生一个加速度峰值。然后，随着结构屈服，碰撞加速度又会出现一个波谷。这个过程不能满足均匀吸能的要求，特别是不利于在最短长度内达到吸能效果。为了在较短的长度内达到吸能效果，可以适当增加壁厚。然而，增加壁厚会使结构屈服更加困难，加速度峰值将更大。同时，增加前端壁厚可能使纵梁后段先屈服，产生不正常的变形模式。纵梁整体加强又会增加成本与重量。理想的方法是尽量减少波峰波谷变化，使碰撞加速度趋于均匀。为此，可以在吸能梁内部适当的位置设置1～2块加强板，使其在碰撞过程中的适当时候参加吸能，达到逐级吸能的效果，有效地填充加速度波谷。该方法已申请发明专利。计算机仿真分析

1、模型建立首先利用矩形梁模型来研究逐级吸能效果模型验证矩形梁模型的验证台车实验加速度曲线对比逐级吸能梁参数研究结果纵梁变形B-柱加速度曲线

较理想的方案乘员损伤分析损伤参数HIC36VCChestD原车型792.740.1594734.039改进车型664.200.199535.866损伤参数N_M(Nm)FFCL(N)FFCR(N)原车型105.22697.12567.9改进车型106.782662.52571.6从下表可以看出，HIC值有所减小，颈部弯矩、VC和ChestD有所增加，大腿力变化很小。所有损伤参数均在法规要求范围内。改进方案的整车碰撞实验碰撞速度为48.6km/h。碰撞实