董學勤,朱西產(chǎn),馬志雄,王晶晶,陳曉東,王洪泉
(1.同濟大學汽車學院,上海 201804; 2.無錫出入境檢驗檢疫局,無錫 214174)
在側(cè)面碰撞中導致致命或人體嚴重傷害的主要部位為胸部、腹部和髖部。有關側(cè)面碰撞對人體不同部位損傷的試驗研究,可通過實車碰撞試驗進行,也可在模擬實車碰撞的臺車試驗上進行[1],側(cè)面碰撞影響乘員安全的主要因素是車身側(cè)面結(jié)構(gòu)、車門內(nèi)飾系統(tǒng)的剛度、側(cè)面約束系統(tǒng)和乘員座椅等。由于側(cè)面碰撞中車門各個區(qū)域的變形不同,所以在一次臺車試驗上同時復現(xiàn)實車側(cè)面碰撞試驗中假人胸部、腹部、髖部的傷害值比較困難[2]。本文中基于側(cè)面碰撞的理論模型,分析了假人傷害與車身側(cè)面系統(tǒng)的相關性,結(jié)合零部件試驗和臺車試驗,對在側(cè)面碰撞中的假人傷害進行研究。
側(cè)面碰撞時幾乎沒有緩沖空間來保證車內(nèi)乘員的生存空間[3],乘員在加速過程中受到的傷害程度受車門初速度、車門加速度、乘員加速度、車門與乘員的相對距離和碰撞結(jié)束時刻乘員與車門的速度等因素的影響,是一個多參數(shù)非線性的復雜系統(tǒng)。本文中將乘員和車門的加速度簡化為平均加速度,建立了側(cè)面碰撞的理論模型,如圖1和圖2所示。
圖1和圖2中v0為車門的初始速度,v1為車門與乘員的共同速度,t1為車門與乘員達到共同速度的時刻,D為初始狀態(tài)時車門與乘員的相對距離。設車門的平均加速度為A,乘員的平均加速度為a,則有
由式(1)可以看出,乘員加速度、車門與乘員的相對距離、車門加速度和車門的初始速度有一定的關聯(lián)。在不改變車身結(jié)構(gòu)的前提下,合理變更車門內(nèi)板與側(cè)面安全氣囊的形狀和剛度,可改變車身與假人接觸時的加速度值,達到降低假人傷害程度的目的。
所選車型按照C-NCAP側(cè)面碰撞標準進行整車側(cè)面碰撞試驗,圖3為胸部3根肋骨的變形曲線圖。3根肋骨的變形量相差較大,其中下肋骨變形量超過C-NCAP中規(guī)定的22mm的高限值,導致胸部區(qū)域得分較低。
根據(jù)整車側(cè)面碰撞試驗結(jié)果,腹部受力達1.855kN,超過C-NCAP中規(guī)定的1kN的高限值,如圖4所示。通過試驗過程中的高速錄像和試驗后腹部水彩位置可以發(fā)現(xiàn),在整個試驗過程中,腹部主要與車門扶手接觸,并且車門扶手的碰撞區(qū)域剛好是扶手后端轉(zhuǎn)角位置處,該處剛度明顯過高,導致腹部受力較大,得分較低。
從試驗假人髖部水彩位置可看出,髖部與車門上泡沫止推塊所在區(qū)域?qū)?,泡沫止推塊粘貼在門內(nèi)飾板和門基板之間,在碰撞的初始階段給假人一個比較剛性的推力,使假人快速遠離門內(nèi)飾,這種設計雖然會加大髖部的受力,但可較大幅度地降低胸部和腹部的傷害,從而改善側(cè)面碰撞性能[4]。圖5中髖部受力達3.35kN,超過C-NCAP中規(guī)定的3kN的高限值,泡沫塊剛度過大,導致髖部位置失分。
從上述的分析中可以看出假人3個區(qū)域都存在問題。表1為假人傷害值與C-NCAP高限值。胸部區(qū)域可通過對側(cè)氣囊的包形進行改進,使上、中、下3根肋骨的壓縮變形量趨于一致,從而降低下肋骨的變形量;腹部位置直接對著車門扶手后部的轉(zhuǎn)彎角處,再往外,又對著門內(nèi)飾板背面一個用來安裝連接卡扣的凸臺;髖部位置則對著車門內(nèi)飾后下部泡沫止推塊處。因此,應在保證不影響原有部件功能和相關位置的情況下合理調(diào)整相應部件的剛度,以提高該車側(cè)面碰撞的性能。
表1 整車側(cè)面碰撞試驗假人傷害值
車門總成有限元模型包括車門內(nèi)板、泡沫止推塊、門基板和車門內(nèi)飾板4個部分。胸部、腹部和髖部3個碰撞塊和假人相應部位質(zhì)量是相同的,按照假人和車身的相對位置,確定了胸部、腹部和髖部3個部位在碰撞過程中的初始位置,根據(jù)整車碰撞試驗的數(shù)據(jù),分別以不同的初速度沿Y方向撞擊門內(nèi)飾對應的3個區(qū)域。車門內(nèi)飾板動態(tài)沖擊試驗的目的是為了對有限元模型進行驗證。仿真和試驗中胸部、腹部、髖部3個碰撞區(qū)域的門內(nèi)飾剛度曲線有較好的一致性,如圖6和圖7所示。
在MADYMO中建立側(cè)面碰撞的臺車試驗仿真模型,仿真模型采用MADYMO自帶的ES-2多面體Q假人[5],氣囊采用經(jīng)過靜態(tài)點爆和動態(tài)沖擊試驗驗證的胸部氣囊模型。側(cè)面碰撞中整車試驗和臺車試驗有較大的區(qū)別,通過仿真模型與整車碰撞試驗的結(jié)果對比,利用仿真模型中的工況設置去指導臺車試驗。圖8和圖9為仿真模型中胸部3根肋骨的壓縮變形量與臺車碰撞試驗中3根肋骨壓縮變形量的對比。由圖可見,仿真模型與臺車試驗具有較好的一致性。
根據(jù)上述分析,假人胸部3根肋骨的壓縮變形量不一致,下肋骨變形量過大??赏ㄟ^對胸部氣囊包形的改進,減小下肋骨變形量,使3根肋骨變形量趨于一致。經(jīng)臺車試驗和仿真研究分析,胸部氣囊最佳包形如圖10所示。由圖可見,改進后胸部氣囊的保護范圍明顯改善。原胸部氣囊泄氣孔開在靠近車門的一側(cè),氣囊作用過程中,泄氣孔可能會被車身某些部件阻塞,影響氣囊泄氣,進而降低氣囊對車內(nèi)乘員的保護作用。因此,改進后胸部氣囊的泄氣孔采用在縫合線處開孔的形式,即泄氣孔位置不縫合。
采用經(jīng)過多次仿真改進后的氣囊,進行側(cè)面碰撞臺車試驗,比較試驗得到的胸部3根肋骨的壓縮變形量與改進前側(cè)撞臺車試驗中3根肋骨的壓縮變形量,如圖11所示。可以看出胸部肋骨壓縮變形量明顯減小,可以提高C-NCAP側(cè)面碰撞試驗中假人胸部區(qū)域的得分。
4.2.1 腹部傷害值
從整車試驗結(jié)果分析中已知腹部失分的主要原因是車門內(nèi)飾板扶手后部轉(zhuǎn)角處的剛度過大,另外在仿真中發(fā)現(xiàn),門內(nèi)飾板背面凸臺的剛度對腹部傷害值的影響也比較大。經(jīng)過仿真計算,這兩處結(jié)構(gòu)采用了兩種改進方案,如圖12和圖13所示。
第1種方案是弱化門內(nèi)飾扶手轉(zhuǎn)角處的結(jié)構(gòu),降低該處的剛度;第2種方案是取消門內(nèi)飾背部的凸臺,以降低其對腹部的傷害。兩種方案分別進行仿真和試驗中驗證,結(jié)果如圖14所示。
兩種方案的剛度曲線在第1個波峰值都小于1kN,且第2種方案比第1種方案的效果更好,比改進前降低了近300N,但由于第2個方案中取消凸臺對其他方面的性能有較大影響,所以腹部區(qū)域最后采用第1種方案。
4.2.2 髖部傷害值
對髖部區(qū)域的改進方案見圖15。即在泡沫止推塊上開兩個方形孔,以降低其推動剛度。由于泡沫塊與后面的門基板之間有13mm的空間,所以可增加其厚度,以保證其吸能性不變。通過仿真來確定開孔的位置和尺寸,將改進后的泡沫止推塊進行試驗驗證,圖16為改進前后的試驗剛度曲線圖。
從試驗結(jié)果可以看出,采用改進后的泡沫止推塊后,降低了髖部區(qū)域的剛度,而且增加了變形,使髖部區(qū)域的傷害值降低,達到了預期的目的。對泡沫的改進還可通過調(diào)整泡沫的密度和材料成分等工藝方法,也能達到同樣的效果。最后針對各部位改進后的結(jié)構(gòu)重新進行整車碰撞試驗,表2為改進前后假人各區(qū)域傷害值的對比。
表2 優(yōu)化前后假人傷害值
基于理論模型,分析了在側(cè)面碰撞中假人的傷害機理,確定了傷害值與車身相關參數(shù)的關聯(lián)性。以某車型在整車側(cè)面碰撞中假人胸部、腹部和髖部傷害較大的問題為例,針對假人的不同區(qū)域采用零部件試驗和局部子模型的有限元仿真,對側(cè)面氣囊和車門內(nèi)飾的結(jié)構(gòu)進行改進,優(yōu)化了其剛度,從而有效降低了假人的傷害值,達到了預期的目標。
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[3]Kent R,Crandall J,Butcher J,et al.Sled System Requirements for the Analysis of Side Impact Thoracic Injury Criteria and Occupant Protection[C].SAE Paper 2001-01-0721.
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[5]MADYMO Theory Manual,Version 7.2[G].TNO Road-Vehicle Research Institute,2010.