胡遠志，黃　杰，劉　西， 儲建宏，譚云飛

(1重慶理工大學 車輛工程學院 汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶　400054；

2太航常青汽車安全設(shè)備(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州　215131)

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SUV與轎車正面碰撞相容性研究

胡遠志1，黃杰1，劉西1， 儲建宏2，譚云飛2

(1重慶理工大學 車輛工程學院 汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶400054；

2太航常青汽車安全設(shè)備(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州215131)

摘要：闡述了車輛質(zhì)量、前部剛度、幾何特性3個因素對碰撞相容性的影響，并針對某城市多用途汽車(SUV)和某轎車正面碰撞的仿真驗證了這3個因素對100%正面碰撞相容性的影響?；谇安縿偠群蛶缀翁匦?個方面提出優(yōu)化方案。優(yōu)化后降低了SUV對轎車的攻擊性，改善了轎車乘員的生存空間，提高了兩車的正面碰撞相容性。同時，優(yōu)化后的車輛自身與剛性壁障正面碰撞的仿真結(jié)果表明：為了提高相容性而對兩車的改進不會明顯降低其自身安全性。

關(guān)鍵詞：正面碰撞相容性；車輛質(zhì)量；前部剛度；幾何特性

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，我國汽車保有量不斷增加，其中經(jīng)濟型轎車憑借其排放少和油耗低等特點成為主流的家用車型。此外，SUV(城市多用途汽車)以其良好的道路環(huán)境適用性和時尚的外觀深受消費者青睞。然而有研究表明：當經(jīng)濟型轎車與SUV發(fā)生碰撞時，SUV 對轎車具有較大攻擊性[1],轎車乘員的損傷風險明顯高于對方[2]。這主要因為兩車碰撞存在不相容性問題。隨著SUV與轎車保有量的不斷上升，兩車碰撞相容性的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

碰撞相容性是指汽車發(fā)生碰撞時在保護自身乘員安全的同時盡可能保護對方車輛乘員安全的能力。在碰撞中,只有當兩車乘員的傷害降到最低時,才能夠表明兩車具有良好的相容性。近年來，美國高速公路安全管理局(NHTSA)、交通研究實驗室(TRL)與國際各大汽車制造商聯(lián)合，共同進行了汽車碰撞相容性研究[3]。我國從2002年開始也陸續(xù)有一些學者進行碰撞相容性研究[4]，但目前還沒有相關(guān)法規(guī)出臺。

1碰撞相容性的影響因素

車輛碰撞相容性主要與3個影響因素相關(guān)，即車輛質(zhì)量、前部剛度和幾何特性[5]。

1.1車輛質(zhì)量

在碰撞相容性影響因素中，車輛質(zhì)量占主導因素。在發(fā)生碰撞時(如圖1所示)，兩車的質(zhì)量分別為m1和m2(m1

圖1　不同質(zhì)量兩車正面碰撞示意圖

根據(jù)動量守恒定律：

m1V1-m2V2=(m1+m2)V

(1)

得：

(2)

(3)

從式(2)、(3)可以看出：兩車發(fā)生碰撞前后的速度變化量與質(zhì)量成反比，質(zhì)量小的車承受更大風險。兩車發(fā)生碰撞的乘員傷害程度R可以表示為與速度改變量的函數(shù)關(guān)系，見式(4)[6]。很顯然，乘員傷害程度隨著速度變化量增加而增大。因此，質(zhì)量小的車輛在碰撞后乘員受到傷害程度可能更大。

(4)

式中α和k是通過曲線擬合得到的參數(shù)。

1.2前部剛度

發(fā)生碰撞時，車輛前端構(gòu)件通過塑性變形來吸收大部分的碰撞能量。碰撞結(jié)束后，車輛通過塑性變形所吸收的能量可以表示為[7]

(5)

則有

(6)

式中：E為車輛前部變形部分的塑性變形能；K為車輛前部變形部分的剛度；Xm為車輛前部變形當量；m為車輛質(zhì)量；ΔV為碰撞中車輛速度的變化當量。因此，車輛前端剛度影響前部變形。當塑性變形吸收的能量一定時，剛度越小，車輛前部變形量越大，則所受風險更大。在汽車被動安全設(shè)計時，通常質(zhì)量小的汽車前端剛度較小,而質(zhì)量大的汽車前端剛度較大[8]。因此，兩車碰撞時質(zhì)量小的車輛前部變形大，從而減小了乘員艙生存空間。

1.3幾何特性

車輛的幾何特性既可理解為車輛的外形特點，又可以理解為車輛的結(jié)構(gòu)特點。外形特點主要是不同級別車輛之間的差別對比；結(jié)構(gòu)特點主要考慮前端結(jié)構(gòu)形狀、分布位置、安裝特點以及與其他車輛之間的相互作用效果等。

目前普遍采用平均作用力高度(AHOF400，average height of force)來描述車輛的前部幾何特性。平均作用力高度是車輛變形量在25～400 mm內(nèi)作用力高度(height of force，HOF)的加權(quán)平均值。圖2為安裝在剛性壁障上的測力墻，用于測量各個單元3個方向的碰撞瞬間作用力，計算示意圖見圖3，計算公式如式(7)和(8)所示。

圖2　測力墻示意圖

圖3　作用力高度計算示意圖

(7)

(8)

2模型的驗證與分析

2.1模型的驗證

本文應(yīng)用由美國碰撞分析中心(NCAC)公布在網(wǎng)上的Explorer和Neon模型進行SUV與轎車的100%正面碰撞相容性研究。這兩款車的整車有限元模型的建立及驗證由NHTSA和NCAC共同完成[9]，并根據(jù)C-NCAP100%正面碰撞試驗選擇參數(shù)和設(shè)置條件，即兩車的初速度都為50 km/h，速度方向相反，如圖4所示。

圖4　Explorer與Neon的正面碰撞模型

在碰撞過程中，動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，沒有任何位置發(fā)生過突變，總能量大小維持平穩(wěn)，沙漏能正常，符合要求，因此可對該碰撞模型進行仿真分析。

2.2仿真分析

在仿真中，整車變形吸能可以反映碰撞車輛的變形情況。乘員艙加速度及前圍板侵入量成為仿真中衡量碰撞性能及對乘員保護效果的主要指標[10]。構(gòu)造了幾組不同的理想化模型，以這3個參數(shù)來分析車輛質(zhì)量、前部剛度和幾何結(jié)構(gòu)對100%正面碰撞相容性的影響。

1) 車輛質(zhì)量

為驗證車輛質(zhì)量對碰撞相容性的影響，分別將neon車型和explorer車型的整車質(zhì)量增加300 kg，并與原碰撞模型進行對比。模型1中explorer車型質(zhì)量不變，neon車型質(zhì)量增加300 kg；模型2中explorer車型質(zhì)量增加300kg，neon車型質(zhì)量不變。比較結(jié)果見表1。

從表1可以看出:一方面由于質(zhì)量增加，使得初始動能增加，則整車變形加劇(如圖5所示)，整車變形能增加，同時傳遞至乘員艙的載荷增大使前圍板關(guān)注點最大侵入量也增加；另一方面，Neon質(zhì)量增加降低了Explorer與Neon的質(zhì)量比，從而降低了對Neon乘員的沖擊，同時增加了對Explorer 乘員沖擊，使得Neon乘員艙加速度降低，而Explorer乘員艙加速度增加，但不明顯；增加Explorer的質(zhì)量，則增加了與Neon的質(zhì)量比，對兩車碰撞時的乘員沖擊剛好相反。因此，增加轎車質(zhì)量可以降低SUV對其的沖擊性。降低整個碰撞模型的質(zhì)量可以減輕整車變形，從而降低前圍板關(guān)鍵點最大侵入量，有利于提高碰撞相容性。

圖5　整車碰撞變形

2) 前部剛度

兩組具有不同前部剛度的模型分別為模型3 和模型4，以驗證其對碰撞相容性的影響。通過調(diào)節(jié)Explorer前縱梁的材料厚度來實現(xiàn)變剛度，分別減少0.5 mm 和增加 0.5 mm的厚度。仿真結(jié)果見表2。

不難發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)車輛前部剛度能調(diào)節(jié)碰撞過程中變形吸能的分配。降低Explorer的前部剛度，使其前縱梁變形增大(見圖6)，從而調(diào)節(jié)碰撞能量的分配，降低了Explorer與Neon的變形吸能比值，同時降低了Neon的最大加速度和前圍板關(guān)鍵點最大侵入量，從而提高了碰撞相容性。增大Explorer的前部剛度則效果相反。因此，降低SUV前部剛度可以提高碰撞相容性。

圖6　Explorer前縱梁變形

3) 幾何特性

改變車輛模型地面高度可以調(diào)整其平均作用力高度(AHOF400)，從而驗證幾何特性對碰撞相容性的影響。提高Explorer地面高度50 mm以增大兩車AHOF400差值，由此建立模型5。降低Explorer地面高度50 mm以減小AHOF400差值，由此建立模型6。仿真結(jié)果見表3。

表2　不同前部剛度仿真結(jié)果對比

表3　不同AHOF400值的仿真結(jié)果對比

由表3可以發(fā)現(xiàn)：AHOF400值的調(diào)節(jié)改變了碰撞接觸的位置，但不會明顯影響整車碰撞能量的分配，從而對整車變形吸能的影響不大，但是對轎車的最大加速度和入侵量影響較大。增大兩車AHOF400差值會導致轎車下鉆，如圖7所示，使得轎車車身結(jié)構(gòu)不能很好地發(fā)揮吸能作用，從而增大了乘員的沖擊加速度和前圍板的侵入量，導致碰撞相容性降低。相反，降低碰撞車輛的AHOF400差值，能使車輛前部結(jié)構(gòu)更好地發(fā)揮吸能作用，從而提高碰撞相容性。所以，改變車輛的幾何特性可以影響碰撞相容性，降低AHOF400差值可以提高碰撞相容性。

圖7　轎車下鉆

3碰撞相容性改進

由于質(zhì)量與汽車自身特性相關(guān)，難以有較大改變，所以主要從前部剛度和幾何特性進行改進。根據(jù)當前汽車輕量化、低能、低排放的總體要求，并考慮到車輛自身安全性，提出以下符合實際的相容性改進方案：

1) 為了提高相容性，應(yīng)提高質(zhì)量較小車輛的前部剛度，降低質(zhì)量較大車輛的前部剛度[11]，本文研究結(jié)果也證明了這一觀點。降低SUV前縱梁0.5 mm厚度以降低對轎車的攻擊性，同時增加轎車前保險杠的厚度0.2 mm及材料強度70 MPa以提高轎車變形吸能能力。

2) 為了降低由于結(jié)構(gòu)上的錯位導致的轎車前縱梁的不規(guī)則變形，可以增加、改進前縱梁加強件。本文根據(jù)Neon前縱梁變形情況改進加強板，如圖8所示。

3) 降低SUV前縱梁高度以降低其AHOF400值，從而使得兩車前部結(jié)構(gòu)更好地發(fā)揮吸能作用。以Explorer前縱梁無安裝部件處為縱向起始拐點，使其產(chǎn)生一定的下傾角度從而降低縱梁前端高度10 mm，見圖9。

圖8　Neon前縱梁加強件

圖9　Explorer縱梁改進

4) 為了增加兩車的主要吸能部件接觸面積，可加寬前保險杠的豎直方向?qū)挾?。根?jù)Explorer的空間結(jié)構(gòu)要求豎直加寬其保險杠，由86 mm加寬至120 mm，見圖10。

4改進前后的對比分析

對上述改進后的碰撞模型進行計算，將計算結(jié)果文件圖形化并與改進前進行對比。圖11、12分析結(jié)果表明：改進后兩車的能量分配明顯改善，使得分配到 Neon 的能量減少，從而減少了整車變形。

圖10　Explorer前保險杠改進

圖11　整車變形吸能曲線

圖12 整車變形

從圖13可以看出：改進后Neon的前圍板關(guān)鍵點侵入量明顯降低，從而增大了乘員生存空間；雖然Explorer前圍板關(guān)鍵點侵入量增加，但增加值較小且自身乘員空間較大，所以不會明顯影響其乘員生存空間。圖14為乘員艙加速度曲線，可以發(fā)現(xiàn)：改進后Neon加速度明顯降低，從而減輕了對乘員的沖擊；而Explorer加速度也有所降低且平緩，有利于對乘員的保護。

圖13　前圍板關(guān)鍵點侵入量曲線

圖14　加速度曲線

綜上，改進后Explorer對Neon乘員的沖擊明顯降低，同時提高了Neon乘員的生存空間，對Explorer 乘員安全性影響較低，從而提高了碰撞相容性。

5自身安全性比較

改進后的車輛對自身安全性不能有較大的影響[12]。根據(jù)C-NCAP碰撞法規(guī)要求的速度進行整車與剛性壁障的正面碰撞仿真，比較改進前后前圍板關(guān)鍵點侵入量和加速度值(結(jié)果見表4)，以驗證車輛自身安全性。

表4　改進前后前圍板侵入量和加速度對比

從表4可以看出:改進后Neon的最大加速度和前圍板關(guān)鍵點侵入量都有所降低，有利于提高乘員的安全性。Explorer的加速度增加了2.3g,可以通過系統(tǒng)匹配進行調(diào)節(jié)；同時其前圍板關(guān)鍵點侵入量增加10.3 mm，但Explorer的乘員艙空間較大，不會明顯影響乘員安全?？傊倪M后的Neon和Explorer不會明顯降低其自身安全性。

6結(jié)束語

SUV與轎車的保有量日益增大，對其碰撞相容性的研究具有十分重要的意義。本文闡述了影響碰撞相容性的3個因素：車輛質(zhì)量、前部剛度和幾何特性，結(jié)合某SUV和轎車碰撞的仿真驗證了這3個因素對100%正面碰撞相容性的影響，并根據(jù)前部剛度和幾何特性提出改進方案。改進后的方案明顯降低了對轎車乘員的沖擊并增大了乘員生存空間，同時不會明顯降低SUV乘員安全性，從而提高了100%正面碰撞相容性。本文還進行了改進前后車輛自身安全性比較。結(jié)果表明：改進后的車輛不會明顯降低其自身安全性。

本文主要針對100%正面碰撞進行相容性的研究，然而在實際交通事故中不同重疊率的碰撞相容性所得到的結(jié)果有所不同，需要做更多的研究來比較全部的碰撞相容性。另外，實驗數(shù)據(jù)是研究相容性的重要依據(jù)，但由于資金等原因在國內(nèi)很少進行相關(guān)實驗，從而使相容性研究進展緩慢。

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(責任編輯劉舸)

Research on Compatibility of Frontal Crash Between SUV to Sedan

HU Yuan-zhi1, HUANG Jie1, LIU Xi1, CHU Jian-hong2, TAN Yun-fei2

(1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts,Ministry of Education, School of Automotive Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China; 2.Taihang Changqing Automotive Safety Equipment(Suzhou)Co., Ltd., Suzhou 215131, China)

Abstract:This paper briefly described the influence of three factors: mass, front stiffness and geometric characteristics of a vehicle on crash compatibility, and a simulation for a certain urban utility vehicles (SUV) and head-on collision of a certain passenger car was used to verify the influence of these three factors for 100% frontal crash compatibility. Then a optimization was performed based on front stiffness and geometric properties, which reduced the aggressivity of SUV to car and improved the car occupant living space, and enhanced the frontal crash compatibility of the two vehicles. At the same time, the results of the simulation of the vehicle itself to the rigid wall collision show that improvement of the two vehicles will not significantly reduce its own security in order to improve the compatibility.

Key words：frontal crash compatibility; vehicle mass; frontal stiffness; geometry characteristic

中圖分類號：U461.91

文獻標識碼：A 1674-8425(2016)03-0001-08

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.03.001

作者簡介：胡遠志(1977—)， 男， 博士， 教授， 主要從事汽車主被動安全、CAE技術(shù)和耐久可靠性技術(shù)研究；通訊作者 劉西(1977—)，女，博士，副教授， 主要從事汽車主被動安全、人機工程研究。

基金項目：2013年重慶高校創(chuàng)新團隊建設(shè)計劃資助項目(KJTD201319)

收稿日期：2015-11-29

引用格式：胡遠志，黃杰，劉西，等.SUV與轎車正面碰撞相容性研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(3):1-8.

Citation format：HU Yuan-zhi, HUANG Jie, LIU Xi, et al.Research on Compatibility of Frontal Crash Between SUV to Sedan[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(3):1-8.