程海東，田國(guó)紅，孫立國(guó)，齊登科

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

行業(yè)綜述

汽車(chē)側(cè)面碰撞的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

程海東，田國(guó)紅，孫立國(guó)，齊登科

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

論文在探討了汽車(chē)側(cè)面碰撞的研究意義后，分析了汽車(chē)側(cè)面碰撞的研究現(xiàn)狀及研究方法，并提出了我國(guó)汽車(chē)側(cè)面碰撞的發(fā)展趨勢(shì)。

汽車(chē)；側(cè)面碰撞；研究方法

前言

隨著科技的發(fā)展，汽車(chē)安全內(nèi)容更加的詳細(xì)?？傮w分為兩類(lèi)：一類(lèi)是避免事故發(fā)生的主動(dòng)安全；一類(lèi)是降低事事故發(fā)生時(shí)人體傷害的被動(dòng)安全。側(cè)面碰撞是車(chē)輛交通事故的一種重要形式，其理論研究十分必要。

1 側(cè)面碰撞的研究意義

我國(guó)人口眾多，道路環(huán)境多種多樣，車(chē)輛的質(zhì)品參差不齊，人們的安全意識(shí)不高，交通事故頻發(fā)，每年因?yàn)檐?chē)禍造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)10億元。在交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中（如圖1所示），車(chē)輛在正面碰撞的比重占到了62%，側(cè)面碰撞的在所有交通事故中的比重為23%。從圖2中交通事故形態(tài)柱狀圖可以看出，交通事故中側(cè)面碰撞的比重僅占正面碰撞的1/3，但二者死亡人數(shù)相差不大?？芍澜煌ㄊ鹿蕚?cè)面碰撞事故發(fā)生概率較高，其致死率和致傷率分別居所有交通事故中的第二位和第一位，因此汽車(chē)安全領(lǐng)域中對(duì)側(cè)碰的研究意義重大。

圖1 汽車(chē)事故形式餅狀圖

圖2 車(chē)輛事故形態(tài)柱狀圖

2 汽車(chē)側(cè)面碰撞的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

汽車(chē)對(duì)側(cè)面碰撞的研究同樣是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。其研究?jī)?nèi)容涉及力學(xué)、電學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科及領(lǐng)域。汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全性研究和車(chē)內(nèi)乘員安全性研究是側(cè)碰主要研究的兩個(gè)方面[1]。

2.1 側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)安全性研究

側(cè)面碰撞的結(jié)構(gòu)安全性的研究，不僅僅指的是車(chē)身結(jié)構(gòu)的研究，也涉及到側(cè)面碰撞試驗(yàn)所用的碰撞設(shè)備（可變形移動(dòng)壁障 MDB、試驗(yàn)假人等）以及側(cè)面碰撞的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，以至于最大限度的貼合實(shí)際情況[2]。

2.1.1 車(chē)身結(jié)構(gòu)的研究

在側(cè)面碰撞研究中，由于沒(méi)有保險(xiǎn)杠、前縱梁、發(fā)動(dòng)機(jī)等吸能結(jié)構(gòu)對(duì)碰撞的沖擊進(jìn)行緩沖。只能通過(guò)側(cè)面結(jié)構(gòu)（門(mén)檻梁、B柱、車(chē)頂縱梁、底板加強(qiáng)梁等）進(jìn)行沖擊力的緩沖和轉(zhuǎn)移。由于側(cè)面緩沖空間比較小，因此對(duì)側(cè)面結(jié)構(gòu)的要求很高，在能滿(mǎn)足車(chē)身側(cè)圍部件的侵入量和侵入速度的同時(shí)能夠在有效的空間內(nèi)吸收更多的沖擊能量，以便在側(cè)面事故中有效的降低乘員的損傷。

2.1.2 側(cè)撞移動(dòng)變形壁障（MDB）的研究

MDB試驗(yàn)是研究側(cè)面碰撞試驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)。用MDB進(jìn)行試驗(yàn)不僅可以模擬出車(chē)輛之間的碰撞情形，而且能重復(fù)操作降低開(kāi)發(fā)成本。日本汽車(chē)研究所對(duì) NHTSA（National Highway Traffic Safety Administration）和 EEVC（Europe Experimental Commission）的試驗(yàn)中假人的損傷程度的巨大差異進(jìn)行總結(jié)，第一、MDB的特征值（如外形參數(shù)、蜂窩鋁特性、整車(chē)質(zhì)量等）對(duì)影響試驗(yàn)結(jié)果的最終評(píng)價(jià)；第二、對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大的還有MDB的速度與碰撞方向的夾角大小。由于現(xiàn)在不同國(guó)家車(chē)型種類(lèi)繁多，車(chē)型更新速度加快，MDB很難進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，況且美國(guó)、歐洲的MDB不可能適用于其他國(guó)家車(chē)輛。

2.1.3 側(cè)面碰撞假人的研究

假人最早用于格魯曼等航空企業(yè)的航空座椅等方面的測(cè)試，隨后在成為汽車(chē)安全研究上發(fā)揮重要的作用。并開(kāi)發(fā)了不同系列的假人，包括男性假人、女性假人、兒童假人。隨著仿生學(xué)和損傷機(jī)理的深入研究，國(guó)際上側(cè)面碰撞使用的假人主要有EuroSID-1、BIOSID、ES-2、SID-IIs等。不同的側(cè)面碰撞法規(guī)使用不同的側(cè)碰假人，美國(guó)使用的是 SID，歐洲和日本在EuroSID-1假人基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，目前更多使用性能更好的ES-2型假人。我國(guó)同日本一樣，側(cè)碰所使用的假人是Euro SIDⅡ型男性假人，通過(guò)碰撞后假人的傷害值指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)車(chē)輛的安全性[3]。

2.2 側(cè)面碰撞乘員響應(yīng)研究

側(cè)面碰撞乘員響應(yīng)及損傷的研究。對(duì)側(cè)碰中乘員響應(yīng)的研究主要集中在人體容易損傷或致命的部位，如頭、胸、頸、腹以及盆骨等部位，能夠直接或間接與汽車(chē)接觸的部位。其研究主要分為兩方面，一是側(cè)面約束系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，二是車(chē)身側(cè)圍部件（如座椅、內(nèi)飾、B柱等）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。美國(guó)Wayne州立大學(xué)的J. Cavanaugh等人對(duì)乘員損傷的各種評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究進(jìn)行了大量工作，他們研究乘員身體損傷機(jī)理和耐受限度是通過(guò)大量的尸體試驗(yàn)，并運(yùn)用MADYMO等仿真軟件建立數(shù)值模型，通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的深入研究，從而研發(fā)行之有效的安全保護(hù)裝置，其中在損傷生物力學(xué)方面取得明顯的成績(jī)。

3 汽車(chē)側(cè)面碰撞研究的方法

現(xiàn)在，對(duì)于汽車(chē)側(cè)碰主要有大致三種研究方法：實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)、臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)仿真分析。

實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)是對(duì)所開(kāi)發(fā)成品整車(chē)進(jìn)行真實(shí)的碰撞，根據(jù)碰撞結(jié)果對(duì)汽車(chē)整車(chē)進(jìn)行評(píng)估。實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)主要包含通過(guò)固定壁障碰撞測(cè)試的正面碰撞試驗(yàn)、通過(guò)可移動(dòng)變形壁障測(cè)試法、翻滾測(cè)試、柱碰等測(cè)試方法的側(cè)面碰撞試驗(yàn)；還有正面?zhèn)让娑歼M(jìn)行的實(shí)車(chē)對(duì)實(shí)車(chē)碰撞測(cè)試等等。其中移動(dòng)壁障測(cè)試是在汽車(chē)側(cè)面碰撞安全性研究中常用的方法，就是用按照相關(guān)法規(guī)規(guī)定對(duì)移動(dòng)壁障進(jìn)行設(shè)計(jì)以規(guī)定速度去撞擊靜止的整車(chē)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)汽車(chē)安全性能的一種方法。實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)，如圖3所示，是最能呈現(xiàn)事故場(chǎng)景的方法，也是綜合評(píng)價(jià)汽車(chē)安全性能的是最直接有效的一種方法。并且此試驗(yàn)方法所得數(shù)據(jù)為乘員安全系統(tǒng)的改進(jìn)和車(chē)輛側(cè)面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供可靠的資料，其所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以作為臺(tái)車(chē)模擬試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬仿真的試驗(yàn)條件。但實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)的缺點(diǎn)就是開(kāi)發(fā)成本高，周期比較長(zhǎng)，不能重復(fù)使用也不能回收利用等等。

在研究中，對(duì)車(chē)身側(cè)面結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，對(duì)側(cè)面結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化是很有限。臺(tái)車(chē)側(cè)面碰撞試驗(yàn)用來(lái)對(duì)車(chē)身側(cè)圍內(nèi)部構(gòu)件（安全帶、內(nèi)飾、氣囊等）與乘員之間的響應(yīng)，如圖 4所示。它是將1/4整車(chē)側(cè)前部分搭建成臺(tái)車(chē)模擬整車(chē)碰撞，將緩沖塊放置在剛性墻與臺(tái)車(chē)之間，臺(tái)車(chē)以一定速度撞擊剛性墻，中間的緩沖裝置描述力學(xué)特性，然后得到接近實(shí)車(chē)碰撞結(jié)果的速度變化特性。通過(guò)速度波形來(lái)模擬汽車(chē)變形的過(guò)程，用來(lái)驗(yàn)證側(cè)圍內(nèi)部構(gòu)件的對(duì)側(cè)面沖擊力的吸收性能。

圖4 TNO公司的臺(tái)車(chē)側(cè)碰裝置

圖3 實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)

這種裝置的不足之處就是僅能對(duì)車(chē)門(mén)附件上單個(gè)點(diǎn)的加速度變化進(jìn)行測(cè)試，車(chē)門(mén)附件上所有點(diǎn)的加速度波形不能進(jìn)行模擬，因此需要根據(jù)具體的研究?jī)?nèi)容而進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇相應(yīng)的點(diǎn)。如果要研究人體胸部對(duì)車(chē)門(mén)內(nèi)飾板的運(yùn)動(dòng)變化的響應(yīng)問(wèn)題，可以取與人體胸部位置對(duì)應(yīng)車(chē)門(mén)內(nèi)飾板上的加速波形定義為臺(tái)車(chē)模擬的目標(biāo)波形。

目前荷蘭TNO、Seattle Safety公司、IST公司以及三菱公司是具備生產(chǎn)臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)裝置能力的主要公司。

如今，計(jì)算機(jī)配置的巨大提升，仿真軟件開(kāi)發(fā)的日益完善。使得計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在車(chē)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、汽車(chē)安全系統(tǒng)的驗(yàn)證、人體的生物力學(xué)研究、碰撞用假人的研究等方面發(fā)揮著重要作用。盡管計(jì)算的仿真分析比不上實(shí)車(chē)碰撞分析準(zhǔn)確，但是在汽車(chē)的研發(fā)初期產(chǎn)品成型前的研究發(fā)揮重要作用，而且減少試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)省試驗(yàn)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期。汽車(chē)碰撞計(jì)算機(jī)模擬理論和方法是建立在拉格朗日分析力學(xué)、碰撞理論、有限元理論、生物力學(xué)、牛頓矢量力學(xué)、材料理論、多剛（柔）體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、數(shù)值方法以及計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的不斷發(fā)展和完善基礎(chǔ)之上的。模擬碰撞事故中乘員與環(huán)境的相互作用可以采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建模的軟件，能很好地再現(xiàn)事故過(guò)程，而描述車(chē)身結(jié)構(gòu)的抗撞性可以采用顯式有限元理論建模的軟件，處理很多異常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)大變形問(wèn)題。而這些方面的商用軟件品類(lèi)繁多，應(yīng)用較多的有 CAL3D、MADYMO、LS-DYNA、PAM-CRASH、MSC／DYTRAN等軟件。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，汽車(chē)碰撞的研究在我國(guó)迅速發(fā)展，部分國(guó)產(chǎn)汽車(chē)在碰撞測(cè)試中的得分已接近國(guó)外高檔車(chē)。汽車(chē)側(cè)面碰撞作為車(chē)禍中的一種重要碰撞形式，其理論研究和技術(shù)的發(fā)展將會(huì)為車(chē)禍中乘員的生命及財(cái)產(chǎn)安全提供有利的保障。

[1] 黃靖.汽車(chē)碰撞過(guò)程中加速度特征對(duì)乘員損傷的影響分析[D].大連理工大學(xué),2009.

[2] 呂恒緒,李向榮,張振鼎. ES-2與SID Ⅱ s側(cè)碰假人頭部傷害指標(biāo)對(duì)比研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2009,(22):25-29. [2017-09-01].

[3] 本刊編輯部,占強(qiáng),楊絮. 假人能代替你嗎?——碰撞試驗(yàn)假人介紹系列之簡(jiǎn)介篇[J].世界汽車(chē),2007,(03):86-89. [2017-09-01].

Research Status and Development of Automobile Side Impact

Cheng Haidong, Tian Guohong, Sun Liguo, Qi Dengke
（School of automobile and traffic engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001）

After discussing the significance of the research on the side impact of the automobile, the paper analyzes the research status and research methods of the side impact of the automobile, and puts forward the development trend of the automobile side impact.

Automobile; side impact; research method

U467.3

A

1671-7988(2017)22-01-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.001

程海東，碩士，就讀于遼寧工業(yè)大學(xué)。研究汽車(chē) CAD/CAE/CAM技術(shù)。

CLC NO.:U467.3

A

1671-7988(2017)22-01-03