肖 龍,李 莉,段大偉,劉優(yōu)寶
《中國統(tǒng)計(jì)年鑒2015》顯示,2014年我國發(fā)生道路交通事故196 812起,死亡人數(shù)58 523人,造成直接經(jīng)濟(jì)損失107 542.9萬元,數(shù)據(jù)顯示目前我國的交通安全問題仍然十分嚴(yán)峻[1]。相關(guān)數(shù)據(jù)表明,正面碰撞為車輛碰撞事故發(fā)生的主要形式,正面碰撞事故中致死率最高的為正面小重疊度偏置碰撞事故(碰撞時(shí)車身與碰撞物的重疊率不大于30%,下面簡稱小重疊碰撞),正面小重疊碰撞死亡事故約占美國正面碰撞死亡事故總數(shù)的22%,約占英國正面碰撞致死事故總數(shù)的27%,致死率遠(yuǎn)高于其他類型的汽車正面碰撞事故[2-3]。以上數(shù)據(jù)表明正面小重疊碰撞事故更接近于真實(shí)的交通碰撞事故,其對(duì)車輛的安全性能要求更高。
2012年8月,美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(insurance institute for highway safety,IIHS)對(duì)美國交通事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,在其新車碰撞安全評(píng)價(jià)規(guī)程(new car assessment program,NCAP)中首次推出了應(yīng)對(duì)車輛正面小重疊碰撞事故的正面25%重疊碰撞測(cè)試規(guī)程,在該協(xié)會(huì)公布的首批11款豪華車型的測(cè)試結(jié)果中,評(píng)估優(yōu)秀率僅為18%[4],說明目前大部分車輛對(duì)該類型的碰撞事故沒有很好的應(yīng)對(duì)能力。迄今為止,針對(duì)車輛正面小重疊碰撞事故的研究尚處于初步階段,如何降低正面小重疊碰撞事故對(duì)乘員的損傷已成為當(dāng)今汽車安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
根據(jù)IIHS關(guān)于車輛正面25%重疊碰撞測(cè)試工況規(guī)定,車輛以64km/h的速度撞擊固定在正前方剛性壁障(壁障高度為1 524mm,前板左端是半徑為150mm、弧度115°的圓弧結(jié)構(gòu)),汽車與壁障的重疊面積為車身寬度的25%,在車輛前排駕駛員位置放置1個(gè)50th HybirdⅢ男性假人,用來測(cè)量駕駛員的損傷[4-5],如圖1所示。
圖1 IIHS正面25%重疊碰撞測(cè)試工況
根據(jù)IIHS關(guān)于正面25%重疊碰撞測(cè)試結(jié)果的評(píng)估規(guī)程規(guī)定,車輛碰撞安全性能的評(píng)估項(xiàng)目包括車體結(jié)構(gòu)、假人損傷值和約束系統(tǒng)/假人運(yùn)動(dòng)學(xué)等3個(gè)方面,通過對(duì)這3個(gè)方面的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到測(cè)試車輛正面25%重疊碰撞的整車安全性能評(píng)估結(jié)果,評(píng)估結(jié)果分:GOOD(優(yōu)秀)、ACCEPTABLE(良好)、MARGINAL(及格)和 POOR(差)4個(gè)等級(jí)。在當(dāng)前的車輛正面25%重疊碰撞實(shí)車試驗(yàn)中,車輛碰撞安全性能評(píng)估結(jié)果主要由車體結(jié)構(gòu)評(píng)估結(jié)果決定,也即車輛的結(jié)構(gòu)耐撞性決定了車輛的碰撞安全性能[6-7]。
測(cè)試車輛的車體結(jié)構(gòu)評(píng)估結(jié)果是通過對(duì)碰撞后車輛乘員艙侵入量的測(cè)量和評(píng)估來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)IIHS的評(píng)估規(guī)程規(guī)定,在測(cè)試車輛乘員艙上下部共選取10個(gè)測(cè)量點(diǎn),上部4個(gè)點(diǎn),下部6個(gè)點(diǎn),測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置、名稱和編號(hào)如圖2和表1所示。評(píng)估時(shí),分別對(duì)乘員艙上下兩部分的侵入量進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量評(píng)估,測(cè)量點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)最多的評(píng)估結(jié)果作為該部分的評(píng)估結(jié)果,取乘員艙上下兩部中較差的一組評(píng)估結(jié)果作為測(cè)試車輛車體結(jié)構(gòu)的評(píng)估結(jié)果,相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)侵入量評(píng)估圖如圖3所示,該結(jié)果也決定了整車的碰撞安全性能評(píng)估結(jié)果[6-7]。
圖2 乘員艙上下部測(cè)量點(diǎn)
表1 測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的編號(hào)和名稱
圖3 測(cè)量點(diǎn)侵入量評(píng)估圖
根據(jù)IIHS正面25%重疊碰撞的測(cè)試規(guī)程規(guī)定,使用有限元軟件HyperMesh建立該工況下的整車碰撞模型,如圖4所示。該整車碰撞模型由剛性壁障模型,豐田Yaris2010轎車模型和剛性地面模型組成。在HyperMesh軟件中對(duì)該整車碰撞模型進(jìn)行相應(yīng)的前處理,把剛性壁障固定在車輛正前方的地面模型上,與車輛的重疊率為車身寬度的25%,壁障前板和整車模型的接觸方式為面面接觸,設(shè)置對(duì)應(yīng)的接觸參數(shù);賦予車輛模型64km/h的初始速度和重力加速度;并對(duì)整體碰撞模型設(shè)置輸出控制參數(shù)和計(jì)算控制參數(shù)。
圖4 正面25%重疊碰撞有限元模型
正面25%重疊碰撞試驗(yàn)中的剛性壁障由垂直鋼板構(gòu)成,壁障前板高度為1 524mm,厚度為38.1mm,寬度為1 000mm;前板最右端(按汽車的方向)是半徑為150mm,弧度為115°的圓弧結(jié)構(gòu)。剛性壁障實(shí)體模型的三視圖和軸測(cè)圖如圖5所示[5]。
本文中使用美國華盛頓喬治大學(xué)(GWU)國家碰撞分析中心(NCAC)發(fā)布的豐田Yaris2010轎車有限元模型,該模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 480 422個(gè),單元總數(shù)為1 514 068個(gè),總質(zhì)量為1 100kg[8]。該模型中的車輪模型由簡化的輪胎和輪輞等部件構(gòu)成,輪胎和輪輞的接觸關(guān)系為固定面面接觸,并在輪胎內(nèi)表面和輪輞外表面構(gòu)成的封閉單元組合處建立輪胎氣囊模型。
圖5 剛性壁障的三視圖和軸測(cè)圖
Yaris2010車型在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)工況下,仿真得到的左側(cè)后排座椅的加速度曲線和實(shí)車碰撞試驗(yàn)得到的左側(cè)后排座椅的加速度曲線基本吻合,曲線對(duì)比如圖6所示;并且仿真碰撞后車體變形與實(shí)車碰撞后車體變形情況基本一致,如圖7所示,說明該車輛有限元模型精度較高,符合碰撞仿真試驗(yàn)要求,可用來進(jìn)行正面25%重疊碰撞仿真試驗(yàn)[8]。
圖6 后排左側(cè)座椅加速度曲線對(duì)比
圖7 實(shí)車碰撞試驗(yàn)與仿真碰撞對(duì)比
由于受到試驗(yàn)條件限制,我國能用于車輛正面小重疊碰撞測(cè)試的實(shí)驗(yàn)室尚未普遍建立起來,目前僅有奇瑞汽車公司在2014年完成了我國首次正面小重疊碰撞實(shí)車試驗(yàn)[9-10],且豐田Yaris2010這款車尚未進(jìn)行過正面25%重疊碰撞實(shí)車試驗(yàn),因此選擇參考IIHS發(fā)布的豐田旗下類似車型Camry2012中型車的正面25%重疊碰撞實(shí)車試驗(yàn)報(bào)告[11],仿真和實(shí)車試驗(yàn)的整車和乘員艙的變形情況,分別如圖8和圖9所示。由圖可見,兩者車體變形情況比較一致,顯示了仿真的可信度。綜合仿真和實(shí)車碰撞結(jié)果總結(jié)出如下特點(diǎn):
(1)車身變形主要集中在左前部,汽車前艙左側(cè)被完全壓潰,乘員艙潰縮嚴(yán)重,如圖8(a)和圖9(a)所示。這些變形導(dǎo)致乘員艙內(nèi)左側(cè)部件向里大幅度侵入,對(duì)駕駛員的頭部、胸部和腿部等造成嚴(yán)重?fù)p傷。
(2)車門變形嚴(yán)重,門檻梁、A柱和與A柱相接的車頂上邊梁處均出現(xiàn)嚴(yán)重彎折、褶皺現(xiàn)象,如圖8(b)和圖9(b)所示,嚴(yán)重壓縮了乘員的生存空間,增大了對(duì)乘員的救援難度。
圖8 正面25%重疊碰撞仿真變形情況
(3)車輛的主要吸能部件左前縱梁由于不在重疊區(qū)域內(nèi),碰撞時(shí)僅繞過壁障圓弧處,出現(xiàn)對(duì)中彎折現(xiàn)象,沒能實(shí)現(xiàn)軸向潰縮吸能作用,如圖8(c)所示。
圖9 實(shí)車正面25%重疊碰撞變形情況
通過分析車輛正面25%重疊碰撞試驗(yàn)過程,與正面40%重疊度偏置碰撞(下面簡稱40%重疊碰撞)相比,兩者之間碰撞力的傳遞方式和能量分流的情況有很大區(qū)別。
(1)力的傳遞特點(diǎn) 在正面40%重疊碰撞測(cè)試中,由碰撞產(chǎn)生的沖擊力主要通過發(fā)動(dòng)機(jī)上邊梁、前縱梁和副車架3條路徑傳遞到乘員艙。但在正面25%重疊碰撞中由于吸能盒、前縱梁等主要吸能部件位于重疊區(qū)域之外,碰撞時(shí)不能有效地起到力的傳遞作用,碰撞力主要通過副車架和左前輪胎兩條路徑傳遞到乘員艙,兩者力的傳遞方式如圖10所示。
(2)能量吸收的特點(diǎn) 由于碰撞時(shí)重疊區(qū)域的減少和壁障材料的改變,導(dǎo)致正面25%重疊碰撞的能量傳遞方式也不同于正面40%重疊碰撞。
正面40%重疊碰撞測(cè)試和正面25%重疊碰撞測(cè)試中的能量傳遞公式分別為
圖10 力的傳遞方式對(duì)比
式中:E0,v0,m分別為測(cè)試車輛的初始動(dòng)能、初始速度和質(zhì)量;E1,E2,E3分別為正面40%重疊碰撞測(cè)試中汽車前艙、乘員艙和可變形壁障受到擠壓變形所吸收的能量;v1為正面40%重疊碰撞測(cè)試后車輛的殘余速度;E1′,E2′分別為正面25%重疊碰撞測(cè)試中汽車前艙、乘員艙受到擠壓變形所吸收的能量;v2為正面25%重疊碰撞測(cè)試后車輛的殘余速度。
兩者能量傳遞的區(qū)別在于碰撞過程中,前者壁障能夠吸收一部分動(dòng)能E3,后者壁障為剛性壁障,不吸收能量;且在正面40%重疊碰撞測(cè)試過程中,汽車前艙吸收的能量E1約占總能量E0的50%[12],遠(yuǎn)大于正面25%重疊碰撞測(cè)試過程中汽車前艙吸收的能量 E1′。
利用HyperView軟件對(duì)該車輛碰撞后的乘員艙上下部選取的測(cè)量點(diǎn)的侵入量進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量點(diǎn)的侵入量評(píng)價(jià)結(jié)果如圖11所示。由圖可見,該車碰撞后乘員艙下部的A柱下鉸鏈和門檻的侵入量評(píng)估結(jié)果為ACCEPTABLE(良好),歇腳板、左側(cè)擱腳區(qū)、制動(dòng)踏板和駐車踏板的侵入量評(píng)估結(jié)果為GOOD(優(yōu)秀),綜合乘員艙下部所有測(cè)量點(diǎn)的評(píng)估結(jié)果,得出該車輛乘員艙下部的評(píng)估結(jié)果為GOOD(優(yōu)秀);乘員艙上部的轉(zhuǎn)向管柱的侵入量評(píng)估結(jié)果為POOR(差),A柱上鉸鏈侵入量評(píng)估結(jié)果為ACCEPTABLE(良好),儀表板上部和左側(cè)儀表板侵入量評(píng)估結(jié)果為MARGINAL(及格),綜合乘員艙上部所有測(cè)量點(diǎn)的評(píng)估結(jié)果,該車輛乘員艙上部評(píng)估結(jié)果為及格MARGINAL(及格);因此綜合乘員艙上下部評(píng)級(jí)得出該車車身評(píng)估結(jié)果為MARGINAL(及格),根據(jù)乘員艙上下部的評(píng)價(jià)結(jié)果可知,乘員艙上部的侵入量過大,下部的侵入量在合理范圍之內(nèi),所以改進(jìn)的重點(diǎn)在于減少乘員艙上部的侵入量,提高乘員艙上部的評(píng)估等級(jí)。
圖11 測(cè)量點(diǎn)侵入量評(píng)估結(jié)果
根據(jù)能量守恒定律對(duì)正面25%重疊碰撞建立數(shù)學(xué)模型,對(duì)本文中的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)給予理論支撐。在碰撞過程中,車輛的初始動(dòng)能轉(zhuǎn)化為汽車前艙、乘員艙通過變形吸收的能量和碰撞后車輛的殘余動(dòng)能,即根據(jù)上一節(jié),正面25%重疊碰撞中的能量傳遞如式(2)所示,其頭兩項(xiàng)可表達(dá)為
而第3項(xiàng)為
式中:vx,vy分別為碰撞后車輛x和y方向的殘余速度;k1和k2分別為車輛前艙和乘員艙的縱向等效剛度;ΔS1為前艙吸能部件軸向變形量;ΔS2為乘員艙的軸向變形量[13]。
通過提高汽車前艙的吸能能力和增強(qiáng)乘員艙的自身剛度這兩條途徑來減小碰撞過程中乘員艙的變形,提高車輛的碰撞安全性能。
(1)改進(jìn)汽車前艙結(jié)構(gòu),提高前艙吸能能力。
根據(jù)上文可知,在初始動(dòng)能不變的情況下,為減少乘員艙吸收的能量,必須增加汽車前艙吸收能量。
在碰撞重疊區(qū)域內(nèi)新增吸能部件,由于上邊梁位于重疊區(qū)域內(nèi),現(xiàn)從上邊梁下端延伸出一條“新縱梁”與前縱梁并行,上端焊接在上邊梁下端,如圖12所示?!靶驴v梁”的材料屬性和前縱梁相同,并在新縱梁前端設(shè)置4個(gè)壓潰槽,引導(dǎo)潰縮吸能。因此把“新縱梁”作為車輛主要吸能部件,從而提高汽車前艙的吸能能力,“新縱梁”部件的三視圖如圖13所示。
圖12 改進(jìn)后車身前端吸能結(jié)構(gòu)
圖13 “新縱梁”部件三視圖
(2)增加橫向傳力通道,使一部分能量轉(zhuǎn)化為側(cè)向動(dòng)能。
在新縱梁和前縱梁之間通過一連接板把兩者焊接起來,如圖14所示。這樣由于連接板的橫向傳力作用,使一部分碰撞力能傳遞到車身右側(cè),轉(zhuǎn)化為車輛側(cè)向動(dòng)能,減少了作用在乘員艙上的能量。
圖14 連接板
(3)增強(qiáng)乘員艙剛度,保證碰撞過程中乘員艙的穩(wěn)定。
采用熱成型鋼材料替換A柱和門檻梁的原材料,材料改進(jìn)前后的屈服強(qiáng)度如表2所示。A柱和門檻梁是構(gòu)成乘員艙的保護(hù)屏障,提高A柱和門檻梁的屈服強(qiáng)度,可以增強(qiáng)乘員艙的剛度,構(gòu)造一個(gè)安全籠式車廂“safety cage”,確保在碰撞過程中乘員艙的穩(wěn)定性[13-14]。
表2 改進(jìn)前后材料屈服強(qiáng)度對(duì)比 MPa
對(duì)比改進(jìn)前后整車和吸能部件的變形情況可以看出,改進(jìn)后該車的整車變形情況較改進(jìn)前有所改善;門檻梁潰縮情況和A柱與車頂上邊梁的彎折與褶皺現(xiàn)象都有較明顯的減弱,如圖15(a)和圖15(b)所示;且該車的主要吸能部件,由延伸后的上邊梁、前縱梁和連接板所構(gòu)成的環(huán)狀吸能結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的潰縮吸能現(xiàn)象,如圖15(c)所示;表明改進(jìn)后車輛前艙吸能能力和乘員艙的穩(wěn)定性都有較大程度的提高。
利用Hyperview軟件對(duì)改進(jìn)后的該車進(jìn)行乘員艙侵入量測(cè)量,10處測(cè)量點(diǎn)的侵入量如圖16所示。
乘員艙下部的6處測(cè)量點(diǎn)的侵入量評(píng)估結(jié)果均為GOOD(優(yōu)秀),說明該車乘員艙下部整體評(píng)估結(jié)果為GOOD(優(yōu)秀);乘員艙上部的A柱上鉸鏈評(píng)估結(jié)果為GOOD(優(yōu)秀),轉(zhuǎn)向管柱、儀表板上部和左側(cè)儀表板的評(píng)估結(jié)果均為ACCEPTABLE(良好),所以乘員艙上部整體評(píng)估結(jié)果為ACCEPTABLE(良好),綜合乘員艙上下部評(píng)估結(jié)果得出改進(jìn)后該車的車體結(jié)構(gòu)評(píng)估結(jié)果為ACCEPTABLE(良好),較改進(jìn)前的評(píng)估結(jié)果提升了一個(gè)等級(jí)。
改進(jìn)前后10處測(cè)量點(diǎn)的侵入量對(duì)比見表3。改進(jìn)前評(píng)估結(jié)果為GOOD(優(yōu)秀)的有4處;改進(jìn)后評(píng)估結(jié)果為GOOD(優(yōu)秀)的有7處,評(píng)估結(jié)果提高一個(gè)等級(jí)的有5處,提高兩個(gè)等級(jí)的有1處,持平的有4處。說明改進(jìn)后,車輛在正面25%重疊碰撞測(cè)試中的侵入量明顯下降,保證了乘員的生存空間,車輛的結(jié)構(gòu)耐撞性得到了明顯提高,對(duì)乘員的保護(hù)能力增強(qiáng)。
圖15 改進(jìn)后變形情況
圖16 改進(jìn)后測(cè)量點(diǎn)侵入量評(píng)估結(jié)果
表3 改進(jìn)前后各測(cè)量點(diǎn)的侵入量對(duì)比
闡述了車輛正面小重疊碰撞的研究意義和現(xiàn)狀,根據(jù)IIHS公布的正面25%重疊碰撞測(cè)試規(guī)程對(duì)某車型進(jìn)行了仿真,并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料改進(jìn)兩條途徑對(duì)該車進(jìn)行重疊。重疊結(jié)果表明,該車車身結(jié)構(gòu)的評(píng)估等級(jí)得到提升,證明重疊效果良好?,F(xiàn)根據(jù)本文的研究內(nèi)容得出以下結(jié)論。
(1)根據(jù)IIHS官方早期公布的測(cè)試評(píng)估數(shù)據(jù)顯示,車輛在正面25%重疊碰撞測(cè)試試驗(yàn)的通過率遠(yuǎn)低于其余兩種正面碰撞測(cè)試試驗(yàn)[15],說明大部分車輛的車身結(jié)構(gòu)未能應(yīng)對(duì)正面小重疊碰撞事故,如何合理布局車輛吸能部件,使車身結(jié)構(gòu)能應(yīng)對(duì)各類正面碰撞事故,將成為今后車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。
(2)正面小重疊碰撞事故會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的側(cè)偏現(xiàn)象,容易使乘員頭部與車門及A和B柱發(fā)生碰撞,這對(duì)車輛安全氣囊的起爆時(shí)間和覆蓋范圍的要求更為嚴(yán)格。
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