劉戰(zhàn)勝，蔣成約，王 珂，劉博勛，陳 坤

(重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400454)

在交通事故中，雖然汽車翻滾碰撞發(fā)生的比例較低，但其死亡率、致傷率相當(dāng)高(如圖1所示)。據(jù)美國交通事故分析報(bào)告統(tǒng)計(jì)，在美國，翻滾事故所占比例雖然只有2.4%[1]，但死亡人數(shù)卻達(dá)到了33%。在歐洲，汽車翻滾事故所占比例為5%，其造成的死亡人數(shù)卻達(dá)到了20%[2]。2014年，我國單車翻滾事故占交通事故總數(shù)的2.67%，但翻滾事故造成的死亡人數(shù)卻占總數(shù)的5.62%[3]。因此研究汽車翻滾碰撞具有重要的社會(huì)意義。

圖1 汽車翻滾事故數(shù)占比及死亡人數(shù)比例

相對(duì)于汽車正面碰撞、側(cè)面碰撞、偏置碰撞等其他形式的碰撞過程，汽車翻滾碰撞過程更加復(fù)雜，采用試驗(yàn)重現(xiàn)的難度更大。在車輛翻滾事故研究中，汽車翻滾仿真方法是研究的一個(gè)重點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]運(yùn)用MADYMO模擬了側(cè)面路緣絆翻試驗(yàn)和螺旋翻滾試驗(yàn)等,模擬結(jié)果顯示仿真與試驗(yàn)的相關(guān)性較好。 HU等[5-7]運(yùn)用LS-Dyna軟件建立汽車的喬丹翻滾試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、某SUV絆翻試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蚐AEJ2114臺(tái)車翻滾試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模擬了汽車動(dòng)態(tài)翻滾過程的車身變形，并基于該模型研究了THUMS假人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但由于受到網(wǎng)格數(shù)量的影響，其模型運(yùn)算時(shí)間較長。

過去的幾年中，MADYMO被廣泛應(yīng)用于事故再現(xiàn)的仿真研究中。尹志勇等[8]運(yùn)用多剛體動(dòng)力學(xué)軟件MADYMO對(duì)事故過程進(jìn)行重建，分析了事故中摩托車駕駛員頭部的損傷。葉文龍等[9]利用PC-Crash軟件重建事故的整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并結(jié)合MADYMO軟件建立車內(nèi)環(huán)境和乘員約束系統(tǒng)，準(zhǔn)確模擬了乘員在事故過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。陳奇等[10]通過3種方法模擬再現(xiàn)了人車事故，結(jié)果表明：基于MADYMO軟件的人車事故建?？梢暂^好地再現(xiàn)案例中的損傷結(jié)果。

MADYMO的多剛體模型能高效模擬翻滾工況下約束系統(tǒng)的匹配和乘員的損傷，相對(duì)于有限元仿真而言，其運(yùn)行速度更快，計(jì)算效率更高。而采用多剛體和有限元耦合建模的方法綜合考慮了兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，本文正是采用多剛體有限元耦合的建模方法來研究汽車翻滾事故的再現(xiàn)。

1 汽車翻滾事故案例分析

本文根據(jù)某汽車翻滾事故案例開展多剛體有限元耦合建模方法研究。翻滾事故案例來自于National Automotive Sampling System Crashworthiness Data System(NASS CDS) 數(shù)據(jù)庫[11],事故編號(hào)162006327，事故場景如圖2所示。駕駛員為了避免道路中間的障礙物逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，使汽車前部與路中隔離帶發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致車輛的翻滾，車輛翻滾1/2周，最終位置與水平線呈40°夾角。通過車輛翻滾的距離和翻滾的圈數(shù)來預(yù)估開始碰撞時(shí)刻的初始速度和碰撞角度。翻滾時(shí)刻汽車的初始速度為35～40 km/h[12]。

圖2 汽車翻滾事故場景

2 汽車翻滾耦合模型搭建

耦合即采用兩種不同單元類型的模型一起運(yùn)算，并在兩者之間交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞與共享。在耦合翻滾模型搭建時(shí)，調(diào)用SUPPORT命令將多剛體部件和有限元部件關(guān)聯(lián)，然后通過MADYMO軟件進(jìn)行求解。

基于某次翻滾事故開展翻滾耦合模型的搭建工作。在建模過程中，整車各個(gè)子系統(tǒng)的建立均以實(shí)際有限元模型為基礎(chǔ)。在模型搭建過程中，對(duì)汽車的輪胎和懸架進(jìn)行了細(xì)致的建模，對(duì)所建立的懸架系統(tǒng)模型與對(duì)應(yīng)的懸架試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)標(biāo)驗(yàn)證，且對(duì)有限元輪胎模型的徑向剛度特性進(jìn)行了驗(yàn)證。然后對(duì)安全帶、座椅進(jìn)行了簡化建模，通過對(duì)各個(gè)子模型的組合建立了事故工況的有限元多剛體耦合翻滾模型。

2.1 整車模型的搭建

本文整車部分有限元網(wǎng)格引用美國國家碰撞中心(National Crash Analysis Centre)NCAC的Taurus 有限元模型[13]，如圖3所示。

圖3 車輛的有限元模型

為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，刪除發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、車橋、車窗玻璃等部件，并用集中質(zhì)量剛體代替這部分質(zhì)量，只保留了車身的相關(guān)部件。在進(jìn)行車體多剛體部分建模時(shí)，首先定義車體的全局坐標(biāo)系，后續(xù)模型的搭建都參照此坐標(biāo)系，例如懸架、輪胎、座椅、車門、假人模型等。方向盤部件參照有限元模型進(jìn)行建模，其形狀用多個(gè)橢球體表示。汽車底盤的簡化模型也采用橢球體搭建，各個(gè)橢球體之間通過鉸鏈進(jìn)行連接，鉸鏈類型的選擇參照車體有限元模型之間的連接，其橢球體的特性、位置、方向均根據(jù)有限元模型而定。圖4為車體的多剛體模型。

圖4 車體的多剛體模型

2.2 輪胎的有限元建模

在汽車有限元輪胎模型的搭建過程中，通過SUPPORT關(guān)鍵字使輪胎模型與懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。該有限元輪胎的網(wǎng)格從整車模型中提取，輪胎胎面、胎肩、輪輞定義成不同的PART,其材料、屬性等參數(shù)的設(shè)定也各不相同，例如輪輞采用剛性材料，其他部分則采用彈性的橡膠材料模擬。輪胎的充氣模型為均壓法氣囊充氣模型，使其更具有真實(shí)性[15]。

輪胎的徑向剛度是輪胎承載能力和傳遞載荷能力的體現(xiàn)，也是輪胎重要特性之一。輪胎與地面的接觸力是影響汽車翻滾形態(tài)的重要因素之一。在翻滾過程中，輪胎的載荷變化非常大，有限元輪胎模型的剛度特性直接影響翻滾過程中輪胎的變形量，從而影響汽車的翻滾狀態(tài)。本文采用與原車類型、尺寸相同的輪胎進(jìn)行輪胎特性的測試，試驗(yàn)測得的輪胎徑向剛度特性數(shù)據(jù)將應(yīng)用在輪胎與地面的接觸仿真中。試驗(yàn)設(shè)備如圖5所示。

圖5 輪胎特性試驗(yàn)設(shè)備

為了進(jìn)一步研究該有限元輪胎模型的徑向剛度特性，基于該試驗(yàn)搭建了仿真模型。在仿真中，固定輪胎的輪輞部分，測試平臺(tái)以恒定的速度擠壓輪胎，設(shè)置并輸出輪胎的壓縮量以及接觸力。輪胎徑向剛度特性曲線如圖6所示。由圖6可知：整個(gè)仿真階段輪胎的徑向載荷和徑向位移成線性關(guān)系。同時(shí)也可以看出仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好。

圖6 試驗(yàn)仿真結(jié)果比對(duì)

2.3 簡化懸架的建模

本文基于MADYMO軟件進(jìn)行懸架系統(tǒng)的簡化建模，建模的關(guān)鍵是進(jìn)行減震器的阻尼效應(yīng)和減震彈簧的等效替代。采用剛體、鉸鏈、鉸等基本單元進(jìn)行模型的搭建。剛體可以定義其質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩和慣性積。剛體的位置參考整車坐標(biāo)系定義，而具體的定位則參考整車有限元模型確定。懸架模型采用閉環(huán)鉸鏈建立，其中采用滑移鉸來模擬懸架的上下運(yùn)動(dòng),而懸架彈簧的剛度特性、減震器的阻尼效應(yīng)采用鉸的約束特性來模擬?；沏q的約束特性為約束力和移動(dòng)位移的曲線，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸的約束特性為轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和鉸約束力的曲線，懸架系統(tǒng)的特性數(shù)據(jù)直接從原車模型中調(diào)用[14]。

在建模過程中，為了降低模型的復(fù)雜程度做了一些簡化處理，例如采用兩個(gè)圓柱面來代替減震器的外觀，懸架中襯套的特性采用鉸的約束特性模擬等。本研究中車輛前懸架為麥弗遜式懸架，包括減震器、減震彈簧和下控制臂等，前懸架的多剛體模型如圖7所示。

為了驗(yàn)證所建多剛體懸架模型的有效性，主要驗(yàn)證懸架的剛度特性?；陬愃茟壹艿腒C特性，車身被約束在試驗(yàn)臺(tái)上，每個(gè)車輪下方都有一個(gè)6自由度的測試平臺(tái)，每一個(gè)測試平臺(tái)都可以獨(dú)立完成各個(gè)指標(biāo)的測試。

圖7 前懸架多剛體模型

在進(jìn)行懸架有效性驗(yàn)證時(shí)，采用車輪同向跳動(dòng)試驗(yàn)來驗(yàn)證該簡化懸架的有效性?；趹壹躃C特性試驗(yàn)臺(tái)的工作原理，建立一個(gè)簡化的仿真平臺(tái)模擬試驗(yàn)臺(tái)對(duì)懸架系統(tǒng)的垂向加載。該方法采用固定鉸將車體模型固定在參考空間內(nèi)，采用滑移鉸使測試平臺(tái)平面與參考空間相連，通過定義滑移鉸的運(yùn)動(dòng)函數(shù)來對(duì)輪胎進(jìn)行加載。定義輪胎與剛體平面的接觸并調(diào)用輪胎的接觸特性，通過仿真輸出輪胎接觸力和輪胎的垂向位移。仿真數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)如圖8所示，可見仿真和測試曲線擬合程度較好，從而驗(yàn)證了多剛體懸架的有效性。

圖8 試驗(yàn)仿真結(jié)果比對(duì)

2.4 整車耦合模型的建立

在本次汽車翻滾事故中，汽車前端與道路中間隔離壁障發(fā)生碰撞并產(chǎn)生變形，車頂與地面接觸產(chǎn)生變形，但變形量不大。在MADYMO中建立耦合的汽車翻滾模型時(shí)，對(duì)于多剛體底盤部件和有限元車身部件，通過定義SUPPORT將其有限元模型與多剛體模型聯(lián)系起來，并通過調(diào)整有限元模型相對(duì)于剛體的空間坐標(biāo)來完成模型的空間定位。

座椅采用多剛體建模，座椅各個(gè)剛體的位置參考有限元模型的位置確定，采用固定鉸鏈JOINT_BRAC與整車參考坐標(biāo)相連。座椅的各個(gè)主要部件由橢球體搭建，將座椅的靠背、頭枕、坐墊、側(cè)翼都模擬出來。座椅的側(cè)翼形狀會(huì)影響汽車翻滾過程中假人的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，因此要對(duì)座椅的側(cè)翼進(jìn)行如實(shí)的建模。

安全帶主要有卷收器、D環(huán)、帶扣、下錨點(diǎn)等。本文所建立的安全帶模型采用有限元-多體安全帶進(jìn)行模擬，它能真實(shí)地反映汽車安全帶的特性。對(duì)于多體安全帶模擬卷收器的卷收動(dòng)作和滑環(huán)的摩擦效應(yīng)，可以定義安全帶的初始預(yù)緊和松弛，有限元安全帶可以模擬在假人軀干的相對(duì)滑動(dòng)。在建模過程中，調(diào)用Belt Fitting 命令可以設(shè)置安全帶的寬度、長度和空間位置等。

前排乘員采用HybridⅢ50百分位男性假人模擬，假人從MADYMO軟件假人庫里直接調(diào)用，通過INITIAL.JOINT_POS命令調(diào)整假人H點(diǎn)坐標(biāo)和鉸的初始狀態(tài)，使假人在車體環(huán)境中處于恰當(dāng)?shù)奈恢?，且假人均佩戴安全帶。汽車儀表板的有限元網(wǎng)格來自于整車模型，并賦予其材料、屬性參數(shù)。車輛的質(zhì)心用自由鉸(JOINT.FREE)定義，乘員艙的建模如圖9(a)所示。

根據(jù)本次事故的碰撞形式建立汽車翻滾的外部環(huán)境，主要包括道路中間隔離帶和地面模型。地面模型和中間壁障模型均采用SURFACE.PLANE 進(jìn)行建模，完整的多剛體有限元耦合模型如圖9(b)所示。

本文采用的接觸方法有：剛體與剛體接觸,如假人與座椅的接觸；剛體與有限元接觸，如儀表板與假人的接觸；輪胎模型和地面的接觸；車體前端與中間壁障的接觸；車身與地面的接觸等。

基于對(duì)該事故的分析進(jìn)行邊界條件的加載，并對(duì)模型進(jìn)行檢查。定義計(jì)算終止時(shí)間為2.0 s。最后提交MADYMO進(jìn)行計(jì)算，總的仿真時(shí)間大約為 7 h。

圖9 乘員艙模型和整車耦合模型

2.5 汽車翻滾事故仿真結(jié)果

本次仿真再現(xiàn)了汽車由于正面碰撞導(dǎo)致的翻滾事故，仿真過程和實(shí)際事故中車輛翻滾軌跡如圖10所示。圖10(a)為翻滾事故中汽車翻滾的形態(tài)，圖10(b)為仿真中車輛翻滾的狀態(tài)。

圖10 翻滾事故軌跡和翻滾仿真軌跡

由仿真結(jié)果與事故報(bào)告的對(duì)比可知：仿真中車體的運(yùn)動(dòng)軌跡和事故記錄保持較好的一致性。車體整體滑移的距離為6.5 m，略小于實(shí)際汽車翻滾事故中的翻滾距離，車體的最終位置與水平方向呈60°左右，略大于事故報(bào)告中車體的位置。這是由于仿真中輪胎與地面的接觸和實(shí)際事故中接觸有所差異，且仿真中事故車輛的初始速度的估計(jì)和事故有一定偏差，但整體的仿真結(jié)果具有較好的相似性。

從事故場景可知：車體前端產(chǎn)生變形。仿真中車體前端采用有限元法模擬了變形情況，結(jié)果如圖11所示，仿真中車體前端變形量為105 mm。

圖11 車體前端變形的對(duì)比

本次仿真從車輛與道路中央的隔離壁障的接觸開始，車輛相對(duì)于壁障的角度已定，仿真結(jié)果中車輛前部的壓縮變形為105 mm。通過車輛位移和車體變形的對(duì)比可知：該多剛體有限元耦合模型基本能反映車輛翻滾中的車體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，可以再現(xiàn)車輛的損壞情況。

3 安全氣囊影響評(píng)價(jià)

在本次翻滾事故中，由于使用了安全帶乘員并沒有被甩出車外。為了進(jìn)一步研究本次事故案例中乘員的保護(hù)措施，根據(jù)現(xiàn)有的駕駛員側(cè)安全氣囊數(shù)據(jù)建立了安全氣囊(DAB)模型。通過仿真計(jì)算，對(duì)比分析了在有無安全氣囊的不同約束條件下乘員的損傷。

本文采用均壓法建立所需的氣囊模型，該方法具有計(jì)算效率高、模型穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，在建模過程中通過定義氣囊氣體發(fā)生器的質(zhì)量流速特性曲線和溫度特性曲線來描述氣體發(fā)生器的充氣特性。本文建立氣囊的主要目的是研究在翻滾過程中安全氣囊正常展開對(duì)乘員的保護(hù)效果，因此根據(jù)已有的安全氣囊數(shù)據(jù)建立仿真模型即可。但在實(shí)際的工程應(yīng)用當(dāng)中，大部分車輛都進(jìn)行了安全氣囊的匹配，其對(duì)乘員保護(hù)的效果更好。安全氣囊的建模一般流程如圖12所示。

圖12 氣囊建模的流程

目前，國內(nèi)外關(guān)于汽車翻滾的法規(guī)相對(duì)較少，與其相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)更是缺少。汽車正面碰撞、側(cè)面碰撞的假人傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于車輛翻滾的乘員傷害的評(píng)價(jià)具有一定的參考意義，而翻滾中乘員受傷較多的部位為頭部、頸部和胸部，具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：采用頭部加速度、胸部壓縮量傷害指標(biāo)來評(píng)價(jià)乘員的損傷。本文基于事故再現(xiàn)仿真模型，從仿真結(jié)果中讀取損傷曲線，并對(duì)有無安全氣囊工況下的損傷曲線進(jìn)行對(duì)比，其中頭部損傷曲線(頭部加速度)如圖13所示。

圖13 頭部加速度的比對(duì)

由損傷曲線可知：在配置了駕駛側(cè)安全氣囊的情況下，乘員頭部的合成加速度最大值降低了192 m/s2，頭部HIC值下降了28%?？梢姲踩珰饽椅樟顺藛T頭部的動(dòng)能，緩和了頭部在碰撞過程中的沖擊，對(duì)假人頭部起到了很好的保護(hù)作用。

在分析安全氣囊在事故再現(xiàn)仿真中對(duì)乘員胸部的保護(hù)效果時(shí)，采用胸部壓縮量來評(píng)價(jià)胸部的損傷情況。不同約束條件下胸部壓縮量的對(duì)比如圖14所示。

仿真初始階段，在配置安全氣囊的情況下，人體模型的胸部壓縮量略大于未配置安全氣囊的情況，這是由假人與安全氣囊的過早接觸引起的。在接觸時(shí)，氣囊還處于充氣階段，較大的接觸剛度是導(dǎo)致假人模型胸部壓縮量產(chǎn)生的主要原因。

本次事故是車輛呈一定角度與道路壁障碰撞后發(fā)生的翻滾事故，在安全帶的束縛作用下乘員得到了較好的保護(hù)，且駕駛員側(cè)安全氣囊的使用進(jìn)一步降低了翻滾過程中乘員的損傷。

圖14 胸部壓縮量的對(duì)比

4 結(jié)束語

本文根據(jù)實(shí)際翻滾事故的場景，采用MADYMO軟件搭建了適用于整車翻滾的多剛體和有限元耦合翻滾模型，其中輪胎及懸架的模型通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到初步驗(yàn)證?；谏鲜鲴詈戏抡娣椒ㄔ佻F(xiàn)了某車輛翻滾事故。通過比對(duì)交通事故信息與模擬仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，仿真中車輛在道路平面上的滑動(dòng)距離為6.5 m,與實(shí)際事故翻滾距離大體一致,能基本模擬事故車的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)車輛前端變形模式與事故車基本一致，因而在翻滾事故再現(xiàn)中采用多剛體與有限元耦合的仿真分析方法有較好的適用性。此外，本文基于該事故仿真模型分析了碰撞過程中安全氣囊對(duì)乘員的保護(hù)效果，結(jié)果顯示：引入安全氣囊后假人頭部合成加速度及HIC等指標(biāo)得到了改善。

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