夏明輝，徐作文

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（常州）有限公司，江蘇 常州 213166）

1 研究背景

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展和人們生活水平的日益提高，愈來愈多的汽車走向千家萬(wàn)戶，汽車的安全性能越來越受到消費(fèi)者重視。整車被動(dòng)安全性能開發(fā)往往是各大主機(jī)廠整車性能的核心內(nèi)容，如何造就更安全、更環(huán)保、更節(jié)能的好車，從被動(dòng)安全角度來說，重點(diǎn)在于如何提高對(duì)車內(nèi)乘員的保護(hù)能力。本文基于一種簡(jiǎn)化的乘員與車的運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)力學(xué)特性，從整車車身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)及約束系統(tǒng)匹配特性角度闡述乘員胸部加速度傷害值影響因素，為整車被動(dòng)安全性能開發(fā)提供參考依據(jù)。

2 正面碰撞簡(jiǎn)化力學(xué)運(yùn)動(dòng)模型描述

汽車正面碰撞是一個(gè)復(fù)雜的非線性、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大變形過程，涉及汽車和乘員的加速度、速度、位移和碰撞力等動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及能量密度、塑性變形和結(jié)構(gòu)剛度等物理概念。這些物理概念之間的相互關(guān)系構(gòu)成的各種正面碰撞動(dòng)力學(xué)模型被廣泛應(yīng)用于汽車被動(dòng)安全性能分析領(lǐng)域[1-3]。車體B 柱底部加速度波形或整車最大動(dòng)態(tài)壓縮量是整車被動(dòng)安全開發(fā)中一項(xiàng)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，決定約束系統(tǒng)匹配難度，直接反映乘員人體胸部加速度，決定乘員自身的傷害值大小。因此建立一種簡(jiǎn)易的乘員與車物理運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型，研究車體與乘員之間的運(yùn)動(dòng)力學(xué)關(guān)系，為整車車身耐撞性結(jié)構(gòu)研究及約束系統(tǒng)匹配開發(fā)提供重要的指導(dǎo)作用。

在初始碰撞動(dòng)能和整車最大動(dòng)態(tài)壓縮量一定的條件下，矩形加速度波形是對(duì)乘員保護(hù)最有利的一種碰撞波形形式，它代表了一種均勻的能量釋放和吸收過程，避免加速度峰值過于集中。而在實(shí)際碰撞過程中，由于車體結(jié)構(gòu)縱向剛度變化幅度較大，產(chǎn)生的碰撞力是一個(gè)波動(dòng)過程，因此碰撞加速度曲線也不可能是一個(gè)理想的矩形，但是將車體加速度波形近似擬合為等效加速度矩形方波ESW 具有實(shí)際工程分析意義。等效矩形方波ESW 水平越低，乘員胸部最大加速度響應(yīng)就可能越低，因此車體耐撞性設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)追求盡可能低的等效矩形方波[4]。等效加速度方波ESW 曲線如圖1 所示，以時(shí)間軸或位移軸確定的整車碰撞加速度曲線擬合為等效加速度矩形方波。整車碰撞動(dòng)態(tài)壓縮量曲線如圖2 所示，反映出車身壓縮過程中位移與時(shí)間的關(guān)系。

圖1 等效加速度矩形方波ESW 曲線

圖2 整車碰撞動(dòng)態(tài)壓縮量曲線

簡(jiǎn)化乘員與車體力學(xué)運(yùn)動(dòng)模型如圖3 所示，將乘員約束系統(tǒng)和碰撞車進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，分析車體運(yùn)動(dòng)與乘員人體運(yùn)動(dòng)關(guān)系。其中Mv為整車車輛質(zhì)量，M0為車內(nèi)乘員質(zhì)量，xv為車輛碰撞變形量，x0為車內(nèi)乘員運(yùn)動(dòng)位移量，F(xiàn)為車輛所受的碰撞接觸力，K為約束系統(tǒng)匹配剛度，δ為乘員與約束系統(tǒng)之間的間隙量。

圖3 簡(jiǎn)化乘員與車體力學(xué)運(yùn)動(dòng)模型

對(duì)于簡(jiǎn)化乘員與車體力學(xué)運(yùn)動(dòng)耦合模型其他參數(shù)定義如下：x0為車內(nèi)乘員運(yùn)動(dòng)位移量，xv為車輛碰撞變形量，x˙0為乘員運(yùn)動(dòng)速度，x˙v為車體運(yùn)動(dòng)速度，x0˙˙為乘員胸部絕對(duì)加速度，xv˙˙ 為車體減速度，˙x˙0/v為乘員相對(duì)于車體加速度，c為車體最大動(dòng)態(tài)壓縮量，t為碰撞時(shí)間歷程，t*為乘員與約束系統(tǒng)接觸時(shí)間歷程，ω為約束系統(tǒng)角速度頻率，v0為車輛碰撞初始速度，K為約束系統(tǒng)匹配剛度，κ為胸部加速度變化/乘員與車相對(duì)位移變化，aESW為整車加速度波形加速度。

車輛運(yùn)動(dòng)方程：

乘員運(yùn)動(dòng)方程：

其中：

目標(biāo)設(shè)定一如下。

整車碰撞初始條件：整車質(zhì)量Mv=1 368 kg，整車始碰撞速度v0=50 km/h。

整結(jié)構(gòu)最大動(dòng)態(tài)壓縮量分解目標(biāo)：整車結(jié)構(gòu)，c=500 mm。

約束系統(tǒng)匹配性能目標(biāo)：約束系統(tǒng)，約束系統(tǒng)剛度K=0.2 g/mm，約束系統(tǒng)匹配間隙δ=20 mm。

人體胸部加速度最大值42.97g，不滿足設(shè)計(jì)要求。

目標(biāo)設(shè)定二如下。

整車碰撞初始條件：整車質(zhì)量Mv=1 368 kg，整車初始碰撞速度v0=50 km/h。

整車結(jié)構(gòu)最大動(dòng)態(tài)壓縮量分解目標(biāo)：整車結(jié)構(gòu)，c=500 mm。

約束系統(tǒng)匹配性能目標(biāo)：約束系統(tǒng)，約束系統(tǒng)剛度K=0.08 g/mm，約束系統(tǒng)匹配間隙δ=10 mm。

人體胸部加速度最大值40.0g，滿足設(shè)計(jì)要求。

目標(biāo)設(shè)定三如下。

整車碰撞初始條件：整車質(zhì)量Mv=1 368 kg，整車初始碰撞速度v0=50 km/h。

整車結(jié)構(gòu)最大動(dòng)態(tài)壓縮量分解目標(biāo)：整車結(jié)構(gòu)，c=540 mm。

約束系統(tǒng)匹配性能目標(biāo)：約束系統(tǒng)，約束系統(tǒng)剛度K=0.2 g/mm，約束系統(tǒng)匹配間隙δ=20 mm。

人體胸部加速度最大值40.0g，滿足設(shè)計(jì)要求。

約束系統(tǒng)匹配剛度需要足夠小，并且約束系統(tǒng)間隙需要足夠小，才能改善乘員胸部加速度值。滿足這種特性則需要安全帶、汽車座椅等自身性能參數(shù)以及零部件之間的系統(tǒng)匹配特性決定，約束系統(tǒng)匹配剛度愈小，約束系統(tǒng)匹配間隙愈小，則約束系統(tǒng)吸收能量愈好，愈能減少乘員沖擊和乘員胸部加速度。并且由車身結(jié)構(gòu)決定的加速度特性及整車碰撞最大動(dòng)態(tài)壓縮量參數(shù)能充分反映車體的降乘效應(yīng)（“ridе-dоwn”效應(yīng)），若車體降乘效應(yīng)愈好，則車體結(jié)構(gòu)對(duì)能量吸收愈明顯，傳遞至乘員的能量就會(huì)相應(yīng)地減少，反映至乘員胸部加速度則愈低[5-7]。

乘員響應(yīng)取決于2 個(gè)因素：整車加速度波形ESW和乘員約束系統(tǒng)匹配。約束系統(tǒng)自身的剛度及約束系統(tǒng)間隙因素的存在，使得約束系統(tǒng)匹配有自身的限制。假使乘員胸部加速度設(shè)定不超過40g，整車加速度波形加速度aESW必須小于20g，否則約束系統(tǒng)很難匹配滿足乘員胸部加速度目標(biāo)要求。按照整車加速度波形加速度aESW必須小于20g要求，按照C-NCAP 標(biāo)準(zhǔn)100%剛性墻正面碰撞工況要求，由公式可以推算出整車最大動(dòng)態(tài)壓縮量c必須大于492 mm。這里的最大動(dòng)態(tài)壓縮量c＞492 mm 是基于理論范圍的理想結(jié)果，實(shí)際的整車碰撞要想達(dá)到胸部加速度G≤40g，整車在100%剛性墻正面碰撞中的最大動(dòng)態(tài)壓縮量往往要在500 mm 以上。

3 結(jié)論

約束系統(tǒng)匹配剛度愈小，約束系統(tǒng)匹配間隙愈小，則約束系統(tǒng)吸收能量愈好，減少乘員沖擊，有利于乘員胸部加速度減少。車體加速度愈小或整車動(dòng)態(tài)壓縮量愈大，說明車身結(jié)構(gòu)能量吸收效率愈高，車體降乘效應(yīng)愈好，乘員胸部加速度會(huì)相應(yīng)減小，有利于乘員保護(hù)。一個(gè)合理的約束系統(tǒng)匹配特性和一個(gè)良好的車身降乘效應(yīng)更加有利于乘員保護(hù)作用，同時(shí)安全帶預(yù)緊和限力特性也為約束系統(tǒng)開發(fā)提供條件。