汽车侧面碰撞试验方法的分析

汽车侧面碰撞试验方法的分析

李珏朱永川

安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心安徽省合肥市230000

摘要：对交通事故的分析表明，大约40%的事故是车辆侧面碰撞，30%至40%的事故造成死亡或重伤。因此，在20世纪80年代初，汽车工业发达国家开始了汽车侧向碰撞的实验研究，并开始制定相应的法规。二十世纪八十年代末，我国也开始研究汽车被动安全问题。在碰撞数据采集和处理方面积累了一些经验，对真实车辆的模拟碰撞试验和正面碰撞进行了实验研究。然而，汽车侧向碰撞试验的研究还处于起步阶段。

关键词：侧面碰撞；试验设计；结构改进

引言

为了提高侧向碰撞中乘员的防护水平，可以对侧向结构和约束进行研究。近年来，国内外许多学者在仿真分析的基础上对侧向碰撞结构的设计进行了改进，取得了良好的实际效果。正交试验设计是研究多因素、多层次问题的主要设计方法。基于正交特性的综合测试中选择一些具有代表性的测试点，是一种高效、快速、经济的测试设计方法。侧向碰撞的安全设计涉及到许多结构因素，试验设计适合使用。

1原车结构碰撞性能分析

从碰撞试验和仿真分析可以看出，该轿车侧面结构各部分刚度匹配基本合理，但部分传递路径存在缺陷，主要有以下几点。

(1)B柱中间部位变形过大车门B柱变形中间部位没有出现明显的弯曲，但向内的变形依然过大，这对假人胸部保护效果有不利影响。

(2)车顶横梁和B柱连接部位变形较大车顶横梁是侧面碰撞能量传递的主要路径之一，目前碰撞过程中车顶横梁在与B柱连接部位出现明显的弯曲变形：

(3)车辆门槛部位变形较早较大在侧撞过程中，车辆门槛部位强度偏弱，较早出现了较大变形．未能有效吸收和传递碰撞能量。

2整车模型的建立

整车模型的建立以白车身CAD三维数模为基础，加上发动机、悬架、车轮和座椅模型，按一定标准划分网格后，组成用于侧面碰撞的整车模型。

(1)整车模型有1663个部件，1002619个节点，990847个单元。整车模型的最小单元尺寸为5mm，以控制整个计算过程中的最小时间步长。每个单元的边长、翘曲度和扭曲度都控制在合理范围内。

(2)根据车身以薄钢板冲压零部件为主的特点，整个车身采用壳单元建模。车身采用的材料主要为拉延性能较好的低碳钢薄钢板，采用分段线性塑陛材料模型模拟。该模型需要定义材料的密度、弹性模量、泊松比、屈服强度和应力一应变曲线。由于低碳钢材料在冲击载荷作用下，其应力一应变的关系不仅与材料的本身性质有关，还与加载的时间历程密切相关。

(3)整车各零部件通过焊接、铰接以及刚性连接等多种方式进行连接。动力总成可简化为刚体。座椅的位置根据座椅H点坐标确定。另外，为了模拟实车的质量分布，在模型中增加了质量节点，这些质量节点按照安装位置均匀分布在部件上。

(4)定义会发生变形的零部件的单面接触——自接触，以及相互连接的零部件面与面的接触或者是相应节点对面的接触。这里所采用的接触算法是罚函数法，罚函数法的基本原理是：在每一个时间步首先检查各从节点是否穿透主面，如没有穿透不作任何处理；如果穿透，则在该从节点与被穿透主面问引入一个较大的界面接触力，其大小与穿透深度和主面的刚度成正比，接触力称为罚函数值。“对称罚函数法”则是同时对每个主节点也作类似上述处理，该法由于具有对称性、动量守恒准确，不需要碰撞和释放条件，因此很少引起Hourglass效应，噪声小。

3移动变形壁障模型的建立

移动变形壁障模型是进行侧面碰撞仿真的基本工具。移动变形壁障由移动台车和吸能块两部分组成。法规对移动台车和吸能块的外形尺寸、吸能块离地间隙和变形特征、整个壁障的质量和质心位置都有具体要求，根据以上要求，建立了移动变新壁障模型。同时，按照法规对移动变形壁障动态验证试验的要求，对模型进行试验仿真，验证了移动变形壁障模型的正确性。

4整个侧面碰撞模型的建立

具备了整车和移动变形壁障模型之后，按实车试验要求确定两者问的位置关系，定义相互间的接触。移动变形壁障的对称中垂面要求与撞击基准面(过R点的车身截面)重合，移动变形壁障与撞击侧车身距离为20mm，移动变形壁障的初始速度定义为50km／h。

5汽车侧面碰撞试验方法

5.1实车擅车试验法

实车碰撞试验主要用来对已开发出的成品车型进行按法规要求的试验，以鉴定是否达到法规要求。在实车撞车试验中又有固定壁障撞车试验、移动壁障撞车试验、翻车试验和车对车撞车试验等方法。其中移动壁障(MDB)撞车试验是一种使试验车静止,用移动壁障撞击车辆的试验方法。侧面碰撞以及追尾车辆在进行安全性评价时通常采用此种试验方法。

实车碰撞试验与事故情况最为接近,是综合评价车辆安全性能(尤其在法规检验时)的最基本方法。同时，实车碰撞试验的准备工作比较复杂，而且费用较高，对设备的要求很高。

5.2台车及试验台冲击试验法

这两种试验都是对实车撞车试验的模拟。台车试验是用一个比较坚固的台车代替汽车，无需破坏真实汽车,用于乘员保护装置的性能评价和零部位的耐惯性力的一种试验,其原因是利用可调机构(如缓冲器、程序器活塞针阀等)使台车获得可重复的、接近于实车碰撞的减速波形。试验台冲击试验是对车辆的某一部位进行冲击,评价其抗冲击性能。

台车及试验台冲击试验可以比较清晰地反映零部件在碰撞过中的能量吸收,载荷分布以及结构抗撞、冲击变形等特性,可以模拟较宽范围内的碰撞实况。但是试验参数(如冲击头的速度、加速度等)的确定较复杂,在试验中难以考虑汽车侧围结构及其内饰面与作用到乘员身上的载荷之间的相互关系。

5.3高速平面墙碰撞试验

该项试验除将撞击速度提高到50km／h外，其他与法规认证试验相同。为了补偿因速度提高而增加的能量，在吸能块后部增加了能量吸收元件。对该元件的要求为：刚度一致且至少为吸能块最大刚度的2倍；厚度至少为300mm，而且在碰撞开始时不应影响吸能块的变形。该试验的目的是与法规认证试验进行比较，研究吸能块对车速变化的敏感程度。该试验能较好地再现实车碰撞时的起始惯性碰撞刚度。

5.4柱碰撞试验

柱碰撞试验包括中间柱碰撞试验和偏置柱碰撞试验。试验是用代表实际车辆头部刚度的吸能块与柱状障碍物相撞，研究吸能块对碰撞位置的敏感性。虽然在碰撞开始时，吸能块的外边缘没有直接受载荷作用，但柱碰撞试验对检验吸能块的制造质量是非常有利的。

5.5刚性有角度墙碰撞试验

刚性有角度墙碰撞试验时的碰撞车速为35km／h。测力墙与认证试验的墙相似，只是在适当的位置增加了刚性元件并与墙表面呈一定的角度。该试验的目的是，检验在给定条件下吸能块在纵向受压缩的同时，遭受外部的剪切力和弯力后的动态特性。

5.5.1边缘加载刚性墙碰撞试验

该试验在测力墙前表面增加了刚性的楔形块，使测力墙的外表面成为由3个平面组成的槽形。在刚性楔形块表面覆盖了一层铝板，在铝板外面还覆盖一层10mm厚的木板以减少滑移。该试验能使吸能块的每一部分蜂窝铝产生各自不同的变形，其最终的变形轮廓代表了某型汽车碰撞后的变形。与汽车碰撞试验不同之处在于，汽车碰撞试验时的吸能块是从碰撞点开始加载的，而该试验首先受到载荷作用的是吸能块的外部边缘。

5.5.2栏板加载刚性墙试验

该试验是模拟移动变形壁障与汽车刚性栏板相撞的情况。在测力墙单元前表面添加了一排刚性楔形块，吸能块被倒置安装在台车前部，以确保吸能块保险杠部分撞击模拟栏板，并可防止在碰撞时移动变形壁障卡在楔形块上。

结束语

我国的汽车工业特别是轿车工业,经过这些年的努力,已从完全引进发展到了联合开发的阶段。要开发适合我国公路交通实情的轿车,必须掌握车辆在各种工况下的特性数据,而这些数据大多数需要通过试验得出,这就要求我们进行大量试验。根据我国的经济实力和技术水平,目前应大力发展汽车的零部件试验和混合试验,如福特公司和大众公司在轿车开发中大量采用零部件试验和混合试验以提高轿车的侧面抗撞性能。我国的各大轿车公司都应建立自己的碰撞试验室,加强轿车的碰撞零部件试验和混合试验,以提高我国的轿车开发能力。

参考文献：

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[2]周军,沈海东.汽车侧面碰撞中影响假人性能指标的因素及改进[J].汽车技术.2016(S1)

[3]颜燕,张龙,朱西产.汽车侧面碰撞法规的研究与分析[J].上海汽车.2015(12)