汽車模擬碰撞試驗裝置設計及仿真驗證*

都雪靜，王東升，裴玉龍，王占宇

(東北林業(yè)大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

汽車模擬碰撞試驗裝置設計及仿真驗證*

都雪靜，王東升，裴玉龍，王占宇

(東北林業(yè)大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為研究交通事故中車載群體散落物的分布特征，在參照國內(nèi)外汽車碰撞試驗臺的基礎上，設計了汽車模擬碰撞試驗裝置。根據(jù)模擬碰撞試驗裝置中碰撞速度的要求，對三相異步電機的選取和牽引繩的強度進行了計算，并用ANSYS/LS-DYNA軟件對整個模擬碰撞試驗裝置進行仿真。結果表明：該試驗裝置可以使試驗車在一定的距離內(nèi)加速到規(guī)定的碰撞速度，能夠模擬汽車低速下的正面碰撞，并滿足有關國家法規(guī)的要求。試驗車具有足夠的強度，可以重復使用。

車輛工程；汽車碰撞；群體散落物；分布特征；仿真驗證

目前我國正處于經(jīng)濟高速發(fā)展時期，道路交通事故發(fā)生頻繁，往往造成大量的民事糾紛和刑事糾紛[1]。在道路交通事故再現(xiàn)過程中，碰撞速度是最關鍵的因素[2]，在實際交通事故鑒定中，事故處理人員通常依據(jù)輪胎制動痕跡來計算事故汽車碰撞速度，進而再現(xiàn)車輛的運動狀態(tài)和碰撞位置，查出事故發(fā)生的原因，劃分事故責任[3-4]。目前，大部分車輛裝備有 ABS、ESP、TCS、EBD 等系統(tǒng)，導致車輛在事故發(fā)生后，現(xiàn)場路面輪胎印跡經(jīng)常難以識別或無印跡，致使通過輪胎印記進行汽車碰撞速度的求解方法受限。

道路交通事故現(xiàn)場通常會留有大量的散落物，這些散落物是汽車碰撞瞬間產(chǎn)生的，具有汽車碰撞瞬間相同的速度，因此一些學者開始著重研究散落物分布特征和汽車碰撞速度的關系[5]。散落物分布特征的研究方法主要有實車碰撞試驗和計算機仿真兩大類。實車碰撞試驗可以較好的模擬實際交通事故，得到散落物的分布特征和碰撞車速的關系，但是實車碰撞試驗是破壞性試驗，需要較大的試驗場地和較高的試驗成本。隨著計算機技術的發(fā)展，利用計算機仿真技術，尋求汽車碰撞后散落物的分布特征成為了一種新的研究方法。汽車碰撞計算機仿真的試驗方法操作簡單，成本較低，但是實際交通事故中有許多不確定因素，仿真結果和實際有一定的差距。因此，在研究過程中，仿真結果必須和實車碰撞試驗得到的結果相互驗證。

我國貨車的主要用途是運輸貨物。為賺取更大的運輸利潤，大多數(shù)貨車在運輸過程中均處于超載狀態(tài)，駕駛員經(jīng)常疲勞駕駛，極易導致嚴重的交通事故[6]。在研究車載群體散落物的分布狀態(tài)與碰撞車速的關系時，由于群體散落物的分布具有不確定性，需要多次重復試驗才能找出其規(guī)律。如果采用實車碰撞試驗，需要成本太高，并且浪費資源。

因此筆者以貨車為研究對象，根據(jù)貨車的碰撞特性以及國內(nèi)外汽車碰撞試驗臺設計標準，設計了一套汽車模擬碰撞試驗裝置，對各個部件進行了詳細介紹和計算，并用ANSYS/LS-DYNA對試驗車進行了顯式動力學仿真，確保試驗車車架具有足夠的強度，可多次重復試驗。筆者的研究內(nèi)容可為汽車模擬碰撞試驗裝置提供理論依據(jù)，為更好的研究交通事故中車載群體散落物分布特征奠定了基礎。

1 裝置方案設計

汽車實車碰撞是破壞性試驗，需要較大的試驗場地，研究成本較高。根據(jù)相似理論，筆者設計了一套結構簡單、調(diào)節(jié)方便的汽車模擬碰撞試驗裝置。該試驗裝置利用三相異步電機牽引試驗車，加速到規(guī)定的速度后撞擊固定障礙壁，可以模擬裝載群體散落物的汽車正面碰撞的試驗，從而得到車載群體散落物的分布情況。該試驗裝置可以通過調(diào)整碰撞車速，研究不同速度下的群體散落物分布情況；可調(diào)整車廂高度，研究不同高度對群體散落物分布情況的影響；可利用試驗車裝載不同的貨物，研究貨物的屬性對群體散落物分布特征的影響。

在參考國內(nèi)外汽車碰撞試驗臺的基礎上，該汽車模擬碰撞試驗裝置的設計滿足以下原則：① 盡量降低成本；② 試驗可以在室內(nèi)進行；③ 試驗裝置結構簡單，可以重復使用；④ 能模擬汽車低速下的正面碰撞，并符合相關國家法規(guī)的要求[7]。

1.1 裝置組成

該汽車模擬碰撞試驗裝置主要包括模擬碰撞試驗車、牽引裝置、速度控制裝置、測速裝置、安全保護裝置、固定障礙壁、照相機和攝像機。

1.1.1 模擬碰撞試驗車

試驗車是整個模擬碰撞試驗裝置的主要部件和基礎。為了試驗結果和實際交通事故中散落物的分布特征最大程度的接近，根據(jù)相似原理，筆者選用市場上較具有代表性的某款輕型卡車作為參照，模擬碰撞試驗車的外形尺寸和實際貨車外形尺寸采用1∶5的比例設計，試驗車的外形尺寸如表1。

表1 試驗車外形尺寸Table 1 Dimensions of test vehicle mm

試驗車由車架、保險杠、駕駛室、貨箱和貨箱支架5部分組成。為便于更換保險杠和調(diào)整貨箱高度，試驗車的保險杠和車架之間、貨箱和貨箱支架之間均采用螺栓連接，其余部件的連接方式采用焊接；為保證試驗車可多次重復使用，車架應具有足夠的強度。在設計的碰撞速度下，大部分能量通過保險杠的變形吸收，車架基本不發(fā)生塑性變形，通過更換保險杠即可進行下次試驗[8]。模擬碰撞試驗車如圖1。

圖1 模擬碰撞試驗車Fig.1 Simulation impact test device

1.1.2 牽引裝置

牽引裝置主要有三相異步電機、電機支架，滾筒和牽引繩。牽引裝置給整個汽車模擬碰撞裝置提供動力，電機通過電機軸與滾筒相連，牽引繩的一端用卡環(huán)固定在滾筒上，另一端通過掛鉤與試驗車連接。電機支架被Φ=12 mm的膨脹螺栓固定在實驗室地面上，電機啟動后帶動滾筒轉動，使牽引繩不斷在滾筒上纏繞，從而拖動試驗車到規(guī)定的速度[9]。

1.1.3 速度控制裝置

速度控制裝置選用TVFE9-4055G矢量控制型變頻器。變頻器(VFD)是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器可以控制輸入三相異步電機電流的頻率和加速時間，改變電機的轉速，從而通過牽引繩改變試驗車的碰撞速度。由于變頻器控制電流頻率的方式是按照當前電流頻率的百分比進行控制的，試驗前，操作人員應該計算出相應百分比下的碰撞車速，并進行實際測試，為試驗時精確控制車速做好準備工作。

1.1.4 測速裝置

測速裝置主要選用CS-10型雷達測速儀。測速雷達主要利用了多普勒效應原理制作的一種測速儀器，主要根據(jù)當目標向雷達天線靠近時，反射信號頻率將高于發(fā)射機頻率；反之，當目標遠離天線而去時，反射信號頻率將低于發(fā)射機頻率，從而可以計算出目標與雷達的相對速度。雷達測速儀在測量速度時，真實的目標速度是目標沿雷達波束中心軸作直線運動時獲得的，如果天線指向與目標運動方向存在著一定的夾角，測量的速度讀數(shù)是低于實際的目標速度。為了在試驗時測量的速度值盡可能逼近試驗車的實際速度，試驗人員在測量時應盡可能地減小測量夾角，從而減小試驗誤差。

1.1.5 安全保護裝置

安全保護裝置主要包括15 kg標準重塊、彈性皮帶和安全繩。彈性皮帶采用運動員抗阻訓練用皮帶，其尺寸為長2 m、寬0.04 m、厚0.005 m，其所能承受的最大拉力超過500 N。安全繩選用直徑為8 mm的棉質安全繩，其所能承受最大拉力為900 N。通過彈性皮帶將標準重塊和安全繩相連，彈性皮帶在安全保護裝置中起到緩沖吸能作用。試驗時，試驗車在牽引繩的帶動下加速到規(guī)定的速度，如果未能按照規(guī)定的運動軌跡和固定障礙壁相撞，試驗車將會通過安全繩帶動標準重塊向前運動。在摩擦力的作用下，試驗車逐漸停止運動。

1.2 工作原理

本模擬碰撞試驗裝置主要采用三相異步電機通過牽引繩帶動試驗車加速的加速方式，首先根據(jù)試驗所要求的碰撞車速，推算變頻器的輸出電流的頻率占輸入電流頻率的百分比，牽引繩通過固定滑輪連接在試驗車上，通過三相異步電機將電能轉化為試驗車的動能，給試驗車施加一個力，使其獲得一個極大的初始加速度。經(jīng)過反復計算和試驗，確定變頻器控制三相異步電機的運行時間，控制試驗車在固定障礙物前1 m的距離時和牽引繩斷開連接，從而做到在試驗車和固定障礙壁碰撞時不受牽引繩的影響。群體散落物裝載在試驗車貨箱中，當發(fā)生碰撞后，群體散落物在地面上以一定的形狀分布。試驗時，用高速攝像機拍攝整個碰撞過程及群體散落物的分布特征，便于日后的分析及數(shù)據(jù)處理。試驗車的貨箱可以沿著貨箱支架上下移動，試驗過程中可以調(diào)節(jié)貨箱高度。本汽車模擬碰撞試驗裝置可以模擬貨箱高度不同、裝載不同貨物的貨車在不同速度下的汽車正碰試驗，從而為研究在交通事故中車載群體散落物的分布特征與汽車的碰撞速度的關系提供了一套試驗裝置。

2 設計及計算

2.1 電機的選擇

根據(jù)試驗車三維模型圖計算可知，試驗車的重量為30 kg。在試驗時，試驗車裝載的群體散落物最大重量為5 kg。由于汽車模擬碰撞試驗在實驗室內(nèi)進行，試驗車的加速距離為9 m，該汽車模擬碰撞試驗裝置設計的最高碰撞速度為50 km/h，因此牽引裝置中三相異步電機必須能夠提供足夠的牽引力。試驗車在加速過程中受到摩擦力、空氣阻力和牽引力。根據(jù)能量守恒定律，可以算出該試驗裝置中所需電機功率的大小。

假設試驗車的加速距離為9 m，則摩擦力對試驗車所做的功如式(1)：

W1=mgfl

(1)

式中：W1為摩擦力對試驗車所做的功，J；m為試驗車和群體散落物的總重量，kg，m=35；g為重力加速度，m/s2；f為試驗車的摩擦系數(shù)，f=0.015；l為試驗車的加速距離，m，l=9。

假設試驗車的加速距離為9 m，則空氣阻力對試驗車所做的功如式(2)：

(2)

式中：W2為假設試驗車以50 km/h運動時，空氣阻力對試驗車所做的功，J；CD為空氣阻力系數(shù)，CD=0.7；A為迎風面積，即試驗車行駛方向的投影面積，m2；ua為試驗車的行駛速度，km/h，ua=50。

試驗車的動能如式(3)：

Ek=1/2mv2

(3)

式中：Ek為試驗車的動能，J；v為試驗車的行駛速度，m/s，v=13.89。

假設試驗車以50 km/h的速度勻速通過加速距離，則所需的時間如式(4)：

t=l/v

(4)

式中：t為試驗車運動時間，s；l為加速距離，m；v為試驗車運動速度，m/s。

根據(jù)公式(4)，計算可得t=0.648 s。

由能量守恒定律可知，三相異步電機所做的功如式(5)：

W=W1+W2+Wk=pt1

(5)

式中：W為發(fā)動機所做的功，J；p為發(fā)動機的功率，W；t1為發(fā)動機工作時間，s，t1=0.648。

根據(jù)公式(1)～式(5)計算可得：試驗車達到最高車速所需要的三相異步電機的最大功率為5.24 kW，因此本碰撞模擬試驗裝置的三相異步電機選取功率為5.5 kW的2極電機，型號為Y132S1-2。

2.2 滾筒和牽引繩的設計

模擬碰撞試驗裝置工作時，電機通過電機軸帶動滾筒轉動，滾筒纏繞牽引繩，從而帶動試驗車加速到規(guī)定的速度?？梢钥闯鰸L筒的尺寸大小和強度關系到整個模擬碰撞試驗的成功與否。根據(jù)國家法規(guī)的要求，本模擬碰撞試驗裝置可以模擬正碰的最高速度為50 km/h，滾筒的最小直徑為：

(6)

式中：v為試驗車的行駛速度，m/s，v=13.89；nmax為電機的最大轉速，r/min；π為圓周率。

將各個參數(shù)代入公式(6)得：d1=92 mm。

取c=1.3倍的安全系數(shù)，則滾筒半徑為：

r=cd1/2=60

(7)

式中：r為滾筒的半徑，mm；c為安全系數(shù)。

電機通過牽引繩所以能產(chǎn)生的最大拉力：

(8)

式中：F為牽引繩的最大拉力，N；P為電機的額定功率，kW；k為電機最大轉矩是額定轉矩的倍數(shù)；n為電機轉速，r/min；r為滾筒半徑，m。

將各個參數(shù)代入式(8)，得：F=694.3 N。

由GB/T 20118—2006《一般用途鋼絲繩》[10]，選用6×7+FC類4 mm粗纖維芯鋼絲繩。

目前，還未有滾筒厚度精確的計算公式。在機械設計時，筆者采用經(jīng)驗公式確定滾筒厚度，筒壁厚度為：

h=0.005d+6=6.6

(9)

式中：h為滾筒的筒壁厚度，mm；d為滾筒直徑，mm。

鋼絲繩公稱直徑4 mm，實際測量最大處直徑為4.28 mm。繩槽節(jié)距一般為鋼絲繩直徑與鋼絲繩上偏差的50%之和，即滾筒的繩槽節(jié)距如式(10)：

P=D+0.28×0.5

(10)

式中：P為滾筒的繩槽節(jié)距，mm，選用P=4.14；D為鋼絲繩的直徑，mm。

滾筒長度如式(11)：

Ld=L0+L1

(11)

式中：L0為纏繞鋼絲繩部分，mm；L1為無繩槽部分，mm。

(12)

式中：Hmax為鋼絲繩纏繞在卷筒上的最大長度，mm；D1為卷筒的直徑，mm；z1為鋼絲繩的安全圈數(shù)；P為節(jié)距，mm。

當Hmax=25 000 mm、z1=2、P=4.14 mm；則L0=283 mm。取L1=10 mm，由式(11)可得：Ld=L0+L1=293 mm。

考慮各方面因素，筆者選用卷筒長度為L=300 mm。

3 模擬碰撞裝置可靠性仿真驗證

3.1 仿真方案和材料參數(shù)

本次仿真試驗的試驗車三維模型采用UG軟件建立，導入ANSYS/LS-DYNA軟件，建立試驗車及障礙物有限元模型[11]，并進行碰撞仿真試驗。根據(jù)我國汽車碰撞安全法規(guī)，汽車碰撞試驗中試驗車車速應為50 km/h，因此設定試驗車以50 km/h的速度與固定壁發(fā)生正面直線對心碰撞。障礙物采用剛性體，固定不動，仿真模型材料參數(shù)，如表2。

表2 仿真模型材料參數(shù)Table 2 Material parameters of simulation model

3.2 仿真結果和分析

為保證汽車模擬碰撞試驗準確性，在試驗車和固定障礙壁碰撞試驗中，試驗車運動速度和加速度應與實車碰撞的變化相似。按照我國汽車碰撞安全法規(guī)，在某汽車實驗中心以50 km/h速度對某款輕型卡車進行正碰試驗，得到實車碰撞試驗數(shù)據(jù)。將仿真試驗中測得的試驗車的速度、加速度曲線與實車碰撞的速度、加速度曲線相比，比較結果如圖2。

圖2 正面碰撞中試驗車與實車的速度和加速度曲線Fig.2 Velocity curve and acceleration curve of the test vehicle and real vehicle in frontal crash

由圖2可知：在汽車與固定障礙壁正碰試驗中，試驗車的速度、加速度曲線和實車碰撞的速度、加速度曲線變化基本一致。因此，該汽車模擬碰撞裝置可以模擬實車正碰試驗。

仿真試驗中，試驗車碰撞前的速度為13.9 m/s，碰撞后的反彈速度為0.264 m/s，根據(jù)恢復系數(shù)e的計算公式：

(13)

式中：ν10、ν20為碰撞前瞬間物體A、B的速度(正面碰撞時ν20為負值)；ν1、ν2為碰撞后瞬間物體A、B的速度[12]。

計算可得：試驗車恢復系數(shù)e=0.02。試驗車在碰撞過程中為非彈性碰撞，碰撞能量主要通過試驗車的塑性變形和彈性變形吸收。

試驗車在與固定壁發(fā)生正面對心直線碰撞碰撞的16～34 ms內(nèi)，試驗車的塑性應變時序如圖3。

圖3 試驗車的塑性應變時序Fig.3 Plastic strain timing diagram of test vehicle

由圖3可知：在碰撞過程中，試驗車的塑性應變主要集中在保險杠，塑性應變越來越大，后保持不變，保險杠的最大塑性應變?yōu)?.39。說明在碰撞時，保險杠受到最大應力大于材料屈服強度235 MPa，發(fā)生了一定的塑性變形，并吸收一部分的碰撞能量[13]；試驗車的車架未發(fā)生明顯的塑性變形，車架吸收的碰撞能量大部分是通過彈性變形吸收的，試驗車的強度和剛度滿足試驗要求。因此試驗時，可以通過更換保險杠的方式，直接進行下次試驗，實現(xiàn)了試驗車多次重復利用，可節(jié)約資源，減少試驗成本。

4 結 論

筆者在參考國內(nèi)外汽車碰撞試驗臺的基礎上，以某輕型卡車為模型車，設計了一套汽車模擬碰撞散落物分布試驗裝置。

1) 通過設計計算和ANSYS/LS-DYNA軟件的計算機仿真驗證，在試驗過程中，試驗車除保險杠外的其它部件不會發(fā)生塑性變形。試驗車可以多次重復利用，節(jié)約了試驗成本。

2) 本汽車模擬碰撞試驗裝置可以模擬貨箱高度不同、裝載貨物不同的貨車正碰試驗，易于操作和控制。

3) 該試驗裝置對于研究交通事故現(xiàn)場散落物分布的特征與汽車碰撞車速之間的關系有著非常重要的實際意義。

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Design and Simulation Verification of Vehicle Simulation Impact Test Device

DU Xuejing，WANG Dongsheng，PEI Yulong， WANG Zhanyu

(School of Traffic，Northeast Forestry University，Harbin 150040，Heilongjiang，P. R. China)

In order to study the distribution characteristics of group fallout loaded by vehicle in the traffic accident，a vehicle simulation impact test device was designed on the basis of the domestic and international automobile impact test benches. According to the requirements of collision speed in the simulation collision test device，the selection of three-phase induction motor and the strength of the traction rope were calculated，and the simulation of the whole system was carried out by using ANSYS/LS-DYNA software. The results show that the proposed test device can accelerate the test vehicle to a required crash speed within a certain distance and can simulate the frontal impact of vehicle at low speed，which meets the requirements of relevant national laws and regulations. Moreover，the proposed test device has enough strength and can be used repeatedly.

vehicle engineering; automobile collision; group fallout; distribution characteristics; simulation verification

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.20

2016-03-30；

2017-03-22

中央高校專項資金資助項目(2572017DB01)；國家重點研發(fā)計劃重點專項項目(2017YFC0803901)；國家自然科學基金青年基金項目(51108068)

都雪靜(1975—)，女，吉林通化人，副教授，博士，主要從事汽車碰撞安全及事故分析方面的研究。E-mail：duxuejing99@163.com。

U461.91；TP391.9

A

1674-0696(2017)12-121-06

劉韜)