盧 靜,鄭 顥,歐陽俊,王玉超
(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院,廣州 511434)
傳統(tǒng)正面碰撞中乘員保護(hù)設(shè)計可分為車體結(jié)構(gòu)設(shè)計和乘員約束系統(tǒng)設(shè)計,一般思路為先根據(jù)經(jīng)驗制定車體結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)目標(biāo),然后基于優(yōu)化好的車體結(jié)構(gòu)開展乘員約束系統(tǒng)匹配。給予約束系統(tǒng)匹配更大的容度,這種設(shè)計思路存在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計過剩的現(xiàn)象。為實現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計,有必要建立乘員保護(hù)與車體結(jié)構(gòu)設(shè)計之間的橋梁,根據(jù)乘員保護(hù)的需求制定合理的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)。目前國內(nèi)外已有較多文獻(xiàn)[1-5]研究了加速度波形與乘員損傷的關(guān)聯(lián)性趨勢,但沒有給出量化的方法并直接指導(dǎo)設(shè)計。常見的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計評價指標(biāo)包括加速度峰值、速度歸零時刻等,這些指標(biāo)與乘員損傷有一定關(guān)聯(lián)性,但不是必然。本文首先基于a-s(加速度-位移)曲線研究了加速度的二階波形簡化,并據(jù)此得到車體結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo);然后研究了乘員載荷準(zhǔn)則OLC,最后研究了車體結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)、乘員損傷評價指標(biāo)與乘員載荷準(zhǔn)則OLC 之間的量化關(guān)系,并得到量化關(guān)系表達(dá)式,可直接指導(dǎo)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
從波形變化趨勢來看,碰撞波形常見的簡化形式有方形波(ESW)、尖頂方波(TESW)、等效二階波(EDTW),如圖1 所示。對于正面100%剛性壁障碰撞,整車變形吸能區(qū)可以分為3 個部分:(1)發(fā)動機(jī)前端與剛性壁障之間的結(jié)構(gòu)變形D1;(2)發(fā)動機(jī)后端與防火墻之間的結(jié)構(gòu)變形D2a;(3)防火墻的侵入變形D2b,如圖2 所示。正面碰撞加速度-時間歷程可以分為3 個主要階段:a1(0-t2)、a2(t2-t4)、a3(t4-t6),分界點分別是時刻t2和時刻t4,時刻t2為發(fā)動機(jī)與壁障接觸時刻,時刻t4為車輛開始反彈時刻。本研究中,發(fā)動機(jī)懸置斷裂技術(shù)的應(yīng)用使發(fā)動機(jī)與壁障接觸后不會造成過大的加速度增加,二階加速度的增加主要由發(fā)動機(jī)與前圍接觸后造成,所以時刻t2設(shè)定為發(fā)動機(jī)與前圍接觸時刻。根據(jù)變形區(qū)域能量守恒的原理,可以將實車碰撞波形簡化成物理特征明顯的兩階等效波形,包括發(fā)動機(jī)接觸前圍之前和之后兩個階段,如圖3 所示。其中,a1為吸能空間變形波段(D1和D2a)的第一階等效加速度,a2為D2b變形波段的第二階等效加速度。
圖1 車體加速度擬合形式
圖2 正面碰撞變形區(qū)
圖3 等效二階波形
OLC 是一項評價車輛減速度的指標(biāo),它也是在給定某車輛減速度波形的條件下,通過假定乘員做單純的前向運動而求得的乘員平均減速度,用于評價車輛減速度對乘員作用載荷的大小。2020 版E-NCAP 及2021 版C-NCAP 計劃采用OLC 評價。
OLC 的基本分析方法如下:為避免假人胸部與方向盤發(fā)生碰撞,設(shè)胸部前向位移量為300 mm。由于安全帶松弛量的存在,假人在不受力的狀態(tài)下做勻減速運動,并移動了65 mm 距離。碰撞開始時,乘員先以v0做勻速運動。在速度-時間圖上,設(shè)乘員與車輛速度-時間曲線所包圍的面積A1達(dá)到65mm2時的時刻為ta,乘員從A段開始以一定減速度做勻減速運動。設(shè)乘員與車體速度曲線圍成的A2的面積到達(dá)235mm2時,車輛速度-時間曲線上點為B 點。此時定義直線AB 的斜率為OLC。
圖4 OLC 定義
將實車碰撞波形簡化成等效二階波形后,可以方便地研究波形典型特征對乘員損傷的影響,從而制定合理的結(jié)構(gòu)指標(biāo)。根據(jù)第2 節(jié)的描述,將車體結(jié)構(gòu)指標(biāo)分為車體加速度(包括一階加速度a1、二階加速度a2)和動態(tài)位移(表征整車變形量,包括吸能空間和侵入量)。根據(jù)能量守恒原則,侵入量不變的情況下,改變一階加速度a1,二階加速度a2也會相應(yīng)變化;一階加速度a1不變的情況下,改變侵入量,二階加速度a2也會相應(yīng)變化。所以本文結(jié)構(gòu)研究指標(biāo)簡化兩種情況:情況一,侵入量不變,改變一階加速度a1;情況二,一階加速度a1不變,改變侵入量。首先基于56 km/h FRB 工況開展了研究。
根據(jù)第2 節(jié)中中等效二階波形的轉(zhuǎn)換方法,在侵入量不變的情況下,通過改變一階加速度a1,得到16 組加速度波形,分別為等效波形1、等效波形2、……、等效波形16,如表1 和圖5 所示。等效波形轉(zhuǎn)換后,最大動態(tài)位移沒有發(fā)生改變,隨著a1的增加,a2呈不同幅度降低。
圖5 不同a1 等效波形轉(zhuǎn)換
基于第3 節(jié)中的乘員載荷準(zhǔn)則OLC 的定義,對16 組等效波形進(jìn)行計算,得到不同等效波形對應(yīng)的OLC,如表1 和圖6 所示??梢园l(fā)現(xiàn),當(dāng)一階加速度a1≤215.82 m/s2時,OLC 隨著a1的增加呈現(xiàn)降低趨勢,且隨著一階加速度a1每增加9.81 m/s2,OLC變化量逐漸減低;當(dāng)一階加速度a1>215.82 m/s2時,OLC 隨著a1的增加呈現(xiàn)增加趨勢,且隨著一階加速度a1每增加9.81 m/s2,OLC 變化量較小。采用OLC 作為車體結(jié)構(gòu)評價指標(biāo),可以將OLC 設(shè)定為≤284.49 m/s2,對應(yīng)的一階加速度a1為215.82 m/s2,二階加速度a2為294.3 m/s2。
表1 不同a1 與OLC
圖6 OLC 與a1 的關(guān)系
根據(jù)第2 節(jié)中等效二階波形的轉(zhuǎn)換方法,在侵入量不變的情況下,通過改變侵入量D2,得到5 組加速度波形,分別為等效波形1、等效波形2、……、等效波形5,如表2 和圖7 所示。等效波形轉(zhuǎn)換后,一階加速度a1沒有發(fā)生改變,隨著侵入量D1的增加,a2呈不同幅度降低。
圖7 不同侵入量D2 等效波形轉(zhuǎn)換
基于第3 節(jié)中的乘員載荷準(zhǔn)則OLC 的定義,對5 組等效波形進(jìn)行計算,得到不同等效波形對應(yīng)的OLC,如表2 和圖8 所示??梢园l(fā)現(xiàn),當(dāng)動態(tài)位移D每增加10 mm 時,OLC 隨著D的增加呈現(xiàn)降低趨勢。
圖8 OLC 與D 的關(guān)系
表2 不同侵入量D2 與OLC
基于第3.1 節(jié)中的分析,選擇完成對標(biāo)的有限元約束系統(tǒng)模型,如圖9~13 所示,計算了不同車體結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)a1下的乘員損傷情況,選擇胸部壓縮量作為考察指標(biāo),計算結(jié)果如表1 和圖14 所示。
圖9 有限元約束系統(tǒng)仿真模型
圖10 頭部加速度
圖11 髖部加速度
圖12 左上肋骨胸壓量
圖13 右上肋骨胸壓量
圖14 不同車體結(jié)構(gòu)設(shè)計下OLC 與胸部壓縮量
由圖14 可知,乘員損傷與乘員載荷準(zhǔn)則OLC有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,當(dāng)一階加速度a1<215.82 m/s2時,隨著a1的增加,OLC 和乘員損傷同時降低,且斜率較為接近;當(dāng)一階加速度a1>215.82 m/s2時,隨著a1的增加,OLC 和乘員損傷同時增加,且斜率較為接近;乘員損傷與乘員載荷準(zhǔn)則OLC同時出現(xiàn)拐點,且變化斜率較為接近,采用線性擬合,得到OLC 與胸部壓縮量關(guān)系表達(dá)式y(tǒng)=0.377 7x+12.579,OLC 擬合度R2為0.95,如圖15 所示。
由圖16 可知,乘員損傷與乘員載荷準(zhǔn)則OLC有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,隨著D的增加,OLC 和乘員損傷同時增加,且斜率較為接近;采用線性擬合,得到OLC 與胸部壓縮量的關(guān)系表達(dá)式y(tǒng)=1.2677x+32.175,OLC 擬合度R2為0.97,如圖17 所示。
圖15 不同車體結(jié)構(gòu)設(shè)計下OLC 與胸部壓縮量的關(guān)系式
圖16 不同車體結(jié)構(gòu)設(shè)計下OLC 與胸部壓縮量
圖17 不同車體結(jié)構(gòu)設(shè)計下OLC 與胸部壓縮量的關(guān)系式
在第3 節(jié)和第4 節(jié)的分析結(jié)論中,動態(tài)位移D不變的情況下,乘員損傷與車體一階加速度a1的關(guān)聯(lián)性存在明顯的“拐點”現(xiàn)象,這說明在進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)設(shè)計時,不能過度提高吸能盒的吸能效率,應(yīng)合理地控制一階加速度a1的大小。為了驗證上述思路的正確性,基于某實車50 km/h FRB 波形,按文中所述思路進(jìn)行了分析,得到一階加速度a1與乘員胸部壓縮量的關(guān)系,如圖18 所示。結(jié)果表明,50 km/h 正面碰撞,在動態(tài)位移D不變的情況下,a1加速度由低到高存在一個最適加速度水平,仿真中該水平維持在147.15m/s2左右。在該水平胸部位移達(dá)到最小值,繼續(xù)增加或減小a1,胸部位移都有明顯增加的趨勢。以不同的碰撞速度進(jìn)行分析,如表3 所示,都驗證了在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計時,在動態(tài)位移D不變的情況下,不能過度提高一階加速度a1,應(yīng)尋找最優(yōu)a1設(shè)計方案,結(jié)論具有較好的適用范圍。
表3 不同碰撞工況下車體結(jié)構(gòu)設(shè)計OLC 拐點
圖18 50 km/h 不同車體結(jié)構(gòu)設(shè)計下OLC 與胸部壓縮量
在上述結(jié)論中,前提條件是動態(tài)位移D不能改變,動態(tài)位移D主要由前機(jī)艙吸能空間(前吸能空間+后吸能空間)和前圍變形組成,在進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時,吸能空間一般是固定不變的,而前圍變形也是被約束的,過大會造成乘員生存空間變小,帶來其他的乘員傷害風(fēng)險。吸能空間和前圍變形,不同的主機(jī)廠都有相應(yīng)的設(shè)計要求,至于如何在造型、車長、軸距等條件約束下,基于正向設(shè)計思路得到合理設(shè)計目標(biāo),是另外需要研究的問題。
在某車型進(jìn)行2021 版C-NCAP 50 km/h FRB 工況設(shè)計時,基于已確定的吸能空間及FRB 工況下前圍侵入量的標(biāo)準(zhǔn),開展一階加速度a1的“最優(yōu)設(shè)計”,如圖18 所示,并確定一階加速度a1應(yīng)設(shè)計在147.15~156.96 m/s2的水平,最終通過約束系統(tǒng)仿真模型的預(yù)測,在平臺化約束系統(tǒng)配置下,乘員的胸部壓縮量水平為26.3 mm,見表4。
表4 平臺化約束參數(shù)下車體結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)
為了控制一階加速度的水平,車體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案從吸能盒長度、剛度、截面等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。此外,也通過縱梁優(yōu)化,匹配了前后剛度,控制了中后段的變形模式及時間,確保吸能盒吸能的穩(wěn)定性。
(1)研究了基于位移域的車體加速度等效二階波簡化,可以將車體結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)分解為一階加速度a1、二階加速度a2和動態(tài)位移D,較好地體現(xiàn)了能量守恒原則及碰撞過程車體結(jié)構(gòu)變形的過程。
(2)研究了不同碰撞工況下乘員載荷準(zhǔn)則OLC與一階加速度a1、二階加速度a2、動態(tài)位移D的關(guān)聯(lián)性:動態(tài)位移D不變,一階加速度a1增加,OLC呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,存在明顯拐點;一階加速度a1不變,D增加,OLC 呈現(xiàn)降低趨勢。結(jié)論具有較好的普適性。
(3)研究了乘員載荷準(zhǔn)則OLC 與乘員損傷的關(guān)聯(lián)性量化:不同情況下,OLC 與胸部壓縮量呈現(xiàn)高度的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)在0.95 以上。
(4)本文也存在一定的不足,研究內(nèi)容僅限于全正面碰撞工況,對偏置碰撞工況下的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)意義未知。同時OLC 出現(xiàn)拐點的理論基礎(chǔ)沒有做出解釋,需進(jìn)一步研究。