轎車側(cè)面柱碰撞和可變形壁障碰撞試驗研究

黃志剛 王立民 張山 閆肅軍

摘? 要：為研究側(cè)面柱碰及側(cè)面可變形壁障碰撞試驗特點，選取某B級轎車分別進行了Euro-NCAP中側(cè)面柱碰試驗和C-NCAP側(cè)面可變形壁障（AE-MDB）試驗。分析了車身加速度以及假人傷害特點，結(jié)果表明：側(cè)面柱碰撞相比可變形壁障碰撞對乘員有更大的損傷風(fēng)險，車身加速度更大，車身侵入量更大、局部變形更嚴重。為減少側(cè)面碰撞傷害，需要增加碰撞側(cè)車身局部強度，避免小區(qū)域重疊剛性碰撞。

關(guān)鍵字：側(cè)面柱碰；側(cè)面可變形壁障碰撞；假人傷害；車身變形

中圖分類號：F407.471? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2023）06-0064-07

Experimental Study on Side Pole Collision and Deformable Barrier Collision of Car

HUANG Zhi-gang， Wang Li-min， Zhang Shan， Yan Su-jun

（China Automotive Technology and Research Center Co.， Ltd， Tianjin 300300， China）

Abstract： In order to study the characteristics of side pole impact and side deformable barrier impact test， a B-class car is selected to carry out the side pole impact test in Euro-NCAP and side deformable barrier （AE-MDB） test in C-NCAP. The characteristics of body acceleration and dummy injury are analyzed. The results show that compared with the deformable barrier collision， the side pole collision has a greater risk of injury to passengers for vehicle body acceleration， at the same time， the intrusion is greater and local deformation is more serious. In order to reduce the side impact damage， it is necessary to increase the local strength of the body at the side of collision to avoid small area overlapping rigid collision.

Key Words： Side Pole Impact; AE-MDB; Dummy Injury; Vehicle Body Deformation

引? ? 言

汽車保有量的增加導(dǎo)致了汽車碰撞事故的增加，在各類碰撞事故中，側(cè)面碰撞占到了事故總數(shù)的36%[1]。由于汽車側(cè)面結(jié)構(gòu)剛度弱，緩沖吸能空間小，在受到較大沖擊時勢必將對乘員帶來巨大損傷。側(cè)面碰撞試驗可分為側(cè)面可變形壁障碰撞和側(cè)面柱碰，近些年世界各國制定了一系列汽車側(cè)面碰撞規(guī)程，包括ECER95、FMVSS214、NCAP等，2006年中國出臺了側(cè)面碰撞法規(guī)GB20071-2006，重點考察可變形壁障側(cè)面碰撞中假人傷害，在側(cè)面柱碰方面，C-NCAP 2021版中要求電動汽車強制進行側(cè)柱碰試驗，同時側(cè)柱碰試驗已經(jīng)成為國家標準中的推薦檢測項目（GB/T 37337-2019）。側(cè)面碰撞中的車身變形、能量耗散、假人傷害[2] [3]是研究重點，通過改變車身結(jié)構(gòu)及運用新型材料可以有效降低乘員傷害[4] [5]。針對側(cè)面碰撞的學(xué)術(shù)研究多基于數(shù)值仿真，楊濟匡[6]通過數(shù)值模擬研究了轎車側(cè)面柱碰中結(jié)構(gòu)損傷和乘員傷害特點，還應(yīng)用MADYMO軟件建立了側(cè)面碰撞中側(cè)面碰撞中乘員約束系統(tǒng)模型并對其進行優(yōu)化[7]，為減少側(cè)面碰撞中乘員胸部傷害，楊濟匡采用有限元分析模型、逐步回歸代理模型和序列優(yōu)化方法對頭胸部氣囊進行了優(yōu)化設(shè)計[8]。Lilehkoohi[9]分析研究了車門和B柱板厚度對假人傷害的影響。Wang[10]通過運用非線性有限元軟件LS-DYNA模擬兩種碰撞試驗形式并參考實車試驗數(shù)據(jù)，對比了兩種試驗中車身結(jié)構(gòu)的損傷特點。在實車碰撞試驗研究上，張維剛[11]利用27組側(cè)面碰撞試驗數(shù)據(jù)，研究B柱侵入速度對假人傷害的影響。朱海濤[12]對Euro-NCAP、FMVSS201、FMVSS214中柱碰試驗進行研究，分析在不同試驗形式、不同類型假人下車身結(jié)構(gòu)損傷和假人傷害。關(guān)于實車碰撞試驗，學(xué)者較少對側(cè)面柱碰撞和側(cè)面可變形壁障碰撞試驗特點和區(qū)別加以研究。側(cè)面柱碰對碰撞車輛形變及乘員傷害的影響程度將影響今后國內(nèi)車輛碰撞法規(guī)在側(cè)面柱碰試驗方面的發(fā)展和要求，有必要對側(cè)面柱碰試驗和國內(nèi)現(xiàn)存?zhèn)让婵勺冃伪谡吓鲎苍囼炘诔藛T傷害、車輛變形方面特點及區(qū)別進行研究。

在本文的研究中，選取某B級轎車分別進行了Euro-NCAP側(cè)面柱碰[13]和C-NCAP AE-MDB試驗[14]，對比分析了兩種試驗中假人傷害特點和車身變形特征，按照規(guī)程，試驗中均采用World-SID 50%假人，避免因假人類型不同造成的影響，研究結(jié)果可為車輛側(cè)面碰撞設(shè)計提供參考。

1? ? 試驗形式

1.1? ?C-NCAP側(cè)面可變形壁障（AE-MDB）碰撞

側(cè)面可變形壁障碰撞是C-NCAP中重要組成部分，其試驗形式如圖1所示。試驗臺車速度不低于50km/h，其重量為1400kg，前端蜂窩鋁類型為AE-MDB，臺車碰撞中心線為前排座椅R點向后250mm，蜂窩鋁下邊緣距離地面400mm。試驗車輛擺放位置與臺車速度方向垂直，在駕駛員位置放置World-SID 50%假人，在車輛駕駛員后方位置放置SID-IIS女性假人。

按照C-NCAP側(cè)面評價規(guī)程，車型評價時需要對前后排假人頭部加速度、胸部肋骨位移、腹部肋骨位移、骨盆合力進行采集和分析。C-NCAP評分設(shè)定高性能指標限值和低性能指標限值，頭部合成加速度指標區(qū)間為72g-80g，頭部傷害指數(shù)指標區(qū)間為500-700；胸部變形量性能指標區(qū)間為28mm-50mm且胸部傷害指數(shù)VC小于1.0m/s，肩部側(cè)向力小于3KN；腹部變形量指標區(qū)間為47mm-65mm；骨盆恥骨力性能區(qū)間為1.7KN-2.8KN。第二排女性假人頭部傷害指標與前排假人相同，胸部變形量性能指標區(qū)間為31mm-41mm；腹部變形量性能指標區(qū)間為38-48mm，同時要滿足胸部傷害指數(shù)VC小于1.0m/s；腹部壓縮變形量指標區(qū)間為38mm-48mm；骨盆合力性能區(qū)間為3.5KN-5.5KN。

1.2? ?Euro-NCAP側(cè)面柱碰撞

Euro-NCAP側(cè)面柱碰試驗形式如圖2所示，車輛置于其下方滑行地板上，通過牽引系統(tǒng)，地板帶動車輛與剛性圓柱碰撞，圓柱直徑為254mm，車輛放置角度與速度方向夾角為75°，試驗車輛速度為32km/h，試驗時駕駛員位置放置World-SID 50%假人，圖中虛線表示碰撞線，其位置為經(jīng)過假人頭部質(zhì)心在車輛上的投影線。按照Euro-NCAP要求，側(cè)面柱碰試驗中同樣要對假人的胸部及腹部肋骨位移、骨盆合力進行采集。

按照Euro-NCAP評價規(guī)則，側(cè)面柱碰撞假人性能指標，頭部傷害指數(shù)性能區(qū)間為500-700；頭部合成加速度性能區(qū)間為72g-80g。胸部位移性能指標區(qū)間28mm-50mm，胸部粘性指數(shù)VC小于1m/s，肩部側(cè)向力小于3KN；腹部位移性能指標區(qū)間47mm-65mm；骨盆恥骨力性能區(qū)間為1.7KN-2.8KN。

2? ? 假人傷害分析

選取某B級轎車分別針對C-NCAP側(cè)面可變形壁障碰撞及Euro-NCAP側(cè)面柱碰進行試驗，試驗速度分別為50.3和32.3，車輛的整備質(zhì)量為1858kg（前軸974kg/后軸884kg），兩種類型試驗駕駛員位置均采用World-SID 50%假人，保證了假人類型的一致性，本文對兩種試驗前排假人傷害分析，按照頭、胸部、腹部、骨盆四個部位不同指標進行。

2.1? ?頭部傷害分析

選取頭部傷害指數(shù)（HIC）以及3ms合成加速度（G3ms）對頭部傷害進行分析，HIC由假人頭部合成加速度在一定時間內(nèi)的積分得到，其按照公式（1）、（2）計算。

（1）

（2）

公式中， 為頭部質(zhì)心合成加速度，AX、AY 、 AZ分別為頭部質(zhì)心三個方向的加速度；試驗中t2-t1≤15ms，計算碰撞過程中HIC15的最大值并進行評價。3ms合成加速度G3ms為累積時間達到3ms的頭部合成加速度的最大值。側(cè)面柱碰試驗以及AE-MDB試驗中的頭部合成加速度曲線如圖3所示，從曲線中可以看出，側(cè)面柱碰試驗中，t=58.5ms時，假人頭部合成加速度達到最大值71.25g，而側(cè)面可變形壁障碰撞中，當(dāng)碰撞時刻t=53.35ms時，假人頭部合成加速度達到最大值28.53g，此外在整個碰撞過程中，柱碰試驗頭部合成加速度數(shù)值均高于AE-MDB，此時頭部受到影響更大。

經(jīng)過計算，側(cè)面柱碰和AE-MDB試驗G3ms以及HIC15分別為：G3ms柱=70.4，HIC15柱=505，G3msAE-MDB=27.75g，HIC15AE-MDB=54。側(cè)面柱碰試驗相比AE-MDB試驗G3ms和HIC15更大，剛性圓柱的高度高于AE-MDB試驗側(cè)碰臺車，在豎直方向上撞擊范圍更廣，因此側(cè)面柱碰試驗對頭部的傷害更大。

2.2? ?胸部傷害分析

針對胸部，需要分析胸部各肋骨位移以及其粘性系數(shù)VC。VC用各肋骨變形速率與胸腔擠壓變形率乘積表示：

（3）

式中，D（t）是胸腔厚度隨時間變化的關(guān)系，D為初始胸腔厚度，VC的單位為m/s。圖4-7分別為側(cè)面柱碰和AE-MDB試驗碰撞過程中假人胸部肋骨壓縮量、粘性系數(shù)VC，對于側(cè)面柱碰試驗，三根胸部肋骨位移最大值為分別為31mm、24.2mm、28.8mm大于AE-MDB試驗中對應(yīng)肋骨位移25mm、23.1mm、20.75mm。

對胸部肋骨粘性指標VC進行分析，側(cè)面柱碰試驗中，胸部三根肋骨VC分別為0.200、0.181、0.294；AE-MDB對應(yīng)VC值分別為0.203、0.224、0.149。側(cè)面柱碰試驗胸部肋骨VC的最大值要高于AE-MDB試驗。同時在同一類型試驗中不同胸部肋骨位移峰值也有一定的差距。分析其原因，首先，假人胸部不同肋骨相對門內(nèi)飾距離不同，其次，AE-MDB試驗與側(cè)面柱碰試驗碰撞角度和碰撞位置不同，側(cè)面柱碰試驗中車門相對胸部肋骨位置的侵入量更大，進而胸部傷害指標更大。由此，側(cè)面柱碰試驗對假人胸部肋骨沖擊更大，導(dǎo)致胸部變形更加嚴重。

2.3? ?腹部傷害分析

類似胸部的分析方法，腹部同樣對比肋骨位移和肋骨VC，圖8-11分別為側(cè)面柱碰撞和AE-MDB試驗腹部肋骨位移和肋骨VC曲線。在側(cè)面柱碰試驗中，腹部處兩根肋骨位移峰值分別為32.7mm和33.4mm大于AE-MDB試驗中所對應(yīng)的肋骨位移峰值26.4mm及24.5mm。同樣對于粘性指標VC，側(cè)面柱碰試驗腹部肋骨所對應(yīng)的VC峰值分別為0.285、0.276大于AE-MDB試驗中VC峰值0.167、0.165。與胸肋骨不同，無論是側(cè)面柱碰試驗還是AE-MDB試驗，腹部兩根肋骨位移和VC幾乎相同，所以這兩種碰撞形式對假人腹部的損傷都比較均勻。從車門結(jié)構(gòu)來說，與肋骨高度一致的門內(nèi)飾與假人腹部肋骨距離幾乎相同，由此碰撞時車輛侵入量也較為相近，傷害也近似相同。

2.4? ?骨盆傷害分析

在對骨盆傷害進行分析時，對比了側(cè)面柱碰和AE-MDB試驗中骨盆合力曲線即恥骨力如圖12所示。從曲線中可以看出，AE-MDB試驗中恥骨力峰值為1.44KN大于側(cè)面柱碰試驗中峰值0.82KN，在兩個試驗中，恥骨力達到峰值的時刻近似相同，此外，AE-MDB試驗中恥骨力在達到峰值后相比側(cè)柱碰試驗衰減迅速。

分析上述特點原因，兩種試驗特點不同，撞擊時，AE-MDB試驗蜂窩鋁垂直撞擊試驗車輛以及假人，而側(cè)面柱碰試驗中，試驗車輛與剛性圓柱呈一定角度，且碰撞線為過假人頭部質(zhì)心的在車身上的投影線，此時，剛性圓柱與假人骨盆并非是沿速度方向的撞擊，故其峰值相比AE-MDB來說較小。

此外，兩種試驗碰撞過程不同，對于AE-MDB試驗，AE-MDB臺車的初始能量將轉(zhuǎn)化為碰撞車輛與地面摩擦力做功、假人動能、車輛變形能等。碰撞發(fā)生時車輛遠離撞擊區(qū)域一段距離，在其側(cè)向滑動后很快停止，在這個過程中，假人自身由于碰撞造成的影響作用時間較短。與此不同，側(cè)面柱碰試驗中試驗車輛攜帶假人以一定的速度撞擊剛性圓柱，撞擊后，碰撞能量將有大部分要由車輛的損傷變形消耗。在這個過程中，整個碰撞持續(xù)發(fā)生，所以假人的恥骨力曲線衰減較慢。

3? ? 車身變形分析

在對試驗車輛進行兩種試驗前后的車身變形測量時，選取碰撞側(cè)前后車門某些特征點為測量點。如圖13所示，紅色水平線1-4和藍色垂直線1-15劃分碰撞側(cè)前后車門，在建立車身坐標系時，以車輛前軸中心為坐標原點，其中水平線1-4的Z坐標分別為615、445、280、-4，垂直線1-15之間相距150mm，水平線與垂直線1-15交點依次為Node0、Node150...Node2100，橫縱交錯的虛線相交點為車身測量點。繪制側(cè)面柱碰試驗和AE-MDB試驗中在某一水平線下的與各垂直線交點的變形曲線見圖14、15。

從圖14中可以看出，在側(cè)面柱碰試驗中，車門上不同高度上沿X方向位移變化趨勢相同，曲線在虛線框內(nèi)即Node900周圍出現(xiàn)峰值，此區(qū)域為碰撞線位置，在側(cè)面柱碰試驗中，位移變化更加集中。

相反在圖15中，AE-MDB試驗車身同樣位置的位移變化趨勢不同，相比側(cè)柱碰試驗，位移變化較小，Node600以及Node1800周圍位移較大，虛線框內(nèi)即Node900至Node1200內(nèi)位移較小。位移較大區(qū)域為車身前后門，而位移相對較小區(qū)域恰好為車輛B柱所在位置，該位置結(jié)構(gòu)強度較大，AE-MDB蜂窩鋁碰撞表面較為均勻，此區(qū)域能夠更好地減小形變。

對于B柱位置，兩種試驗前后同樣進行了位移測量，圖16-17中為兩種試驗前后B柱內(nèi)表面形狀和位置變化，其直觀的體現(xiàn)了侵入量的大小。AE-MDB試驗中，B柱頂端未發(fā)生變形，試驗前后整個B柱的變形較小；側(cè)面柱碰試驗中B柱頂端發(fā)生一定的位移且B柱變形更加嚴重。

B柱加速度曲線可以表征車輛運動和車身變形，圖18-19為側(cè)面柱碰和AE-MDB試驗中碰撞側(cè)和非碰撞側(cè)的B柱加速度曲線，從曲線中可以看出，AE-MDB試驗撞擊側(cè)B柱加速度曲線峰值大于側(cè)面柱碰B柱加速度峰值；非撞擊側(cè)，側(cè)柱碰B柱加速度曲線峰值大于AE-MDB試驗峰值，且衰減較慢。故AE-MDB試驗對碰撞車輛碰撞側(cè)B柱局部加速度影響較大，而側(cè)面柱碰試驗對車身整體的運動有較大影響。

4? ? 結(jié)論

通過對側(cè)面柱碰試驗和AE-MDB試驗中假人傷害和車身變形進行分析，得到以下結(jié)論：

1. 側(cè)面柱碰試驗相比AE-MDB試驗，假人頭部傷害更加嚴重、胸部以及腹部肋骨位移、粘性指數(shù)VC更大；AE-MDB試驗相比側(cè)面柱碰試驗門內(nèi)飾相對假人骨盆侵入量大，AE-MDB試驗骨盆合力相比側(cè)面柱碰試驗更大。

2. 針對車身變形，側(cè)面柱碰試驗碰撞區(qū)域集中，碰撞側(cè)前后不同高度車門變形曲線趨勢相同，峰值明顯；AE-MDB試驗車身變形曲線較平緩，前后門處位移較大，B柱處由于結(jié)構(gòu)強度較強，位移較小。

3. 對于側(cè)面柱碰和AE-MDB試驗中B柱加速度曲線，在撞擊側(cè)，AE-MDB試驗中加速度峰值更大；與此相反，非撞擊側(cè)柱碰加速度峰值更大，衰減較慢，撞擊過程持續(xù)更久。

4. 側(cè)面柱碰相比AE-MDB試驗，對乘員傷害和車輛結(jié)構(gòu)損傷更大，要避免側(cè)面小區(qū)域剛性碰撞，同時要增強車身側(cè)面局部強度以降低乘員傷害。

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[14]中國汽車技術(shù)研究中心，CATARC. C-NCAP， Version 2018.

專家推薦語

屈新田

東風(fēng)汽車集團有限公司技術(shù)中心

CAE專業(yè)副總師? 高級工程師

本文基于試驗數(shù)據(jù)，對同一款車型側(cè)面柱碰和AEMDB碰撞數(shù)據(jù)進行了詳細對比，總體邏輯清晰，數(shù)據(jù)充分，文字簡潔易懂。本文研究內(nèi)容對于側(cè)面柱碰、側(cè)面AEMDB碰撞兩個工況下的乘員傷害值以及結(jié)構(gòu)變形量分析，有一定參考價值。