基于尖顶等效方波的客车正面碰撞安全性结构优化

叶松奎

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建 厦门 361023）

基于尖顶等效方波的客车正面碰撞安全性结构优化

叶松奎

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建 厦门 361023）

车体结构正面碰撞的加速度与乘员损伤之间存在着密切的联系。根据实际的碰撞加速度曲线的特点，建立“尖顶等效方波”模型，研究尖顶等效方波的特征参数影响人体损伤响应的规律，从而指导客车正面碰撞安全性的结构优化。

正面碰撞；车身加速度；尖顶等效方波；乘员损伤

由于正面碰撞是汽车事故中死亡率最高的一种碰撞形式[1]，因此，开展大客车的正面碰撞研究对提高客车产品的碰撞安全性及减轻乘员损伤具有非常重要的意义。众所周知，车体结构碰撞的加速度与乘员损伤之间存在着密切的联系[2]。但由于直接从车体结构上提取的碰撞加速度－时间历程曲线形状很不规律，难以直接应用于乘员损伤响应规律的研究。因此，有必要根据加速度曲线的特点，建立一个能够代表碰撞过程的加速度简化模型，通过研究简化模型的特征参数，直观地分析碰撞加速度与人体损伤之间的响应规律，从而达到优化车体结构碰撞安全性的目的。目前，在轿车的碰撞安全领域，运用得比较成熟的加速度简化模型主要是双梯形等效波形[3-5]。但此模型需要一个非常重要的参数——发动机的停机时刻，即发动机撞上固定壁障的时刻。然而，对于大多数客车而言，由于发动机是后置的，根本就不存在这个参数，因此，不适合采用这种简化模型进行客车乘员损伤响应规律的研究。本文将尖顶等效方波的概念引入客车碰撞安全领域，通过研究碰撞加速度曲线的尖顶等效方波的特征参数影响乘员损伤的规律，进而指导客车正面碰撞安全性的结构设计及优化。

1 尖顶等效方波模型

在车辆的碰撞力学上，通常采用一定的数学简化模型来模拟实际的加速度曲线。简化模型与原始曲线具有相同的时间历程和边界条件，保证车辆位移和速度足够接近于原始曲线。因此，可以通过提取简化模型的某些特征参数，直观地研究各特征参数与损伤之间的联系。碰撞加速度曲线的尖顶等效方波的简化模型如图1所示。

式中：0～tm为车辆的减速阶段；tm～tr为车辆的反弹阶段。a（0）为减速阶段加速度初状态；a（tm）为减速阶段加速度末状态；tm为车辆的反弹时刻，即车辆的碰撞速度－时间历程曲线上速度为0的时刻；tr为碰撞总时间，此时车速达到最大反弹速度Vr。

尖顶等效方波考虑了与原加速度曲线相同的时间历程与边界条件。经数学计算后，可得到以下各特征参数的表达式：

式中：tc为原加速度曲线与坐标轴围成形状的形心位置对应的时间；C为车体结构的最大变形量；V0为碰撞初速度。

对碰撞加速度曲线及尖顶等效方波进行积分计算，得到图2的速度及位移曲线。特征参数Vr、tm、C如图2所示。

从图2可以看出，利用尖顶等效方波模型化求得的速度及位移曲线与实车碰撞的速度及位移曲线都吻合得相当好。

2 尖顶等效方波可行性分析

以下对客车驾驶员进行损伤响应[6-7]分析。分析采用第50百分位男性假人，安全带一端固定在座椅靠背上，另一端固定在车身上。碰撞初速度为30 km/h（碰撞初速度参考客车座椅性能试验方法[8]），碰撞加速度分别采用实车碰撞试验提取的碰撞加速度及尖顶等效方波，分析结果如图3及表1所示。

表1 乘员损伤

从以上分析结果可以看出，采用实车碰撞的加速度与采用尖顶等效方波进行损伤响应分析，乘员损伤加速度曲线的趋势几乎是一致的，各伤害值的误差也较小，两者具有很高的吻合度。说明利用尖顶等效方波代替实车碰撞的加速度曲线进行乘员损伤响应分析是可行的。

3 特征参数影响乘员损伤的规律

尖顶等效方波主要是由 a（0）、a（tm）、tm及 tr等 4个特征参数来描述的，对于相同的约束系统，乘员损伤对具有不同特征参数的尖顶等效方波的响应也会有所不同。因此，认清尖顶等效方波特征参数影响乘员损伤响应的规律是十分必要的。在碰撞的开始时刻，车辆开始减速（一次碰撞[9]），由于乘员与约束系统之间存在一定的间隙，乘员在此刻并没有开始减速，而是继续以初始运动状态向前运动。当车辆的减速运动使得车辆与乘员之间出现相对速度，使得乘员与约束系统之间的间隙消除后，乘员开始受到约束系统的减速作用（二次碰撞）。此后，乘员与约束系统在相互作用下分别进行减速运动，车辆的速度在减速阶段逐渐降低到零，并经历反弹阶段后，最终达到静止状态。乘员胸部X向加速度不但受车身结构碰撞的影响，同时也与约束系统特性有关[10]。假人胸部加载段的加速度与相对车身位移具有良好的线性关系，因此，将乘员与约束系统简化成弹簧-质量系统。假设经过时间为t*，乘员相对车辆向前运动消除约束系统间隙δ后与约束系统产生二次碰撞，则有人体胸部响应为[11]

式中：aov（t）为胸部相对车辆的加速度；p*为该时刻车辆的加速度；△V*为乘员与约束系统发生作用时车辆速度的变化量；β 为加速度放大因子，等于 a（tm）/a（0）。

文献[12]表明，减小车身的平均加速度a、加速度均方根σa及最大加速度amax，对提高车辆的碰撞安全性具有显著效果。

基于以上理论，对于尖顶等效方波，可以通过调整以下两个特征参数达到提高车辆碰撞安全性的目的：增大碰撞时间tm，从胸部损伤响应的公式也可以看出，增大tm对于减小aov（t）有明显效果；使加速度放大因子β趋近于1。

修改图1的尖顶等效方波的特征参数，得到如图4所示的三组不同的尖顶等效方波，并以此进行乘员损伤响应分析。分析结果如图5及表2所示。

CASE1与 BASE相比，参数 tm不变，增大 a（0），减小 a（tm），即减小 β；CASE2与 BASE相比，同时增大 tm及β。

表2 三个方案的乘员胸部损伤对比

从表2可以看出，CASE1相比BASE，胸部3msG减小了1.1 g，说明在β大于1的情况下，减小β，对减小乘员损伤是有好处的；CASE2相比BASE，胸部3msG减小了3.3 g，说明尽管β增大了，但tm的增大，对减小乘员损伤是更为有效的。

4 基于尖顶等效方波的车体结构改进

基于尖顶等效方波影响乘员损伤响应的规律，从以下两个方面考虑对原型车碰撞加速度曲线进行优化，以提高车体结构的碰撞安全性，从而减小乘员损伤。

1）减小加速度放大因子β，即增大尖顶等效方波的a（0），减小a（tm）。具体做法是提高车辆前防撞横梁的刚度，提高吸能盒的极限屈曲载荷。

2）增大减速阶段的持续时间tm。具体做法是延长吸能盒的长度；而加速度放大因子β的减小，同样会使tm稍微有所增大。

基于以上优化思想，对原型车的前防撞梁结构进行优化。图6为2012年厦门金龙汽车在北京交通部汽车试验场进行前碰撞试验的某型半承载客车；图7为此客车在前部结构设计安装的前防撞梁结构示意图。客车前部由于空间有限，前纵梁前端至前围的距离只有100～180mm。因此，将前防撞梁的吸能盒设计成上、下两层，上部吸能盒安装在前纵梁之前，下部吸能盒通过安装支架与前纵梁相连，前防撞横梁安装在下部吸能盒前端。这种防撞梁结构不仅具备多传力路径的功能，能够充分地分散碰撞力，吸收更多的碰撞能量，从而达到优化车体碰撞加速度曲线的目的；同时由于碰撞点的降低，提高了与小车的碰撞相容性。但需要注意的是，下部吸能盒安装支架的设计，既要充分考虑与备胎及转向机的干涉，又要保证支架的刚强度，避免在碰撞过程中下部吸能盒因支架变形后移而无法溃缩变形。

经过结构优化后，车体碰撞加速度及尖顶等效方波如图 8所示：a（0）增大至 18.2 g，a（tm）减小至 20.6 g，tm增大至43ms。利用实车碰撞加速度曲线重新进行乘员损伤分析，得到图9的分析结果。乘员胸部损伤3msG由原来的29.2 g减小至27.1 g，效果显著。

5 结 论

1）分别采用实车碰撞试验的加速度曲线及尖顶等效方波进行乘员损伤响应分析，两者的乘员损伤曲线具有很好的吻合度，说明利用尖顶等效方波代替实车碰撞试验的加速度曲线进行乘员损伤响应分析是可行的。

2）对尖顶等效方波而言，当tm相同时，β越接近于1，相应的乘员胸部加速度峰值就越小；虽然β的增大可能导致胸部损伤增大，但当tm增大时，乘员胸部加速度峰值反而有明显的减小，说明乘员胸部加速度响应对tm的变化更为敏感，且随着tm的增大，胸部加速度峰值明显减小。

[1]朱西产.汽车正面碰撞试验法规及其发展趋势的分析[J].汽车工程，2002，24（1）：1-5，14.

[2]Steve Mark.Effect of Frontal Crash Pulse Variations on Occupant Injuries[C].The 18th International TechnicalConference on the Enhanced Safety ofVehicles，USA，2003.

[3]马志雄，朱西产.假人主要伤害值对等效双梯形减速度曲线的灵敏度分析[J].汽车工程，2009，31（2）：166-169.

[4]朱航彬，刘学军.正面碰撞波形对乘员伤害值的影响[J].汽车工程，2008，（11）

[5]马志雄，朱西产.台车试验中采用等效双梯形减速度曲线的模拟研究[J].汽车工程，2008，（5）

[6]MADYMO Theory ManualR6.4.1[CP].TNOMADYMO B.V.,the Netherlands，2007.

[7]张学荣，刘学军，陈晓东，等.正面碰撞安全带约束系统开发与试验验证[J].汽车工程，2007，（12）

[8]GB 13057-20XX，客车座椅及其车辆固定件的强度[S].北京：中国标准出版社，20XX.

[9]钟志华，张维刚，曹立波，等.汽车碰撞安全技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[10]李充，朱海涛.正面碰撞车身加速度与乘员胸部损伤研究[C].第七届国际汽车交通安全学术会议论文集，2009.

[11]张金换，杜汇良，马春生.汽车碰撞安全性设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[12]葛如海，刘星荣.汽车车身对壁正面碰撞安全性评价指标的研究[J].江苏理工大学学报：自然科学版，2001，（4）：20-31.

修改稿日期：2013-11-26

Structure Optimization of Coach Frontal Crash Safety Based on Triangle Equivalent Square Wave

Ye Songkui
（Xiamen King Long United Automotive Industry Co.,Ltd,Xiamen 361023,China）

There is a close correlation between the acceleration of vehicle structure frontal crash and occupant injury.According to the characteristics of the actual crash acceleration curve,the triangle equivalent square wave（TESW）model is established and the regular pattern of TESW parameters affecting human body injury response is studied in order to guide the structure optimization of vehicle frontal crash safety.

frontal crash；vehicle acceleration；TESW；occupantinjury

U 467.1+4

A

1006-3331（2014）01-0007-04

叶松奎（1984-），男，工程师；主要从事车辆被动安全CAE仿真分析工作。