角度碰撞中车-车碰撞兼容性的研究*

颜凌波,丁宗阳,曹立波,谢 飞,乐中耀

(1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039； 2.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；3.神龙汽车有限公司技术中心，武汉 430056)



2015216

角度碰撞中车-车碰撞兼容性的研究*

颜凌波1,2,丁宗阳3,曹立波2,谢 飞1,乐中耀1

(1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039； 2.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；3.神龙汽车有限公司技术中心，武汉 430056)

为探究车与车角度碰撞下的车辆碰撞兼容性，运用LS-DYNA对比研究车与车角度碰撞中汽车前纵梁参与和不参与主要变形两种工况条件下的汽车动态响应，分析两种工况下整车质量参数对碰撞响应和碰撞兼容性的影响。结果表明，纵梁参与主要变形时，质量参数对两车碰撞兼容性的影响比纵梁未参与主要变形时更显著。

汽车碰撞安全；正面角度碰撞；碰撞兼容性；整车质量

前言

车与车的碰撞事故是主要的交通事故形态，我国道路交通事故统计年报显示，2005年我国发生的交通事故中，正面碰撞事故占全部交通事故的比例较高，达到26.43%，而正面碰撞事故导致的人员伤亡占全部交通事故伤亡人数的27.73%[1]。因此，正面碰撞在碰撞试验研究中被作为主要研究对象。

正面碰撞的试验方法可分为全宽碰撞、角度碰撞和偏置碰撞3种碰撞试验形式。我国于2002年颁布了正面碰撞法规《CMVDR294关于正面碰撞乘员保护的设计规则》，采用100%重叠率、90°刚性固定壁障正面碰撞试验。又于2007年12月开始实施《GB/T 20913—2007乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》，采用40%重叠率的偏置可变形壁障碰撞试验。我国的法规中并没有关于角度碰撞的内容和试验要求，在角度碰撞方面的研究也不多。然而，根据文献[2]中对美国国家汽车调查系统耐撞性数据系统(NASS-CDS)的统计结果分析，正面碰撞中汽车碰撞角度为0°～15°占65.2%；碰撞角度为15°～45°占29.5%[2]，可见角度碰撞在现实交通事故中占有一定的比例。因此，进行汽车角度碰撞的研究，对进一步完善碰撞安全法规，提高汽车安全性具有非常重要的意义。

国外研究指出，汽车前纵梁作为正面碰撞的关键吸能部件，是否直接参与碰撞对汽车碰撞的载荷传递方式和变形模式影响很大[3]。单侧纵梁直接参与碰撞的模式下，前纵梁和动力总成参与传递碰撞力；纵梁不直接参与碰撞的模式下，碰撞力主要由上边梁和车轮传递给乘员舱。从碰撞后车体变形区域来看，纵梁不直接参与碰撞的车体变形区域在纵梁的外侧；单侧纵梁直接参与碰撞时车体主要变形区域包含纵梁外侧和车体中间部分。据统计，在瑞典，前纵梁不直接参与碰撞的事故中的乘员死亡数在正碰死亡事故统计中大约占48%，单侧纵梁直接参与碰撞的事故造成的乘员死亡占33%[4]。国外许多学者都将这两种碰撞模式进行了比较，发现两种工况下车身碰撞特性和损伤情况均存在差异[5-6]。因此，在角度碰撞的研究中，也应该充分考虑前纵梁是否直接参与对角度碰撞的影响，但目前关于角度碰撞时前纵梁是否直接参与碰撞变形这两种工况下车车碰撞特性的差别研究很少。另外，现行的正面碰撞试验评价方法都只能比较类型相似的两辆车之间发生的碰撞事故中安全性能的好坏，没有考虑车辆碰撞兼容性的影响[7]。研究表明，不同车型之间的碰撞兼容性问题会对正面碰撞事故中的车身动态响应产生一定影响，其中整车质量参数是导致碰撞兼容性问题的主要影响因素[8]。但在角度碰撞中纵梁是否直接参与碰撞变形对车车碰撞兼容性的影响还缺乏相关研究来说明。

因此，本文中运用LS-DYNA分别建立了3种不同车型在角度碰撞中前纵梁参与和不参与主要变形这两种工况下的有限元仿真模型，比较了两种工况下车车碰撞在汽车动态响应方面的区别；除此之外，还研究了整车质量参数在两种工况条件下对汽车动态响应和车车兼容性的影响。

1 车车碰撞仿真模型的建立

1.1 整车有限元模型的验证

选用2010年版丰田Yaris、2012年版丰田Camry和2003年版福特Explorer作为研究对象。3款车的整车有限元模型由美国国家碰撞分析中心(National Crash Analysis Center, NCAC)建立并发布。NCAC在建立该模型后，将其与整车试验进行了对比验证，其中整车试验数据来自于美国新车碰撞测试中的100%正面碰撞试验，试验的碰撞速度为56km/h，试验号依次为5677[9]，7520[10]和3730[11]。

1.2 车车角度碰撞模型的建立

根据文献[12]中对美国国家汽车调查系统耐撞性数据系统(NASS-CDS)1995-1999年的统计结果分析，在车车角度碰撞事故中，左侧角度碰撞是发生概率较高的一种车车碰撞模式，并且碰撞夹角为30°时发生的频率最高(图1)。另外，根据文献[13]中对我国道路交通事故统计结果的研究，75%的交通事故中事故车的车速在50km/h以下。

根据以上数据，本文中所有仿真都设置为左侧角度碰撞，两车碰撞夹角为30°，碰撞时车速为50km/h。为明确被碰车的碰撞点，并保证仿真设置的可重复性，分别选取被碰车乘员侧座椅R点和被碰车驾驶员侧座椅R点与乘员侧座椅R点的中点作为仿真设置的参考点，并使碰撞车的中垂面分别通过这两点来设置仿真模型中碰撞车的位置。当碰撞车的中垂面通过被碰车驾驶员侧座椅R点和乘员侧座椅R点的中点时，碰撞车的左侧纵梁在纵梁开始接触变形时处于被碰车左侧纵梁的外侧，即远离被碰车的中垂面，将此种碰撞设置标记为工况1；当碰撞车的中垂面通过被碰车的乘员侧座椅R点时，碰撞车的左侧纵梁在纵梁开始接触变形时处于被碰车左侧纵梁的内侧，即靠近被碰车的中垂面，将此种碰撞设置标记为工况2，如图2所示。

考虑到不同车型之间的碰撞兼容性问题会对碰撞事故中的车身动态响应产生一定影响，而目前市场上有微型车、中级车和SUV 3种主流车型。因此，选取典型微型车丰田Yaris、典型中级车丰田Camry和典型SUV福特Explorer，在两种角度碰撞工况下进行车车碰撞仿真。仿真矩阵如表1所示。另外，由于整车质量参数是导致碰撞兼容性问题的主要影响因素，为分析碰撞车质量在两种角度碰撞工况下对车车碰撞兼容性的影响趋势，通过对车身主要结构件均匀配重，分别将初始质量为1 250kg的Yaris配重为中级车丰田Camry的质量1 600kg和SUV福特Explorer的质量2 250kg，并保持质心位置不变，分别对被碰车前纵梁参与和不参与主要变形的两种角度碰撞工况进行了仿真模拟。仿真矩阵如表2所示。

表1 不同车型的车车碰撞仿真模型

表2 不同质量的车车碰撞仿真模型

2 两种工况下碰撞特性的分析比较

2.1 被碰车碰撞特性对比

图3给出两种工况下被碰车前纵梁参与碰撞变形的典型情况。从图中可以看出：工况1中的被碰车前纵梁并未直接参与碰撞,没有发生明显变形；工况2中的被碰车左侧前纵梁直接参与碰撞，前纵梁发生弯曲变形。

两种工况下车车发生碰撞的部位不同，被碰车车体主要变形区域也有所不同，无论碰撞车采用何种车型，两种碰撞工况条件下被碰车车体主要变形情况的差异如图4所示。其中工况1的被碰车车体损伤宽度较小，汽车载荷作用部位在纵梁的外侧，前纵梁变形吸能较少，纵梁外侧上边梁和悬架吸能较多。工况2的被碰车单侧纵梁直接参与碰撞吸能，并且防撞梁将一部分碰撞能量传递到了车体右侧，发动机也参与碰撞，汽车前舱损伤宽度和压溃程度明显大于工况1。

车身前舱作为正面碰撞时主要的缓冲吸能区域，前舱吸能的多少很大程度上反映了汽车前舱参与碰撞的程度。图5对比了两种工况下车身前舱吸能情况。可以看出，无论碰撞车为何种车型，工况2中被碰车前舱碰撞吸能多于工况1。这表明在工况1条件下车身前舱缓冲吸能的作用较小，而工况2中碰撞时车身前舱有更多部件参与变形或有更大的变形。

两种工况下Yaris与不同车发生角度碰撞，碰撞过程中被碰车加速度峰值如图6所示。由图6可见，工况1中被碰车的车身加速度峰值均小于工况2中被碰车加速度峰值，这是因为在工况1中，被碰车的纵梁并未直接参与变形，其主要受力部件为纵梁外侧的部件，相对刚度要比纵梁小，纵向受力也小于当纵梁直接参与变形时的情况，因此，工况1下的加速度峰值要比工况2的小。

在两种碰撞工况中，无论碰撞车为何种车型，被碰车发生最大侵入的位置不变，即防火墙驾驶员侧的左边区域。但两种工况中导致侵入量的原因却有所不同。其中在工况1时，由于前纵梁不参与载荷传递，碰撞力通过左前轮和上边梁传递给A柱和铰链柱，导致铰链柱附近防火墙区域发生变形。在工况2中造成防火墙左边区域变形的原因则主要有两个方面：一方面，前纵梁参与载荷传递，且发生弯折变形，前纵梁根部挤压防火墙导致变形；另一方面，碰撞车撞击左侧轮胎从而挤压铰链柱，导致被碰车防火墙附近区域发生变形。两种工况被碰车乘员舱防火墙侵入量如图7所示。碰撞车为Yaris、Camry时，两种工况下被碰车的铰链柱均未发生明显弯折变形，工况2中被碰车乘员舱侵入量大于工况1；当碰撞车为Explorer时，由于Explorer攻击性较强，工况1中被碰车Yaris的铰链柱发生明显弯折变形，乘员舱从铰链柱附近被压溃，导致防火墙侵入量陡然增加，工况1中被碰车乘员舱侵入量大于工况2。

2.2 碰撞车碰撞特性对比

在不同车型碰撞的仿真结果中，两种工况下碰撞车的动态也存在明显差异。图8示出两种工况下Yaris与Yaris角度碰撞时，碰撞前后汽车位置的变化，碰撞前车体以半透明状态显示，碰撞后车体实体状态显示。由图8可知，碰撞过程中，两种工况下的碰撞车均发生了明显的转动，但工况1中的碰撞车转动幅度要大于工况2中的碰撞车，该现象在碰撞车为Camry和Explorer时也同样存在。表3示出两种工况下不同车型角度碰撞中碰撞车在120ms时的具体转动角度。从表3可以更直观地发现，两种工况下碰撞车转动程度有所不同，工况1时碰撞车转动的角度大于工况2，但随着碰撞车车型从微型车变化为中级车和SUV，两种工况下碰撞车转动幅度的差异逐渐减小。

表3 两种工况下碰撞车转动角度 (°)

图9示出两种工况下碰撞车乘员舱侵入量。由图9可见，无论碰撞车为何种车型，两种工况的最大侵入部位均在防火墙驾驶员侧的中间区域。但工况2下的碰撞车乘员舱侵入量均小于工况1的，这主要是因为在工况1下，碰撞车的纵梁变形相对较小，所吸收的能量较少；同时，碰撞车的纵梁所对应的被碰车上的位置为被碰车纵梁外侧，这个区域内的部件刚度较低，无法完全承受碰撞车的冲击力，从而导致碰撞车更多地向被碰车的左侧车轮移动，进而使被碰车的左侧车轮挤压碰撞车的悬架部件，并导致更大的防火墙侵入。而在工况2下，由于两车纵梁发生碰撞变形，其是主要的受力部件，这在很大程度上阻挡了被碰车的左侧车轮对碰撞车的侵入，因此，工况2中碰撞车的乘员舱侵入量要小于工况1中的相应数值。

3 车身质量对两种角度碰撞的影响分析

由上述分析可知，纵梁是否参与主要碰撞变形对车车碰撞中的汽车动态响应有明显影响。为更全面了解在这两种工况下单独车辆参数对车车碰撞中碰撞特性和兼容性影响的差异，本文中分析了车身质量在两种工况下对碰撞特性和兼容性的影响。

3.1 碰撞车质量对角度碰撞的影响

在两种工况下，保持被碰车质量不变，增加碰撞车质量，两车发生最大侵入的位置不变，其中碰撞车侵入量最大的位置在防火墙驾驶员侧的中间区域，被碰车侵入量最大的位置在防火墙驾驶员侧的左边区域。碰撞车与被碰车最大侵入量如图10和图11所示，随着碰撞车质量的增加，两车的最大侵入量均呈现增加的趋势，这主要是因为在其他条件不变的情况下，随着质量的增加，两车碰撞的总动能也增加，两车碰撞需要更多的变形来吸收增加的动能，这也就导致了两车的侵入量随着质量的增加而变大。

在车车碰撞中，两车之间的吸能比反映了其中一车对另一车的侵略性，其数值过高或过低均表示其中一个车对另一个车的侵略性过高[14]。图12给出两种工况下碰撞车吸能与被碰车吸能的比值随着碰撞车质量增加而变化的趋势。由图12可见，在工况2下，随着碰撞车质量的增加，碰撞车吸能与被碰车吸能的比值分别为1.18，1.16，1.11，呈现逐渐降低的趋势，这表明随着碰撞车质量的增加，碰撞车对被碰车的侵略性也在增加；而在工况1下，随着碰撞车质量的增加，两车吸能比分别为1.34，1.61，1.41，两车的吸能分配变化幅度较大，并呈现出不规律性，即碰撞车质量的增加不一定会增加碰撞车的侵略性。

3.2 被碰车质量对角度碰撞的影响

在两种工况下，保持碰撞车质量不变，增加被碰车质量进行仿真计算。结果表明，两种工况下，被碰车侵入量最大的位置依旧在防火墙驾驶员侧的左边区域，碰撞车侵入量最大的位置在防火墙驾驶员侧的中间区域。碰撞车与被碰车最大侵入量如图13和图14所示。由图可见，与之前碰撞车质量变化的情况一样，随着被碰车质量的增加，两车的侵入量均呈现增加的趋势。

图15给出两种工况下，碰撞车吸能与被碰车吸能的比值随着被碰车质量的增加而变化的趋势。从图中可以看到，其吸能比的变化趋势与碰撞车质量增加时的变化趋势基本相同。在工况2中，随着被碰车质量的增加，碰撞车与被碰车的吸能比分别为1.18，1，0.93，呈现逐渐降低的趋势，这表明随着被碰车质量的增加，碰撞车对被碰车的侵略性也在逐渐增加。而在工况1中，随着被碰车质量的增加，两车吸能比分别为1.34，1.27，1.31，两车的吸能分配呈现出不规律性。

综上所述，无论纵梁是否参与主要变形，两车碰撞时的最大侵入量都会随着质量的增加而增加，但是两车的吸能比随质量变化而变化的趋势则会由于纵梁是否参与主要变形而有所不同，其中在工况2下两车的吸能比对质量参数变化的敏感性要比工况1中更为显著，因此，在工况2中整车质量的变化对车车碰撞兼容性的影响更为明显。

4 结论

对车车角度碰撞中前纵梁是否参与主要碰撞变形的两种工况下的汽车动态响应进行了对比研究。分析了在这两种工况下不同车型发生角度碰撞对汽车响应特性的影响，并进一步探究了整车质量对两种角度碰撞工况中汽车响应特性和车车碰撞兼容性的影响。

研究结果表明，在车车角度碰撞中，两车前纵梁是否参与主要碰撞变形对两车碰撞的汽车动态响应影响明显。当前纵梁参与主要变形时，被碰车的前端变形宽度比纵梁未参与时的变形宽度更宽，被碰车车身加速度比纵梁未参与时的车身加速度更大；两种工况下，被碰车乘员舱侵入的原因也有所不同，当前纵梁不参与主要变形时，被碰车乘员舱侵入主要由A柱和铰链柱受到冲击变形引起，当前纵梁参与主要变形时，除A柱和铰链柱变形会影响乘员舱侵入以外，前纵梁发生弯折变形挤压防火墙也会导致乘员舱侵入。同时，当纵梁参与主要变形时，碰撞车的转动幅度要小于纵梁未参与时的转动幅度，其最大侵入量比前纵梁未参与时的碰撞车最大侵入量更小。由此可见，纵梁是否参与主要变形是车车角度碰撞分析中应主要考虑的一个因素。

另外，在车车角度碰撞中，无论何种工况，整车质量的增加都会导致参与碰撞的两车侵入量增加。但是两车的吸能比随质量增加而变化的趋势会根据纵梁是否参与主要变形而有所不同，进而影响车车碰撞中的两车兼容性。其中当纵梁参与主要变形时，整车质量的增加会导致两车吸能比的减小，即该工况下整车质量的增加会导致碰撞车对被碰车的侵略性增大；而当纵梁未参与主要变形时，碰撞车与被碰车的吸能比不随整车质量的增加而呈现规律性变化，即该工况条件下碰撞车对被碰车的侵略性与整车质量的影响关系并不明显。这表明在纵梁参与主要变形时，两车碰撞兼容性对质量参数的敏感性要比纵梁未参与主要变形时更显著。但两种工况下的兼容性变化趋势还需结合车身刚度和几何高度进一步研究。

[1] 公安部交通管理局.中华人民共和国道理交通事故统计年报(2005年度)[R].2006.

[2] Sullivan K, Henry S, Laituri T R. A Frontal Impact Taxonomy for USA Field Data[J]. SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems,2009,1(1):406-429.

[3] Brumbelow M L, Zuby D S. Impact and Injury Patterns in Frontal Crashes of Vehicles with Good Ratings for Frontal Crash Protection[C]. 21th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, Stuttgart, Germany,2009.

[4] Lindquist M, Hall A, Björnstig U. Car Structural Characteristics of Fatal Frontal Crashes in Sweden[J]. International Journal of Crashworthiness,2004,9(6):587-597.

[5] Sherwood C P, Nolan J M, Zuby D S. Characteristics of Small Overlap Crashes[C]. 21th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, Stuttgart, Germany,2009.

[6] Hallman J J, Yoganandan N, Pintar F A. Injury Differences Between Small and Large Overlap Frontal Crashes[C]. 55th Annual Scientific Conference, Paris, France,2011.

[7] 雷雨成,严斌,程昆.汽车的碰撞相容性研究[J].汽车科技,2004(1):15-17.

[8] Padmanaban J. Influences of Vehicle Size and Mass and Selected Driver Factors on Odds of Driver Fatality[C]. Annual Proceedings of the Association for the Advancement of Automotive Medicine, Barrington,2003.

[9] NCAC. Finite Element Model of Toyota Yaris[R]. NHTSA National Crash Analysis Center,2010.

[10] NCAC. Finite Element Model of Toyota Camry[R]. NHTSA National Crash Analysis Center,2012.

[11] NCAC. Finite Element Model of Ford Explorer[R]. NHTSA National Crash Analysis Center,2007.

[12] Ragland C L, Fessahaie O, Elliott D. Evaluation of Frontal Offset/oblique Crash Test Conditions[C]. 17th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, Amsterdam, Netherlands,2001.

[13] 陈君毅,王宏雁,潘婷.从道路交通事故研究看我国汽车正面碰撞法规试验形式[J].汽车工程,2010,32(2):168-172.

[14] Verma M K, Lavelle J, Tan S. Injury Patterns and Effective Countermeasures for Vehicle Collision Compatibility[C]. 19th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, Washington DC, USA,2005.

A Research on Vehicle to Vehicle Crash Compatibility in Oblique Crash

Yan Lingbo1,2, Ding Zongyang3, Cao Libo2, Xie Fei1& Yue Zhongyao1

1.StateKeyLaboratoryofVehicleNoise-Vibration-HarshnessandSafetyTechnology,Chongqing400039;2.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;3.DongfengPeugeotCitronAutomobileCompany,Wuhan430056

For investigating the crash compatibility in vehicle to vehicle oblique crash, LS-DYNA is used to simulate and compare the dynamic response of vehicle between two conditions: with and without the participation of front rail in major deformation, and the effects of vehicle mass on crash response and crash compatibility in both conditions are analyzed. The results show that the effects of vehicle mass on crash compatibility with front rail participating in major deformation are more significant than that without.

vehicle crash safety; frontal oblique crash; crash compatibility; vehicle mass

*国家973计划项目(2012CB723802)和湖南大学青年教师成长计划资助。

原稿收到日期为2014年2月17日，修改稿收到日期为2014年6月9日。