基于关联性量化的碰撞安全性能正向设计

卢静 郑颢 欧阳俊 王玉超 邓淯方

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）

主题词：正面碰撞 结构设计指标 乘员损伤指标 关联性量化 正向设计

1 前言

轿车正面碰撞中的乘员保护设计包括车体结构设计和乘员约束系统设计两部分。目前国内在乘员保护性能设计中先进行车体结构设计，再基于车体结构进行乘员约束系统设计，这种设计方法需要事先确定车体结构设计目标，而该目标的确定一般基于以往车型的开发经验。当面向美国市场进行全新工况开发时，受开发经验限制，没有明确的车体结构设计目标，导致结构开发工作困难，存在反复修改车身结构并进行试验验证的问题。因此，如何建立美国标准开发工况下乘员损伤与车体结构之间可信的量化关联性，根据乘员损伤开发目标制定车体结构设计目标，是美标项目碰撞安全性能开发的重点工作。

国外已有较多文献基于正面碰撞工况研究了加速度波形与乘员损伤的关联性，得到了较小的减速度峰值和较长的减速度持续时间有利于乘员保护[1-2]、增大动态压溃和残余变形可减轻乘员损伤[3]、理想的减速度波形是前端峰值较高、中间较低[4-5]等结论。国内研究也指出，提高第1阶加速度峰值和降低第2阶加速度峰值有利于降低乘员损伤指标[6-9]。上述研究从趋势上分析了加速度波形与乘员损伤的关联性，但没有量化碰撞减速度波形与乘员损伤之间的关系，不能具体指导项目开发工作。

本文基于美国新车评价规程（US New Car Assessment Program，US-NCAP）全正面碰撞工况研究碰撞减速度波形与乘员损伤的量化关系，首先建立标准约束系统仿真模型，然后确定合理的车体结构设计指标和乘员损伤评价指标，最后基于标准模型分析不同车体结构设计指标下的乘员损伤指标变化规律，得到二者之间的量化关系，并基于得到的量化关系确定某车型USNCAP全正面碰撞工况下的车体结构设计目标。

2 车体结构设计指标与乘员损伤设计指标

2.1 车体结构设计指标

从波形变化趋势来看，碰撞波形常见的简化形式有等效方形波（Equivalent Square Wave，ESW）、尖顶等效方形波（Tipped Equivalent Square Wave，TESW）、等效双梯形波（Equivalent Double-Trapezoid Wave，EDTW），如图1 所示[10]。文献[10]～文献[13]研究表明，基于EDTW的胸部加速度与实际波形得到的胸部加速度十分接近。

图1 车体加速度拟合形式

对于正面100%刚性壁障碰撞，整车变形吸能区可以分为3个部分，即发动机前端与刚性壁障之间的结构变形D1、发动机后端与防火墙之间的结构变形D2a和防火墙的侵入变形D2b，如图2所示。正面碰撞加速度-时间历程可以分为3个主要阶段：一阶加速度G1（0～t2）、二阶加速度G2（t2～t4）、G3（t4～t6），其中t2为发动机与壁障接触时刻，t4为车辆开始反弹时刻。本文中，发动机悬置断裂技术的应用使得发动机与壁障接触后不会造成过大的加速度增加，二阶加速度的增加主要由发动机与前围接触造成，故本文中t2设定为发动机与前围接触时刻。根据变形区域能量守恒原理，可以将实车碰撞波形简化成物理特征明显的两阶等效波形，包括发动机与前围接触前和接触后2 个阶段，如图3 所示，其中G1为吸能空间变形波段（D1和D2a）的第1 阶等效加速度，G2为D2b变形波段的第2阶等效加速度。

图2 正面碰撞变形区

US-NCAP不考察胸部加速度，本文基于仿真分析模型采用头部加速度、髋部加速度、左上肋骨压缩量、右上肋骨压缩量4个乘员损伤指标验证了等效二阶波形与实际波形的预测精度，结果如图4～图7所示。可以发现，4个乘员损伤指标一致性较高，简化得到的等效二阶波形可以较好地代表原波形。故选择一阶加速度G1、二阶加速度G2、动态位移D作为结构设计的关键指标进行研究。

图3 等效2阶波形

图4 头部加速度

图5 髋部加速度

图6 左上肋骨压缩量

图7 右上肋骨压缩量

2.2 乘员损伤设计指标

US-NCAP计划在未来的评价体系中采用一种新的考察假人——THOR假人，为应对未来版本的US-NCAP，本文选择THOR-M假人进行研究，其考核指标如表1所示，其中车型1～车型7 为美国市场常见车型，包括雪佛兰、日产、本田、丰田、福特等品牌。由表1可知，胸部压缩量是该工况下失分最多的指标。同时，根据实际项目开发经验，乘员左上肋骨和右上肋骨更容易受到安全气囊的挤压，故本文选择THOR-M 假人左上肋骨和右上肋骨胸部压缩量作为乘员损伤研究关键指标进行研究。

表1 US-NCAP未来版征求意见稿THOR-M假人评价规则

3 基于标准约束系统的乘员损伤优化流程

为了更直接地研究车体结构设计指标与乘员损伤之间的量化关系，提出了标准约束系统的概念，即固化较优约束系统配置。基于固化的约束系统配置对结构设计指标进行优化设计，然后基于较优的结构波形开展约束系统参数的详细优化，新型优化流程如图8所示。

图8 基于标准约束系统的乘员损伤优化流程

基于新型优化流程，首先对原型车约束系统配置进行固化，如表2 所示，然后开展基于约束系统固化配置的原型车56FRB工况碰撞试验，并获得加速度波形，如图9 所示。然后基于原型车加速度波形建立有限元约束系统模型，如图10所示，有限元约束系统模型对比结果如图11所示，其精度达到85%以上，表明有限元模型可较好地反映原型车的损伤情况，建立的模型可用于后续分析。

表2 较优的标准约束系统配置

图9 原型车碰撞波形

图10 原型车仿真模型

4 结构指标对损伤指标的影响规律

将实车碰撞波形简化成2阶等效波形后，可以方便地研究波形典型特征对乘员损伤的影响，从而制定合理的结构指标。根据2.1节所述，将车体结构指标分为车体加速度（包括一阶加速度G1、二阶加速度G2）和动态位移（表征整车变形量，包括吸能空间和侵入量）。根据能量守恒原则：在动态位移D不变的情况下，改变G1时，G2会相应变化；G1不变的情况下，改变侵入量D2，G2会相应变化。故本文结构研究指标简化为2种情况：侵入量D2不变，改变G1；G1不变，改变侵入量D2。

图11 有限元约束系统模型仿真结果与试验结果

4.1 一阶加速度G1与乘员损伤的量化关系

根据2.1 中等效二阶波形的转换方法，在侵入量不变的情况下，通过改变G1得到10 组加速度波形，即波形1～波形10，如图12 和表3 所示。等效波形转换后，最大动态位移没有发生改变，随着G1的增加，G2不同幅度降低。

图12 不同G1下等效波形

表3 不同G1下等效波形参数

基于前文的标准有限元约束系统模型，对10 组等效波形进行仿真计算，得到不同等效波形与损伤指标的关系如图13、图14 所示，可以发现：第38 ms 前，仅在安全带作用下，胸部压缩量随着G1的提高而增加；第38 ms 起，气囊与胸部接触，胸部压缩量开始降低，随后，在安全带和安全气囊的综合作用下，胸部压缩量随G1的提高呈现降低的趋势；在第63～70 ms，转向管柱完成溃缩，胸部压缩量呈现降低趋势。对胸部压缩量变化的原因进行分析可知，其变化主要可以分为3 个阶段：初始时刻到气囊与胸部接触时（阶段1）；气囊与胸部接触时到转向管柱开始溃缩（阶段2）；转向管柱溃缩时到碰撞结束（阶段3）。阶段1 直接受G1影响，约束系统影响因素单一；阶段2 直接受G2影响，约束系统影响因素单一；阶段3 车体开始反弹，转向管柱开始溃缩，约束系统影响因素复杂。故阶段2 胸部压缩量变化情况是车体加速度的最直接反映。从图13 可以发现，第63 ms 时刻，左上肋骨胸部压缩量变化规律明显，当G1≤22g时，其对胸部压缩量影响显著，G1每增加1g，左上肋骨胸部压缩量降低约2 mm，当G1＞22g时，其对胸部压缩量影响较小。

图13 左上胸部压缩量

图14 右上胸部压缩量

按照上述方法对第64 ms 时刻右上肋骨胸部压缩量进行分析，结果与G1对左上肋骨胸部压缩量的影响相同。故G1较优值设定为22g。

4.2 侵入量D2与乘员损伤的量化关系

根据2.1 节中等效2 阶波形的转换方法，在G1不变的情况下，通过改变D2，得到5 组加速度波形，即波形11～波形15，如图15 和表4 所示。等效波形转换后，G1没有发生改变，随着D2的增加，G2不同幅度降低。

图15 不同侵入量D2下的等效波形

表4 不同侵入量D2等效波形参数

基于前文的标准有限元约束系统模型，对5组等效波形进行仿真计算，得到不同等效波形与损伤指标的关系如图16、图17所示。按照4.1节中所述方法分析左上胸部和右上胸部压缩量，可以发现同样规律：第64 ms时刻（转向管柱溃缩时刻），侵入量D每增加10 mm，胸部压缩量降低约1 mm。

图16 左上胸部压缩量

图17 右上胸部压缩量

5 基于量化关系的乘员损伤优化

5.1 基于量化关系的结构设计优化

为了验证所得量化关联关系的准确性，在某车型的开发过程中进行了验证工作。某车型基于标准配置约束系统仿真模型预测胸部压缩量最大值为53.4 mm，出现在右上肋骨位置，不满足胸部压缩量49 mm的开发目标。根据车体结构实际情况提出了G1提高2g和D增加10 mm的优化方案，优化前、后波形对比结果如图18所示。分别将G1和D优化后的结构波形输入标准约束系统有限元模型进行计算，胸部压缩量对比如图19所示，量化关系预测精度如表5所示。

图18 结构指标对比

5.2 基于较优车体结构的约束系统优化

5.1 节中通过量化关系对结构设计指标直接进行了优化，胸部压缩量降低了5.1 mm，从图19 可以看出，在第70 ms 后，胸部压缩量再次上升并形成峰值，该处加速度主要受约束系统影响，故按照前文优化流程，基于较优车体结构进行约束系统参数优化。根据优化经验，提出采用双级限力安全带优化第70 ms 后的胸部压缩量，优化结果如图20、图21所示，在第70 ms时刻降低安全带限力等级，胸部压缩量出现明显降低。

图19 乘员损伤对比

表5 量化关系预测精度

图20 双级限力安全带作用下乘员损伤变化

图21 双级限力安全带限力特性对比

6 结束语

本文建立了标准约束系统仿真模型，以一阶加速度G1、二阶加速度G2、动态位移D为车体结构设计指标，胸部压缩量为乘员损伤指标，分析获得了不同结构下乘员损伤指标变化规律：D不变的情况下，当G1≤22g时，G1每增加1g，胸部压缩量约降低2 mm，当G1＞22g时，其对胸部压缩量影响较小；G1不变时，D每增加10 mm，胸部压缩量约降低1 mm。以上述量化关系预测为基准，在某车型胸部压缩量优化过程中对量化关系进行了验证，结果表明，该量化关系预测精度为98%。

基于标准约束系统模型的车体结构设计指标和乘员损伤指标之间量化关系明确后，可快速根据乘员保护目标设定及优化结构设计目标，且有较高精度。

本文局限于定前悬下的车体结构设计关键指标研究，改变前悬长度的车体结构设计指标研究是下一步的重点工作。