一体式侧面柱碰撞减速台车研究

2021-12-28商恩义李月明习波波蒋守国

农业装备与车辆工程 2021年12期

商恩义，李月明，习波波，蒋守国

（315336 浙江省宁波市浙江省汽车安全技术研究重点实验室，吉利汽车研究院（宁波）有限公司）

0 引言

2020 版欧洲新车评价规程（European New Car Assessment Program,Euro NCAP）[1]和2021版中国新车评价规程（China New Car Assessment Program,C-NCAP）[2]中，均指定有侧面柱碰撞试验。与移动壁侧面碰撞试验相比，侧面柱碰撞试验车体受力更加集中，车门碰撞位置侵入速度更快、侵入量更大，增加了车身侧面结构和侧面约束系统开发难度。为提前识别车身侧面设计中存在的风险，及减少优化侧面约束系统过程中实车碰撞试验次数，一些汽车主机厂和零部件供应商试验室开始开发侧面柱碰撞台车试验能力。当前，伍腾飞[3]等基于加速台车试验系统开发了一种简易的柱碰撞台车试验方法，即将柱壁障固定在台车上，并将其两侧与经过简化的车门通过铰链连接。在台车被加速后，利用柱子前冲撞向座椅及乘员，柱壁障两侧简化车门绕着柱子向后转动，来模拟实车侧面柱碰撞过程中车门凹陷变形侵入过程。另外，AUTOLIV 公司开发了侧面柱碰撞减速台车试验系统，其包含两部分：一部分是试验中固定在刚性碰撞壁上的侧面柱壁障和复现实车减速过程的吸能机构；另一部分是台车及安装在其上的模拟碰撞侧车门和座椅结构。无论加速型还是减速型，当前的侧面柱碰撞台车试验系统普遍结构复杂、操作困难，而且可调节点少，不利于精确复现实车碰撞试验结果。

1 侧面柱碰撞试验结果分析

建立车身坐标系：x 向为前后方向，向前为正；y 向为左右方向，向右为正；z 向为上下方向，向下为正[4]。C-NCAP 中指定的侧面柱碰撞试验要求车辆驾驶员侧与刚性柱发生碰撞。平行于车辆碰撞速度矢量的垂直面与车辆纵向中心线之间应形成75°±3°的碰撞角，即车辆x 向与轨道之间成75°角。前排驾驶员位置放置一个WorldSID 50th 假人，刚性柱表面中心线应对准假人头部质心，且在通过假人头部质心与车辆运动方向垂直的平面内。车辆碰撞速度为 32± 0.5 km/h。试验中，采集假人头部线性加速度、上颈部力和力矩、肩部关节力和肩部肋骨位移、胸部肋骨位移（上、中、下）、腹部上肋骨和下肋骨位移、腰椎T12 加速度、骨盆加速度和骨盆耻骨力、股骨力，通过上述部位测量结果，评价人员受伤害情况。

开发侧面柱碰撞减速台车（Side Impact Pole Deceleration Sled,SIPS），应全面考虑上述试验条件，并能根据要求全部或部分地复现假人伤害，因此SIPS 应尽能模拟实车试验中车体减速过程、车门变形状态及侵入速度。

1.1 车体减速过程复现

统计分析12 款车侧面柱碰撞试验中假人伤害情况，在碰撞进行至80 ms 时，假人最大伤害均发生完成。录像分析相应12 款车碰撞前80 ms车体状态，如图1 所示。碰撞80 ms 时刻与0 时刻的车体状态基本一致，碰撞角没有发生明显变化。基于此，SIPS 设计中可不考虑车体旋转，即台车按实车试验要求搭建门结构、座椅结构等工况后，只沿牵引轨道方向进行碰撞。

图1 侧面柱碰撞过程中车体状态Fig.1 Vehicle shape during pole side impacting

实车碰撞中，碰撞前80 ms 柱壁障与车辆x轴之间成75°角，则可以将车体非碰撞侧x 向和y 向合成加速度视为碰撞过程中车体运行方向的加速度，用AR 表示。参考正面台车碰撞试验模拟实车减速过程中，台车复现B 柱下x 向减速度曲线，当侧面柱碰撞只沿牵引轨道方向进行时，则SIPS 复现AR 即可。另外，正面台车试验中，要求所复现加速度积分求得速度与实车速度偏差为±1 m/s[5]，结合台车模拟实车主要以保证假人各部位伤害满足对标要求为主，则确定SIPS也参照此规定执行。

2.2 侧面柱碰撞车身变形分析

按照C-NCAP 要求所进行的侧面柱碰撞试验，车身的变形情况通常如图2 所示。碰撞点基本处于B 柱前，碰撞过程中，柱壁障带动两侧车门及推动门槛变形侵入车体。两车门在变形过程中，相对前车门，后车门转动角度小。对于车内，内饰板后端向内侵入并将座椅靠背向中央通道侧挤压。试验后，座椅固定点变形情况通常如图3所示，驾驶员座椅左后固定点位置向内翻转。

图2 侧面柱碰撞车体变形Fig.2 Vehicle deformation in side pole impact test

图3 座椅固定点变形Fig.3 Deformation of seat fixing situation

2 侧面柱碰撞减速台车设计

2.1 波形复现方式制定

马志雄[6]等研究表明，实车正碰减速度波形很复杂，但经更低频率等级CFC20 滤波可以生成双梯形波，等效双梯形波下，台车试验的假人伤害值响应以及运动姿态与实车正碰波形下台车试验的假人伤害值响应以及运动姿态的一致性非常好。参照此研究结果，将某款车用FS 代替，以FS 车为例，分析侧面柱碰撞中实车的AR 曲线特点。FS 车侧面柱碰撞后，CFC60 滤波AR 曲线和CFC20 滤波AR 曲线及处理后速度、速度差值曲线如图4 所示。

图4 FS 车侧面柱碰撞减速情况Fig.4 Deceleration circumstance of FS vehicle in side pole impact test

图4（a）中，不同滤波等级下两条曲线差异明显，CFC60 滤波曲线波动幅度较大，CFC20滤波曲线波动较小，近似梯形。图4（b）中，两条滤波等级下的速度曲线最大差值不到0.2 m/s。图4 表明，SIPS 也可采用梯形波理论，直接复现实车AR 的CFC20 滤波曲线即可。

当前复现梯形波的减速型台车试验用吸能机构，所采用变形吸能材料通常是钢板、钢棒、钢管，鉴于实车AR 曲线CFC20 滤波后近似梯形，故SIPS 采用此方式复现实车减速过程。几种变形材料中，钢管吸能特性强，使用轻便，决定将某尺寸不锈钢管作为SIPS 吸能材料。验证所选钢管的特性。搭建验证试验如图5 所示。将3 根钢管通过夹具固定在刚性壁障上，用重1 500 kg台车以32 km/h 速度撞击，试验结果如图6 所示。

图5 钢管特性验证试验Fig.5 Verification test of characteristics of steel tube

从图6（a）中可以看出，钢管溃缩变形，褶皱均匀、稳定；从图6（b）中可以看出，台车在钢管溃缩作用下产生的加速度曲线近似梯形，上升斜率均匀且通过钢管长短差异化布置可调。3 根钢管作用下台车加速度幅值约为130 m/s2，换算成1 000 kg 台车冲击下一根该型号不锈钢钢管的作用，则该钢管的阻尼特性为65 m/s2/根。该结果表明，所选型号不锈钢管可作为SIPS 吸能材料，通过钢管溃缩模拟碰撞侧车身的凹陷变形。钢管阻尼作用可通过台车实际质量进行换算。试验中，钢管根数和长短可依据所复现曲线的幅值和上升斜率确定。为减少柱型壁障与车门、假人碰撞过程对波形产生的影响，台车整体设计应偏重。

图6 验证试验结果Fig.6 Results of verification test

对于吸能钢管安装形式，通过工装安装在正面碰撞用刚性壁障，操作复杂，故决定安装在台车前端，试验中直接撞击刚性壁障。

2.2 柱壁障方案设计

当前，行业内所设计SIPS，其壁障与实车侧面柱碰撞相同，也安装在正面刚性壁障上，每次试验需要进行拆装，操作不便。另外，试验中台车一旦出现偏离，碰撞位置则出现偏差，该情况下对台车上的结构会造成损伤。结合吸管钢管安装在台车上，确定将柱壁障简化后也安装在台车上，以保证侧面柱碰撞台车试验系统一体式结构。具体安装方式如图7 所示。柱形头靠近门板侧，碰撞侧安装碰撞板，两者之间通过穿过线性轴承的光轴连接，而且为了碰撞过程稳定，将柱壁障结构置于吸能管布局靠近中间位置。

图7 柱壁障及吸能钢管布置方案Fig.7 Layout plan of pole-barrier and steel tube

2.3 门结构设计

实车侧面柱碰撞过程中，两车门凹陷变形，相对前车门，后车门变形角度小，因此如图8（a）所示，设计车门结构为三段式，即由3 块铝板构成：前门板需要安装内饰板，最宽；中间铝板模拟凹陷，最窄。如图8（b）所示，试验时，让前门板与中间门板接缝处于头部质心与柱壁障中心所在平面，以确保碰撞过程中后车门变形相对前车门偏小。另外，为了调节前后门板侵入角度的差异，分别增加了拉杆和限位环结构进行约束。

图8 门结构设计方案Fig.8 Design scheme of door structure

2.4 座椅结构设计

实车侧面柱碰撞过程中，碰撞侧座椅整体向中央通道一侧挤压，且碰撞侧后固定点结构明显向内翻转，因此座椅安装基座设计成滑块导轨结构，通过碰撞中向远端移动模拟其受挤压变形。在座椅远端固定一块挡板来模拟中央通道。唐爽[7]等的研究表明，蜂窝铝材料动态压缩力学性能稳定，是微调溃缩过程的很好材料，因此在座椅安装基座与挡板之间放置蜂窝铝来调节座椅侧向移动速度。另外，将碰撞侧后固定点设计成可以绕其前固定点转动结构，旋转快慢通过在转动间隙间放置蜂窝铝进行调节，以此方式模拟碰撞中两后固定点间距缩短情况。考虑SIPS 将来可能会开展farside 试验（评价侧面碰撞碰撞侧远端乘员伤害），设计中预留非碰撞侧座椅安装结构。具体设计方案如图9 所示。

图9 座椅结构Fig.9 Seat structure

2.5 SIPS 总成设计

设计台车平台，细化各结构设计，完成SIPS总成设计如图10 所示。

图10 台车总成Fig.10 Sled assembly

2.6 方案验证

验证SIPS 设计方案可行性。在某车柱碰撞约束系统模型基础上，搭建了SIPS简易仿真模型。仿真模型如图11 所示。台车模型假人空间尺寸与整车柱碰撞模型一致，模型边界条件设定为模型向右施加32 km/h 初速度，撞向刚性墙，台架向左施加AR 加速度。

图11 仿真模型Fig.11 CAE model

2.6.1 仿真动画分析

将侧面柱碰撞台车仿真结果与实车侧面柱碰撞仿真结果进行对比，如图12 所示。整个碰撞模拟过程，假人运动姿态一致，座椅变形趋势相同，只是侧面安全气囊开始阶段饱满状态略有差异。

图12 实车与台车仿真动画对比Fig.12 Vehicle comparison with sled CAE animation

2.6.2 仿真结果分析

在侧面柱碰撞试验中，通常比较关注假人肩部、胸部和腹部的压缩变形量，而该3 个部位数据正好反映了整个假人躯干侧面受撞击情况，从这些方面比较台车仿真与实车仿真结果拟合程度，可评判台车设计方案的可行性。实车与台车仿真中假人肩部、胸部、腹部压缩变形量对比如图13 所示。变形产生的起始时刻一致，变形量幅值均接近，只是碰撞前期台车中各压缩变形量上升过程偏弱。

图13 实车试验结果（v）与台车仿真结果（s）对比Fig.13 Vehicle test result (v) comparison with sled CAE result (s)

2.6.3 仿真结果综合分析

仿真数据上，碰撞前期台车中压缩变形量上升过程偏弱，与动画中侧气囊开始阶段的饱满状态差异相对应，通过局部调节台车结构或参数设置或加速度曲线应可调整，但可确认SIPS 主体设计方案可行，可加工制作。

3 侧面柱碰撞减速台车应用验证

SIPS 加工完成后，对结构强度等进行了系统调试，并结合正在进行约束系统开发的FS 车，进行了功能验证。

3.1 SIPS 加速度曲线标定

正式验证试验前，根据实车AR 曲线及吸能钢管特性、台车总质量，确定了钢管的数量、长度，并如图14（a）所示。在台车前端环绕安装。另外，实车碰撞中外门板变形过程对车体并不产生减速过程，但会对侧气囊、预紧式安全带作用时机产生影响，故在柱形头与铝门板之间增加蜂窝铝块复现这一过程。一切准备就绪后进行了标定波形试验。试验结果评估如图14（b）和图14（c）所示。图14（b）中，80 ms 之前，台车加速度曲线与实车CFC20 滤波加速度曲线接近；图14(c)中，两条速度曲线基本吻合，差值在±0.2 m/s 之内，完全满足试验要求。

图14 台车加速度曲线符合性分析Fig.14 Conformity analysis of sled acceleration

3.2 假人损伤曲线符合度验证

标定试验通过后，进行了假人伤害验证试验。验证试验前，先制定了假人伤害评估方案。

3.2.1 评估方案制定

利用CORA 软件评价假人损伤曲线符合度。CORA（CORelation and Analysis）是一款由PDB（Partnership for Dummy Technology and Biomechanics）开发用于客观评价曲线一致性的软件。在侧面柱碰撞台车评价中，确定主要针对WorldSID 假人肩部、胸部、腹部及骨盆等重点关注区域的10 个关键性指标进行评估，要求CORA 总评分达到0.8 以上为满足要求。各个信号的评估方法及所占权重如表1 所示。

表1 假人损伤评价指标Tab.1 Evaluation index of dummy injury

3.2.2 假人损伤曲线符合度评估

将当前FS 侧面柱碰撞试验结果作为验证目标进行验证试验，验证试验共进行了4 次。初次验证试验中，在柱形头与门板之间、座椅安装基座与挡板之间、座椅基座转动间隙所放置蜂窝铝是通过分析实车试验结果确定，拉杆的限位环位置是根据实车柱壁障后方门板变形角度确定。另外，调整假人与内饰板间相对尺寸与实车中完全一致，吸能钢管按标定试验结果摆放。后续试验依据前次碰撞试验结果，对蜂窝铝尺寸、拉杆限位环位置进行了适当调整。每次验证试验完成后，均利用CORA 软件评价了假人损伤曲线符合度，前3 次评价结果均不理想。第4 次验证试验总评分为0.84，满足评价要求。第4 次验证试验中，假人肩部、胸部和腹部的压缩变形量与实车基础试验结果对比，如图15 所示。

图15 中，各对比曲线变化趋势一致，只在下肋骨和腹部曲线上升前期，台车试验中曲线上升偏快。另外，所有对比曲线之间幅值接近，其中图15（d）中幅值偏差最大，实车中幅值为42 mm，台车中幅值为39 mm，偏差为3 mm，7.1%，可接受。对于幅值偏差和曲线上升过程中存在的偏差，如需要进一步的优化，可通过调整柱形头与门板之间、座椅基座与挡板之间蜂窝铝厚度进行。