整車碰撞安全集成設(shè)計(jì)研究

彭世元，彭 宇

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

隨著汽車保有量的增加，交通碰撞事故頻繁發(fā)生，車輛的碰撞安全性能越來越受到人們的關(guān)注和重視[1]。從權(quán)威的市場調(diào)研結(jié)果可知，車輛的行車安全性能已逐漸成為影響消費(fèi)者購車意向的重要因素之一。世界各國也紛紛發(fā)布相關(guān)的車輛碰撞安全法規(guī)，用以評(píng)價(jià)市場上車輛的碰撞安全性能，而且評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)逐漸嚴(yán)格。汽車制造商對(duì)車輛的碰撞安全性能也十分重視，建立專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)車輛開發(fā)過程中碰撞安全性能指標(biāo)的達(dá)成。本文結(jié)合某車型整車碰撞CAE分析的結(jié)構(gòu)變形情況和假人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，對(duì)碰撞過程進(jìn)行剖析，對(duì)碰撞集成安全的主要影響因素進(jìn)行說明，為今后車型開發(fā)和碰撞安全研究提供參考。

1 碰撞原理簡介

汽車碰撞過程是一個(gè)十分復(fù)雜的綜合系統(tǒng)的瞬時(shí)沖擊響應(yīng)，不但涉及車體結(jié)構(gòu)的變形、斷裂、失效等物理變化，還涉及車內(nèi)乘員和車外行人的人體損傷[2]。車輛開發(fā)前期，通常將整車簡化成彈簧-阻尼單元模型，將乘員與車看成一個(gè)整體，與整車安全性能有關(guān)的各模塊等效為多個(gè)彈簧單元的組合[2]。碰撞時(shí)每個(gè)彈簧單元產(chǎn)生的力Fi作用到車體上。

其中，i=1，2，3…，n，由公式（1）、（2）和（3）可知，M是常量，車體加速度ai可以等效為碰撞能量。碰撞發(fā)生時(shí)，車輛開始減速，人相對(duì)車反向加速運(yùn)動(dòng)，實(shí)際開發(fā)過程中通常將實(shí)車碰撞的減速度反向施加在臺(tái)車上，模擬整個(gè)碰撞過程中車內(nèi)乘員的損傷響應(yīng)。

2 碰撞有限元分析

有限元理論被運(yùn)用于車輛設(shè)計(jì)開發(fā)中，可極大降低研發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。本文建立了CAE仿真模型，在LS-DYNA軟件中模擬整車碰撞結(jié)構(gòu)變形，在MADYMO軟件中分析車內(nèi)乘員損傷。以某車型50 km/h正面碰撞工況為例，結(jié)合仿真動(dòng)畫和加速度、速度曲線，分析前艙變形情況和乘員的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

在碰撞開始時(shí)，前艙部件開始變形，在10 ms時(shí)前防撞梁變形，對(duì)應(yīng)加速度曲線的第一個(gè)波峰；在20 ms時(shí)吸能盒壓潰，對(duì)應(yīng)加速度曲線的第二個(gè)波峰。期間安全帶約束乘員上半身，乘員相對(duì)車體運(yùn)動(dòng)不明顯，如圖1所示。

圖1 第一階段整車碰撞響應(yīng)

如圖2所示，前防撞梁和吸能盒被壓潰到極限，縱梁、副車架前延伸梁開始擠壓變形，加速度峰值持續(xù)增大；在42 ms時(shí)安全氣囊完全展開，乘員胸部剛好與氣囊接觸。此階段安全帶和座椅起主要約束作用，乘員相對(duì)車體產(chǎn)生一段向前的位移量。

圖2 第二階段整車碰撞響應(yīng)

車輛繼續(xù)擠壓向前，縱梁中段變形、前延伸梁彎折、翼子板變形、輪胎擠壓變形，以上對(duì)應(yīng)加速度曲線達(dá)到最大峰值平臺(tái)，在59 ms時(shí)車輛速度減為0，整車開始回彈。期間車內(nèi)乘員在座椅和安全帶的約束下依舊向前擠壓氣囊，胸部受氣囊和安全帶的共同作用，腿部擠壓儀表板，頭部開始接觸氣囊，如圖3所示。

圖3 第三階段整車碰撞響應(yīng)

在圖4中，整車回彈，車內(nèi)乘員往前運(yùn)動(dòng)逐漸劇烈，相對(duì)車體產(chǎn)生較大的位移。當(dāng)擠壓氣囊的力達(dá)到管柱壓潰力時(shí)，轉(zhuǎn)向管柱沿軸向壓潰，釋放擠壓空間。在78 ms時(shí)，乘員開始回彈。

圖4 第四階段整車碰撞響應(yīng)

結(jié)合CAE分析可快速有效地模擬車輛的整個(gè)碰撞過程，通過以上分析可知，車內(nèi)乘員損傷與車輛前端變形直接相關(guān)，開發(fā)過程中通過合理設(shè)計(jì)能量傳遞路徑，配合車輛前端部件的變形模式，可有效控制傳遞到乘員艙的碰撞能量；再結(jié)合約束系統(tǒng)參數(shù)匹配，確保碰撞過程中假人正常的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，進(jìn)而降低假人損傷。

3 集成安全設(shè)計(jì)

3.1 影響因素說明

3.1.1 碰撞能量

車輛碰撞能量一部分表現(xiàn)為前艙部件的變形、失效，另一部分傳遞到乘員艙。在相同碰撞工況下，同一輛車的碰撞能量是確定的，通過合理設(shè)計(jì)能量傳遞路徑、變形結(jié)構(gòu)和失效模式等，讓前艙盡可能多的吸能。在車輛前期開發(fā)時(shí)，通過制定加速度、速度歸零時(shí)刻、侵入量等指標(biāo)來控制前艙的吸能比，減少傳遞到乘員艙的碰撞能量，確保車內(nèi)乘員安全。

例如，針對(duì)正面碰撞工況，設(shè)計(jì)時(shí)要求等效加速度波的G1[3]>15 g，G2[3]<40 g，加速度大于38 g的平臺(tái)持續(xù)時(shí)間要求小于3 ms；大于35 g的平臺(tái)持續(xù)時(shí)間要求小于18 ms；要求速度歸零時(shí)刻大于65 ms；前圍板最大侵入量要求小于90 mm等。

3.1.2 生存空間

發(fā)生碰撞過程中，乘員艙的生存空間直接影響乘員損傷情況[4]。總布置階段應(yīng)對(duì)乘員艙的吸能空間設(shè)定指標(biāo)要求；車內(nèi)乘員正常坐姿時(shí)，在滿足人機(jī)可操作性和舒適性的前提下，胸部到方向盤、膝蓋到儀表板的距離盡可能大些。

當(dāng)碰撞發(fā)生后，通過控制前圍板、歇腳板、踏板等系統(tǒng)的侵入量指標(biāo)來確保乘員的生存空間。

3.1.3 系統(tǒng)集成

在理想狀態(tài)下，碰撞發(fā)生時(shí)氣囊即完全展開，且充氣體積和面積足夠大，可完全支撐住乘員使之不發(fā)生硬接觸，座椅和安全帶約束乘員保持正常姿態(tài)。

在實(shí)際碰撞中，零時(shí)刻乘員胸部到方向盤距離為CS，發(fā)生碰撞到氣囊觸發(fā)點(diǎn)火需要時(shí)間T1，用于信號(hào)感知和算法識(shí)別；氣囊點(diǎn)爆到完全展開需要時(shí)間T2，展開高度為d1；T1+T2時(shí)間段內(nèi)，乘員相對(duì)車體往前運(yùn)動(dòng)s1。氣囊點(diǎn)爆過程中充氣壓力太大、溫度高，接觸到人體部位會(huì)產(chǎn)生灼傷及沖擊損傷，故要求氣囊完全展開前盡量不與人體接觸。故，當(dāng)氣囊完全展開時(shí)假人剛好與氣囊接觸，即CS=d1+s1，此狀態(tài)對(duì)乘員的保護(hù)效果最佳，如圖5所示。要達(dá)到此最佳接觸狀態(tài)，需要集成匹配相關(guān)系統(tǒng)，合理設(shè)置安全帶預(yù)緊特性、氣囊點(diǎn)火時(shí)間、發(fā)生器壓力特性、座椅接觸特性等參數(shù)。

圖5 實(shí)際氣囊展開過程

3.2 約束系統(tǒng)匹配

車輛配備安全帶、安全氣囊、座椅和壓潰式轉(zhuǎn)向管柱等，碰撞發(fā)生后用來約束住乘員，減緩其向前的運(yùn)動(dòng)。

3.2.1 安全帶

安全帶是乘員的生命帶，其可預(yù)防的死亡率為67%[5]。設(shè)計(jì)要求安全帶固定點(diǎn)位置及強(qiáng)度必須滿足法規(guī)要求，碰撞過程中不發(fā)生失效；安全帶正常佩戴時(shí)與乘員肩部、腹部貼合完好，確保碰撞過程中不發(fā)生滑脫；安全帶的預(yù)緊功能可消除松弛，減少乘員前移量，吸收部分能量，減輕膝蓋與儀表板的碰撞；安全帶的限力級(jí)別與乘員胸壓相關(guān)，尤其碰撞中后期，胸部受氣囊和安全帶的雙重?cái)D壓，故匹配時(shí)可考慮二級(jí)限力或減低限力等級(jí)。

3.2.2 安全氣囊

安全氣囊輔助安全帶保護(hù)乘員，發(fā)生碰撞時(shí)，安全氣囊充氣越快、體積越大、保壓時(shí)間越久，保護(hù)效果越好。但也有弊端：體積越大、充氣時(shí)間越長，乘員往前運(yùn)動(dòng)量越多，二次碰撞可能性越大；充氣快、體積大勢必帶來發(fā)生器成本增加，且一旦乘員處于離位狀態(tài)，快速爆開的氣囊會(huì)帶來致命傷害；保壓時(shí)間長要求增加涂層或減小氣袋泄氣量，氣囊可以“硬”一些，但碰撞過程中氣袋太硬會(huì)造成乘員頭、胸部損傷。

在系統(tǒng)集成匹配時(shí)，一般先通過CAE分析確定發(fā)生器的選型，明確氣囊大小、充氣時(shí)間、質(zhì)量流率、溫度流等參數(shù)，設(shè)定氣囊預(yù)點(diǎn)火時(shí)間，再通過滑臺(tái)試驗(yàn)調(diào)整點(diǎn)火時(shí)間、涂層狀態(tài)和氣孔大小、安全帶的限力等級(jí)等參數(shù)。

3.2.3 座椅

座椅的主要作用是承載乘員，與安全帶共同作用確保乘員的正常坐姿。要求座椅安裝點(diǎn)和骨架強(qiáng)度必須滿足法規(guī)；碰撞時(shí)坐墊傾角和材料會(huì)影響乘員往前的運(yùn)動(dòng)量；合理設(shè)計(jì)防下潛結(jié)構(gòu)，發(fā)生高速碰撞時(shí)支撐乘員，保證正常的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

3.2.4 轉(zhuǎn)向管柱

當(dāng)擠壓氣囊向前時(shí)，管柱的壓潰為乘員提供了更大的減速空間。設(shè)置管柱的壓潰力和壓潰行程，碰撞過程中當(dāng)作用到方向盤的力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)管柱壓潰，即可瞬間吸收能量，有效防止頭部砸穿氣囊與方向盤產(chǎn)生硬接觸。由于受結(jié)構(gòu)、總布置的限制，管柱的可壓潰行程有限，一般設(shè)計(jì)值為60 mm。

4 結(jié)束語

影響整車碰撞安全的因素很多，在進(jìn)行車輛集成安全設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，需綜合考慮各系統(tǒng)在每個(gè)碰撞階段發(fā)揮的作用，開發(fā)前期合理設(shè)定目標(biāo)值，對(duì)各系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行分解，結(jié)合CAE分析對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)達(dá)成進(jìn)行管控，通過滑臺(tái)試驗(yàn)調(diào)整參數(shù)匹配方案，最終結(jié)合整車碰撞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。