基于交通事故分析的翻滾保護開發研究

王月 周大永 蔣蓮花 唐莉 常曉宇 王瑞卓

吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 引言

汽車翻滾是一種致死率非常高的交通事故形態[1、3]。特別是SUV 車型因SSF（Static Stability Factor）偏小，發生翻滾事故的傾向性相對較高[1-7]。然而，世界各國對于翻滾保護的評價標準并不完善，僅美國《聯邦機動車安全標準》FMVSS208 的翻滾試驗中有簡單的評價描述試驗假人的各個部位均應約束于車輛乘客艙外表面之內，該要求僅適用1973 年9 月1 日至1986 年9 月1 日期間生產的車輛，目前要求國內也缺少類似強制性標準。根據中國交通事故深入調查數據庫（China In-Depth Accident Study，CIDAS）統 計數據顯示，在造成乘用車車內人員傷亡的事故中，涉及翻滾的事故比例達到17.2%，與側面碰撞、追尾碰撞這類常見事故形態是同一量級[4-8]，如圖1 所示。從傷亡嚴重度上看，如圖2 所示，翻滾事故受傷率為55.6%，死亡率為10.9%，遠高于正面、側面、追尾等。從傷害部位來看，頭部、胸、四肢是乘用車翻滾時乘員受傷最多的部位，頭面部占40.5%，胸部占14.7%，四肢占28.6%，如圖3 所示。因此，建立翻滾保護開發工況開展車輛安全性研究十分必要。

圖1 乘用車碰撞形態及占比分布

圖2 乘用車不同事故形式傷亡分布

圖3 翻滾事故中身體各部位損傷占比分布

本文以CIDAS 交通事故統計為基礎，總結了翻滾保護開發的典型工況，分析了各類工況適用的場景，并對其中的螺旋翻滾工況進行了詳細的分析研究，從工況的仿真分析到最終的驗證。

2 交通事故分析及工況定義

基于CIDAS 數據庫、售后反饋及網絡報道等來源對翻滾事故案例進行分析，可將翻滾歸納為以下幾種：①絆翻；②螺旋翻滾；③邊坡翻滾等。針對這幾類事故統計如圖4，發現絆翻事故占比較多，約33.8%，其次為螺旋翻滾和邊坡翻滾，占比相當，為19.4%，再次為彈翻，占比16.9%，而其類的事故匯總占比10.4%。

圖4 事故統計分類及占比

絆翻模擬當車輛高速行駛時，一側輪胎與路沿或障礙物發生碰撞導致車輛發生翻滾。

圖5 絆翻示意

圖6 螺旋翻滾示意

螺旋翻滾模擬車輛達到一定時速，兩側前輪駛入不同水平的路面此時兩輪胎的中心連線與水平面有一定夾角，導致車輛發生翻滾。

邊坡翻滾模擬車輛兩側輪胎受力狀況完全不相同，一側失重且力向下，另一側受到斜面的支撐導致車輛發生翻滾。

圖7 邊坡翻滾示意

3 結構仿真分析研究

基于對實際事故調研結果，將事故場景轉化成可分析的工況，由于翻滾工況的復雜性，很難通過單一軟件對其運動姿態及變形損傷進行模擬[9-11]，因此在進行仿真分析時將多體動力學仿真與碰撞仿真相結合進行分析模擬。

3.1 工況介紹

螺旋翻滾即車輛已一定速度駛入單邊橋，單邊橋第一段尺寸和角度是固定的，由于第二段的角度是可變化的（如圖8），因此車輛行駛過后會出現不同的狀態，即不翻、臨界翻滾、翻滾。仿真分析中結合車的重量、質心位置等，采用多體動力學分析確定試驗角度。

圖8 螺旋翻滾壁障尺寸及壁障示意圖

3.2 仿真分析研究

基于整車質心，前后軸荷分配，轉動慣量，軸距，輪距，側傾中心，側傾剛度等參數和多體仿真所需關鍵部件彈簧，減震器，穩定桿，襯套，緩沖塊等搭建多體動力學模型，如圖9所示。

圖9 多體動力學模型

運用該模型分析確定車輛側翻的臨界角度，試驗方法：將車輛靜置于臺架上，以0.1°/s（準靜態）的速度傾斜，直到右側輪胎力為0 時結束。

從圖10 可見，當傾斜角為47.5°時，此時右輪受力為0，即47.5°為靜態側翻角臨界（最大）值。基于此分析結果，設定螺旋翻滾第二段角度為15°，將不同速度的試驗工況進行分析，分析結果如圖12 所示，從中可以看出，當車輛速度為40km/h 時，車輛可以通過，未發生翻滾；當車速達到43km/h，車輛發生翻滾。

圖10 輪胎受力及角度變化與時間曲線

結合實際行駛車輛的速度，選取50km/h 的車速進行螺旋翻滾分析，將動力學分析得到的參數如下表1，帶入到碰撞分析模型中進行碰撞分析；

表1 動力學相關參數

圖11 不同速度分析結果

其中：

A：左側兩個輪子著地時刻后，車輛前后懸架變形結束，車輛即將反彈的瞬間時刻；

B：車輛右前輪心位置；

C：車輛右后輪心位置.

圖12 為根據動力學仿真結果獲取的螺旋翻滾的初始與地面接觸狀態；圖13 為翻滾的最終狀態，主要為頂蓋位置與地面接觸。圖14 為翻滾后車輛的變形情況，可以發現，翻滾后A 柱、上邊梁、B 柱、頂蓋橫梁等起到了很好的支撐作用，變形較小，保證了乘員艙結構的完整性；同時前后懸架姿態完好。

圖12 翻滾初始狀態

圖13 翻滾最終狀態

圖14 翻滾后車輛整體變形情況

4 乘員保護性能研究

基于對實際事故和國人的駕乘習慣，初步設定工況中配置的假人數量為：駕駛員位置、前排乘員位置和駕駛員后部乘員位置。

4.1 側氣簾設計

考慮到車輛在翻滾過程中人的受傷部位主要為頭部，而在翻滾中約束系統主要體現在安全帶及側氣簾對人的保護效果，而側氣簾的保護區域尤為重要。

首先，考慮不同身材的乘員，如：5%小個子身材，50% 中等身材，95% 大個子身材等，乘坐在不同座椅位置，如：前排座椅調到最后端，最上和最下位置，座椅調節到最前端的最上和最下位置，來劃定側氣簾的保護區域，如圖15，以全面的保護不同的乘客。

圖15 側氣簾頭部保護區域設計

其次，側氣簾設計伸進A 柱，增大了氣袋體積，保護面積更大，在翻滾中中，加長側氣簾與正面氣囊安全帶共同作用可以阻擋乘員不穩定的運動，避免乘員與內飾的接觸，減輕乘員可能受到的傷害。

再次，車輛發生翻滾，需持續幾秒鐘，在翻滾過程中，要有效阻擋乘員頭部與內飾的接觸，減輕乘員頭部受到的傷害就需要側氣簾具有較長的保壓時間，因此設計中要求側氣簾在展開后6S，氣袋里的壓力還可以保持在20KPa 左右，如圖16。

圖16 側氣簾保壓時間與壓力關系

5 試驗驗證

5.1 車身結構表現

結合多體動力學及碰撞仿真分析定義翻滾工況進行實車試驗驗證，試驗后如圖17所示，側氣簾在車輛觸地前點爆、翻滾過程中車門無開啟；從圖18 可以看出車輛的A柱、B 柱均沒有發生結構性失效；試驗后無燃油泄漏，4 個車門均可正常打開，如圖19所示；

圖17 車輛觸底前狀態

圖18 翻滾后示意

圖19 試驗后車門狀態示意

5.2 車內乘員性能表現

在翻滾過程中，試驗假人的頭部及胸部均應約束于車輛乘客艙外表面之內，保證假人受到安全帶與氣囊的有效保護，避免了頭部與剛性結構發生接觸，如圖20 所示。

圖20 翻滾過程中表現示意

各位置假人傷害指標參考全球現行假人傷害最高指標的高性能限值，結果如下表2所示：從表2 可以看出，車內乘員各部位的傷害值均低于標準要求，整體表現較好，表明在整個翻滾過程中安全帶及側氣簾、氣囊等對車內乘員起到了很好的保護作用。

表2 車內乘員表現

6 總結

（1）通過對實際事故調研結果總結出翻滾事故的典型工況：①絆翻；②螺旋翻滾；③邊坡翻滾；

（2）通過選取螺旋翻滾進行分析，將多體動力學與碰撞仿真分析相結合，從分析過程及結果驗證該分析方法的有效性；

（3）車內乘員的傷害情況整體表現較好，表明對約束系統的設計是有效的。

由于目前國內外對翻滾工況評價不完善，該翻滾保護的開發研究，為國內外翻滾保護相關法規及評價標準的制定提供了第一手的借鑒材料。