基于等效二階梯形波特征參數的假人損傷影響研究

摘 要：基于車輛正面碰撞加速度波形簡化的等效二階梯形波，本文選取獲得NHTSA五星評價的20款SUV車型，通過等效二階梯形波關鍵參數與實車碰撞加速度波形、車體最大位移及WIC的相關性分析，探討了等效二階梯形波特征參數和乘員損傷的關系，為SUV車型的碰撞動態響應開發工作提供工程指導意義。

關鍵詞：車輛碰撞 等效二階梯形波 假人損傷 SUV車型

車輛碰撞加速度波形是車身結構耐撞性仿真評價和乘員約束系統設計的重要輸入條件，其和乘員損傷具有密切的聯系[1]。在工程設計應用中，也常將復雜的加速度波形轉化為方形波、尖頂形波、雙線形波、梯形波或等效二階梯形波，進而分析乘員的動態響應[2]。相較而言，等效二階梯形特征參數更多，能更清楚地表達碰撞過程。因此，很多專家在該形波的基礎上開展了研究。最早的研究可追溯至1988年，Yamanaka等人發現雙臺階波形中前高后低的臺階峰值有利于減小乘員損傷[3]。2008年，朱航彬通過改變等效二階波形中的特征參數，采用仿真方法探討了不同碰撞波形和乘員胸部加速度的關系[4]。2009年，馬志雄結合不同配置的正碰臺車仿真模型，開展了波形參數和乘員傷害指標的靈敏度分析[5]。2012年，曹立波和龍騰蛟建立正碰仿真模型分析了特征參數和乘員綜合傷害指標的關系，推薦了波形特征參數的取值范圍[6]。2013年，王斌通過目標車型的等效雙階波形，應用仿真方法分析了多組車身結構的優化方案[7]。2021-2022年，唐洪斌基于真實碰撞數據庫分析了波形參數和碰撞星級、約束系統特性的聯系，并通過相關性分析方法建立了波形評價的等級方法[8-9]。

上述大多數研究通過改變某些車型的波形特征參數，采用仿真方法分析與乘員損傷的關系，并指導車身正碰結構耐撞性的開發，但研究結果是否適用于SUV車型并未明確。針對這個現狀，本文選取獲得NHTSA五星評價的20款SUV車型，開展等效二階梯形波特征參數和乘員損傷的關系研究，為SUV車型的碰撞動態響應開發工作提供工程指導意義。

1 等效二階梯形波

在車輛正面碰撞過程中，變形的主要區域為保險杠、吸能盒和大梁等前端結構，B柱之后的車身結構變形較小。因此，通常將在車身B柱下側采集的加速度信號作為車輛的碰撞加速度信號。圖1為經SAE CFC60濾波后的典型正面碰撞加速度波形。

將該碰撞加速度波形簡化為等效二階梯形波時應滿足如下條件：1）碰撞總能量守恒；2）動力總成與壁障的接觸時刻相等；3）車輛碰撞的回彈時刻相等；4）各碰撞階段內速度變化量和位移變化量相等。通過分析碰撞加速度波形和高速攝像，整車碰撞過程可劃分為三個階段：G1（0-t2）、G2（t2-t4）和G3（t4-t5）。其中，G1和G2兩個階段分別表征車體的碰撞壓潰過程，G3階段表征車輛的反彈過程，t2為動力總成與壁障接觸時刻，t4為車輛碰撞回彈時刻，t5為碰撞結束時刻。因此，一般可采用第一、第二階等效加速度G1、G2和三個階段的轉折點時刻t1、t2、t3、t4、t5等7個特征參數描述等效二階梯形波，如圖2（a）所示。通過計算可獲得等效二階梯形波的特征參數，具體計算過程如下所示。

G1階段（0-t2）車體速度的變化量△V1，即梯形ABCt2的面積：

（1）

G2階段（t2-t4）車體速度的變化量△V2，即梯形CDt3t2與四邊形DEt4t3的面積之和：

（2）

G3階段（t4-t5）車體速度的變化量△V3，即三角形Et5t4的面積：

（3）

由式（1）、（2）、（3）推導得出：

（4）

（5）

（6）

其中，G為加速度，單位g；V為速度，單位為m/s；t為時間，單位s；t2為動力總成與壁障接觸時刻，通過實車實際測量D2，可在位移—時間歷程曲線中可獲取動力總成與壁障接觸時刻t2，如圖2（b）所示；然后即可在速度—時間歷程曲線中獲取t2時刻所對應的速度Vt2；V0為碰撞初始速度，Vt4和Vt5分別為t4和t5時刻所對應的速度，均可在速度—時間歷程曲線中獲取，如圖3（b）所示；S1和S2為等效二階梯形中AB和CD段的斜率，由碰撞加速度波形中OP段和MN段通過一階最小二乘擬合法可得到，將所獲得的參數分別代入公式（4）、（5）和（6），即可求出等效二階梯形波對應的特征參數，由此可繪制出等效二階梯形波，如圖2（c）所示。

2 實車碰撞分析

近年來，SUV車型在汽車消費市場中產銷量不斷增加，是消費者重要的車型選擇之一。SUV車的被動安全無疑也是消費者關注的主題，本文抽選20款獲得NHTSA五星評價的SUV車型，提取SUV車型正面碰撞等效二階梯波形的特征參數，探討特征參數和加權傷害指數WIC的關系。

利用WIC綜合假人損傷，其定義如下。

WIC=0.6（HIC36/1000）+0.35（AC3ms/60+Cdmax/0.0762）/2+0.05（FL+FR）/20 （7）

其中，HIC36是頭部傷害指標；AC3ms是胸部3ms合成加速度，單位g；Cd是最大胸位移，單位m，FL和FR分別是左右大腿的壓縮力，單位kN。

各車型的碰撞加速度波形見圖3，將各碰撞加速度波形簡化成等效二階梯形波，見圖4，其關鍵特征參數和WIC值的結果如表1所示。

為更加清晰表達雙臺階波形特征參數和車體碰撞加速度波形峰值的關系，對表1的結果和碰撞波形峰值做相關性分析，見圖5。在數學統計中相關性系數大于0.3時認為具有一定的相關性[12]，可見第一階梯值與碰撞波形峰值呈現負相關的關系；第二階梯值和高度比與碰撞波形峰值呈現正相關的關系。

為更加清晰表達雙臺階波形特征參數和車體最大位移的關系，對表1的結果和車體最大位移做相關性分析，見圖6。可見，第一階梯值G1和車體最大位移呈現負相關的關系，第二階梯值G2和高度比i與最大位移并無顯性關系。

為進一步表達假人綜合損傷和雙臺階特征參數的關系，對表1的結果和WIC做相關性分析，見圖7。可見，假人綜合損傷WIC和第一階梯值G1、第二階梯值G2和高度比i并無顯性關系。

3 結論

本文簡要分析了等效雙臺階波形理論，將實車碰撞加速度波形簡化為等效二階梯形波，并基于SUV車型在汽車消費市場中產銷量不斷增加這一國情，從NHTSA五星評價提取20款SUV車型，將其實車正面碰撞數據等效轉化為二階梯波形特征參數，依次進行特征參數與碰撞波形峰值、車體最大位移的相關性分析，得出第一階梯值與碰撞波形峰值及車體最大位移呈現負相關的關系；第二階梯值和高度比與碰撞波形峰值呈現正相關的關系；第二階梯值和高度比與最大位移無顯性關系。進一步進行特征參數與假人加權傷害指數WIC值的相關性分析得出無顯性關系的結論。

本文探究了等效二階梯形波特征參數與乘員損傷之間的關系，填補了SUV車型相關研究的空白，為相關車型的安全設計提供了參考。

參考文獻：

[1]Shi Yibing， Wu Jianping， Nusholtz Guy S. Optimal frontal vehicle crash pulses-a numerical method for design[C].SAE International Congress and Exposition，2003.

[2]張君媛.汽車碰撞車體與乘員約束系統的參數設計方法[M].北京：科學出版社，2018.

[3]ISHII K，YAMANANKA I. Influence of Vehicle Deceleration Curve on Dummy Injury Criteria[C]. SAE International Congress and Exposition，1988.

[4]朱航彬，劉學軍．正面碰撞波形對乘員傷害值的影響[J].汽車工程，2008，30（11）：964-968.

[5]馬志雄，朱西產.假人主要傷害值對等效雙梯形減速度曲線的靈敏度分析[J].汽車工程，2009，31（2）：166-169.

[6]曹立波，龍騰蛟，肖慧青.等效雙臺階波形特征與乘員綜合損傷值的關系研究[J].汽車工程學報，2012（03）：38-42.

[7]王斌，包偉.等效雙階梯形波法在正碰性能優化設計中的應用[J].汽車科技，2013.

[8]唐洪斌，劉樂丹，張君媛.基于碰撞波形與約束系統耦合的汽車安全性改進[J].汽車工程，2021，43（10）：1504-1511.

[9]唐洪斌，張君媛，劉國軍.正面碰撞等級預估方法[J].汽車工程，2022，44（3）：392-398.