基于尖頂等效方波的客車正面碰撞安全性結構優化

葉松奎

（廈門金龍聯合汽車工業有限公司，福建 廈門 361023）

基于尖頂等效方波的客車正面碰撞安全性結構優化

葉松奎

（廈門金龍聯合汽車工業有限公司，福建 廈門 361023）

車體結構正面碰撞的加速度與乘員損傷之間存在著密切的聯系。根據實際的碰撞加速度曲線的特點，建立“尖頂等效方波”模型，研究尖頂等效方波的特征參數影響人體損傷響應的規律，從而指導客車正面碰撞安全性的結構優化。

正面碰撞；車身加速度；尖頂等效方波；乘員損傷

由于正面碰撞是汽車事故中死亡率最高的一種碰撞形式[1]，因此，開展大客車的正面碰撞研究對提高客車產品的碰撞安全性及減輕乘員損傷具有非常重要的意義。眾所周知，車體結構碰撞的加速度與乘員損傷之間存在著密切的聯系[2]。但由于直接從車體結構上提取的碰撞加速度－時間歷程曲線形狀很不規律，難以直接應用于乘員損傷響應規律的研究。因此，有必要根據加速度曲線的特點，建立一個能夠代表碰撞過程的加速度簡化模型，通過研究簡化模型的特征參數，直觀地分析碰撞加速度與人體損傷之間的響應規律，從而達到優化車體結構碰撞安全性的目的。目前，在轎車的碰撞安全領域，運用得比較成熟的加速度簡化模型主要是雙梯形等效波形[3-5]。但此模型需要一個非常重要的參數——發動機的停機時刻，即發動機撞上固定壁障的時刻。然而，對于大多數客車而言，由于發動機是后置的，根本就不存在這個參數，因此，不適合采用這種簡化模型進行客車乘員損傷響應規律的研究。本文將尖頂等效方波的概念引入客車碰撞安全領域，通過研究碰撞加速度曲線的尖頂等效方波的特征參數影響乘員損傷的規律，進而指導客車正面碰撞安全性的結構設計及優化。

1 尖頂等效方波模型

在車輛的碰撞力學上，通常采用一定的數學簡化模型來模擬實際的加速度曲線。簡化模型與原始曲線具有相同的時間歷程和邊界條件，保證車輛位移和速度足夠接近于原始曲線。因此，可以通過提取簡化模型的某些特征參數，直觀地研究各特征參數與損傷之間的聯系。碰撞加速度曲線的尖頂等效方波的簡化模型如圖1所示。

式中：0～tm為車輛的減速階段；tm～tr為車輛的反彈階段。a（0）為減速階段加速度初狀態；a（tm）為減速階段加速度末狀態；tm為車輛的反彈時刻，即車輛的碰撞速度－時間歷程曲線上速度為0的時刻；tr為碰撞總時間，此時車速達到最大反彈速度Vr。

尖頂等效方波考慮了與原加速度曲線相同的時間歷程與邊界條件。經數學計算后，可得到以下各特征參數的表達式：

式中：tc為原加速度曲線與坐標軸圍成形狀的形心位置對應的時間；C為車體結構的最大變形量；V0為碰撞初速度。

對碰撞加速度曲線及尖頂等效方波進行積分計算，得到圖2的速度及位移曲線。特征參數Vr、tm、C如圖2所示。

從圖2可以看出，利用尖頂等效方波模型化求得的速度及位移曲線與實車碰撞的速度及位移曲線都吻合得相當好。

2 尖頂等效方波可行性分析

以下對客車駕駛員進行損傷響應[6-7]分析。分析采用第50百分位男性假人，安全帶一端固定在座椅靠背上，另一端固定在車身上。碰撞初速度為30 km/h（碰撞初速度參考客車座椅性能試驗方法[8]），碰撞加速度分別采用實車碰撞試驗提取的碰撞加速度及尖頂等效方波，分析結果如圖3及表1所示。

表1 乘員損傷

從以上分析結果可以看出，采用實車碰撞的加速度與采用尖頂等效方波進行損傷響應分析，乘員損傷加速度曲線的趨勢幾乎是一致的，各傷害值的誤差也較小，兩者具有很高的吻合度。說明利用尖頂等效方波代替實車碰撞的加速度曲線進行乘員損傷響應分析是可行的。

3 特征參數影響乘員損傷的規律

尖頂等效方波主要是由 a（0）、a（tm）、tm及 tr等 4個特征參數來描述的，對于相同的約束系統，乘員損傷對具有不同特征參數的尖頂等效方波的響應也會有所不同。因此，認清尖頂等效方波特征參數影響乘員損傷響應的規律是十分必要的。在碰撞的開始時刻，車輛開始減速（一次碰撞[9]），由于乘員與約束系統之間存在一定的間隙，乘員在此刻并沒有開始減速，而是繼續以初始運動狀態向前運動。當車輛的減速運動使得車輛與乘員之間出現相對速度，使得乘員與約束系統之間的間隙消除后，乘員開始受到約束系統的減速作用（二次碰撞）。此后，乘員與約束系統在相互作用下分別進行減速運動，車輛的速度在減速階段逐漸降低到零，并經歷反彈階段后，最終達到靜止狀態。乘員胸部X向加速度不但受車身結構碰撞的影響，同時也與約束系統特性有關[10]。假人胸部加載段的加速度與相對車身位移具有良好的線性關系，因此，將乘員與約束系統簡化成彈簧-質量系統。假設經過時間為t*，乘員相對車輛向前運動消除約束系統間隙δ后與約束系統產生二次碰撞，則有人體胸部響應為[11]

式中：aov（t）為胸部相對車輛的加速度；p*為該時刻車輛的加速度；△V*為乘員與約束系統發生作用時車輛速度的變化量；β 為加速度放大因子，等于 a（tm）/a（0）。

文獻[12]表明，減小車身的平均加速度a、加速度均方根σa及最大加速度amax，對提高車輛的碰撞安全性具有顯著效果。

基于以上理論，對于尖頂等效方波，可以通過調整以下兩個特征參數達到提高車輛碰撞安全性的目的：增大碰撞時間tm，從胸部損傷響應的公式也可以看出，增大tm對于減小aov（t）有明顯效果；使加速度放大因子β趨近于1。

修改圖1的尖頂等效方波的特征參數，得到如圖4所示的三組不同的尖頂等效方波，并以此進行乘員損傷響應分析。分析結果如圖5及表2所示。

CASE1與 BASE相比，參數 tm不變，增大 a（0），減小 a（tm），即減小 β；CASE2與 BASE相比，同時增大 tm及β。

表2 三個方案的乘員胸部損傷對比

從表2可以看出，CASE1相比BASE，胸部3msG減小了1.1 g，說明在β大于1的情況下，減小β，對減小乘員損傷是有好處的；CASE2相比BASE，胸部3msG減小了3.3 g，說明盡管β增大了，但tm的增大，對減小乘員損傷是更為有效的。

4 基于尖頂等效方波的車體結構改進

基于尖頂等效方波影響乘員損傷響應的規律，從以下兩個方面考慮對原型車碰撞加速度曲線進行優化，以提高車體結構的碰撞安全性，從而減小乘員損傷。

1）減小加速度放大因子β，即增大尖頂等效方波的a（0），減小a（tm）。具體做法是提高車輛前防撞橫梁的剛度，提高吸能盒的極限屈曲載荷。

2）增大減速階段的持續時間tm。具體做法是延長吸能盒的長度；而加速度放大因子β的減小，同樣會使tm稍微有所增大。

基于以上優化思想，對原型車的前防撞梁結構進行優化。圖6為2012年廈門金龍汽車在北京交通部汽車試驗場進行前碰撞試驗的某型半承載客車；圖7為此客車在前部結構設計安裝的前防撞梁結構示意圖?？蛙嚽安坑捎诳臻g有限，前縱梁前端至前圍的距離只有100～180mm。因此，將前防撞梁的吸能盒設計成上、下兩層，上部吸能盒安裝在前縱梁之前，下部吸能盒通過安裝支架與前縱梁相連，前防撞橫梁安裝在下部吸能盒前端。這種防撞梁結構不僅具備多傳力路徑的功能，能夠充分地分散碰撞力，吸收更多的碰撞能量，從而達到優化車體碰撞加速度曲線的目的；同時由于碰撞點的降低，提高了與小車的碰撞相容性。但需要注意的是，下部吸能盒安裝支架的設計，既要充分考慮與備胎及轉向機的干涉，又要保證支架的剛強度，避免在碰撞過程中下部吸能盒因支架變形后移而無法潰縮變形。

經過結構優化后，車體碰撞加速度及尖頂等效方波如圖 8所示：a（0）增大至 18.2 g，a（tm）減小至 20.6 g，tm增大至43ms。利用實車碰撞加速度曲線重新進行乘員損傷分析，得到圖9的分析結果。乘員胸部損傷3msG由原來的29.2 g減小至27.1 g，效果顯著。

5 結 論

1）分別采用實車碰撞試驗的加速度曲線及尖頂等效方波進行乘員損傷響應分析，兩者的乘員損傷曲線具有很好的吻合度，說明利用尖頂等效方波代替實車碰撞試驗的加速度曲線進行乘員損傷響應分析是可行的。

2）對尖頂等效方波而言，當tm相同時，β越接近于1，相應的乘員胸部加速度峰值就越??；雖然β的增大可能導致胸部損傷增大，但當tm增大時，乘員胸部加速度峰值反而有明顯的減小，說明乘員胸部加速度響應對tm的變化更為敏感，且隨著tm的增大，胸部加速度峰值明顯減小。

[1]朱西產.汽車正面碰撞試驗法規及其發展趨勢的分析[J].汽車工程，2002，24（1）：1-5，14.

[2]Steve Mark.Effect of Frontal Crash Pulse Variations on Occupant Injuries[C].The 18th International TechnicalConference on the Enhanced Safety ofVehicles，USA，2003.

[3]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.

[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，（11）

[5]馬志雄，朱西產.臺車試驗中采用等效雙梯形減速度曲線的模擬研究[J].汽車工程，2008，（5）

[6]MADYMO Theory ManualR6.4.1[CP].TNOMADYMO B.V.,the Netherlands，2007.

[7]張學榮，劉學軍，陳曉東，等.正面碰撞安全帶約束系統開發與試驗驗證[J].汽車工程，2007，（12）

[8]GB 13057-20XX，客車座椅及其車輛固定件的強度[S].北京：中國標準出版社，20XX.

[9]鐘志華，張維剛，曹立波，等.汽車碰撞安全技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[10]李充，朱海濤.正面碰撞車身加速度與乘員胸部損傷研究[C].第七屆國際汽車交通安全學術會議論文集，2009.

[11]張金換，杜匯良，馬春生.汽車碰撞安全性設計[M].北京：清華大學出版社，2010.

[12]葛如海，劉星榮.汽車車身對壁正面碰撞安全性評價指標的研究[J].江蘇理工大學學報：自然科學版，2001，（4）：20-31.

修改稿日期：2013-11-26

Structure Optimization of Coach Frontal Crash Safety Based on Triangle Equivalent Square Wave

Ye Songkui
（Xiamen King Long United Automotive Industry Co.,Ltd,Xiamen 361023,China）

There is a close correlation between the acceleration of vehicle structure frontal crash and occupant injury.According to the characteristics of the actual crash acceleration curve,the triangle equivalent square wave（TESW）model is established and the regular pattern of TESW parameters affecting human body injury response is studied in order to guide the structure optimization of vehicle frontal crash safety.

frontal crash；vehicle acceleration；TESW；occupantinjury

U 467.1+4

A

1006-3331（2014）01-0007-04

葉松奎（1984-），男，工程師；主要從事車輛被動安全CAE仿真分析工作。