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1、硕士学位论文 I摘 要 随着汽车保有量的增长，交通事故频繁发生，车辆安全性备受关注。据统计，侧面碰撞事故约占事故总数的 30，仅次于正面碰撞，而在造成死亡和重伤的事故中，侧碰事故约占 35%。在我国，由于城市道路交通路口以平面交叉形式为主，侧面碰撞事故发生概率最高，致伤率居第一位，而致死率仅次于正面碰撞。因此，车辆侧面碰撞安全性的研究成为车辆被动安全性研究的一项重要内容。 如何提高车辆侧面碰撞事故发生时对乘员的保护性能成为当今又一热点课题。 2006 年 7 月我国开始发布并执行 汽车侧面碰撞的乘员保护标准，同时推出中国的新车评价规程（C-NCAP） ，为汽车生产厂家提出了安全要求以及评价指标
2、。 本文首先完成了各国侧面碰撞法规对比分析，进而建立了某款轿车及可变形移动壁障的有限元模型，采用计算机仿真方法，通过与标准要求及实验数据对比，验证了某款轿车及可变形移动壁障的侧面碰撞有限元模型。应用 MADYMO PSM 子结构方法建立了乘员损伤模型， 结合有限元分析软件 LS-DYNA 及多刚体动力学分析软件 MADYMO，按照 GB 20071-2006 标准要求进行了侧面碰撞仿真，得到其碰撞变形形式、假人损伤指标值，并按照标准要求进行了分析和评价。针对该车型在侧面碰撞时的不足，研究了改进侧面碰撞安全性能的有效措施。 结果表明，提高 B 柱、车门刚性及对地板结构进行合理设计可以明显降低乘员
3、在侧面碰撞过程中的损伤参数值， 从而改进轿车的侧面碰撞安全性。 关键词：侧面碰撞；计算机仿真；乘员损伤； 基于提高侧面碰撞安全性的车辆刚度匹配研究 IIAbstract With the increasing of the number of the vehicle possession, traffic accidents also increased. So, vehicle safety takes more attention than before. Side impact accidents account for 30 percent of all traffic acciden
4、ts and just are minor to front impact. They also account for 35 percent of fatal injuries. In China, the grade crossing is the major pattern of urban traffic road. Thus, the occurrence probability of side impact accident is the highest, and the injury rate is also the highest. The death rate is only
5、 less than front impact. So, side impact research has become an important topic in the passive safety area. The side impact performance of cars has to be improved. The regulation on the occupants protection in side impact accidents which was developed by China Automotive Technology t1和 t2是碰撞中从初始接触到最
6、后接触过程中的任意两个时刻。 HPC的局限在于：虽然头部的生物力学响应包括可以引起头部伤害的角运动，但HPC仅考虑了线性加速度；HPC只在硬接触发生时有效，因此冲击的时间区间受限制。 虽然有这些限制， 但HPC仍然是研究头部伤害时最常使用的准则，而且HPC 被认为可以很好的区分接触和非接触冲击响应。 我国标准中规定HPC值不超过1000。 （二）胸部性能指标 胸部变形量（Rib Deflection Criterion）RDC：指胸部变形峰值，是胸部位移传感器测得的任一肋骨的变形最大值，通道频率滤波等级为180Hz。国际上较多采用RDC来评价乘员胸部损伤，认为肋骨骨折是胸部普遍最会发生的伤害形
7、式。 我国标准中规定RDC应小于或等于42mm； 黏性指标（Viscous Criterion）VC：指黏性响应的峰值，是在半胸部任一肋骨上测得的瞬时压缩量与肋骨变形速率乘积的最大值， 通道频率滤波等级为180Hz。基于提高侧面碰撞安全性的车辆刚度匹配研究 10为计算此值，半胸部肋骨腔的标准宽度为140mm。 )0()()( DtD dttDdVC= （2.2） 式中，)/()(smVdttDd=胸腔变形速率，CDtD=)0()(胸腔挤压变形率 ，)0(D胸腔原始宽度0.14（m） 。 胸部的重要器官，心脏、大动脉、肺等都是由软组织组成的。生物力学研究表明软组织的损伤主要由胸部的速率敏感变形引
8、起的，胸部侧向碰撞损伤容忍限度为1.0m/s,因此黏性指标不得大于1.0m/s，否则乘员将受到严重伤害。 我国标准中规定黏性指标应小于或等于1.0m/s； （三） 骨盆性能指标（Pubic Symphysis Peak Force）PSPF 指耻骨结合点力的峰值(PSPF)，是由骨盆耻骨处安装的载荷传感器测得的力最大值，通道频率滤波等级为600Hz。 我国标准中规定耻骨结合点力的峰值(PSPF) 应小于或等于6KN。 （四） 腹部性能指标（Abdomen Peak Force）APF 腹部受力峰值，是安装在假人碰撞侧表面覆盖物下部39mm处的力传感器测得的3个力合力的最大值，通道频率滤波等级为
9、600Hz。 我国标准中规定腹部力峰值（APF）应小于或等于2.5KN的内力（相当于4.5KN的外力） 。 2.4 各国侧面碰撞实验法规的介绍 总的来说，汽车安全法规可分为两类：一类是国家颁布的汽车安全技术法规,如我国的汽车侧面碰撞乘员保护标准和美国的 FMVSS(Federal Motor Vehicle Safety Standards)，是强制性法规，即在市场上销售的所有汽车必须满足的规定；另一类是要求更高安全性能的评价标准，如企业以实际交通事故分析结果为依据制定的汽车安全评价系统，例如丰田的GOA(Global Outstanding Assessment),以及新车评价程序NCAP(
10、New Car Assessment Program) 的评定标准， 虽然是非强制性法规，但由于这样的测试公开、严格、客观，因此为消费者所关心，成为汽车企业产品开发的重要规范，对提高汽车安全性能作用显著。 目前世界上侧面碰撞法规还没有统一的标准，在汽车安全性领域内最具代表性的是美国联邦机动车安全法规（FMVSS）和欧洲经济委员会法规（ECE） ，其它如日本和澳大利亚等国家的汽车工业界,大多以美国或欧洲的侧面碰撞实验法规为自己的试验条款，我国汽车侧面碰撞乘员保护标准也是以欧洲ECE R95为蓝本制定出来的。考虑到我国人体参数和车型特点，在座椅调节、假人选用等相关章节做了修改。 硕士学位论文 11
11、2.4.1 美、欧侧面碰撞试验法规介绍 2.4.1.1 美国侧面碰撞试验法规 美国联邦机动车安全标准（FMVSS）在1970年提出了乘用车侧面碰撞静强度标准（FMVSS214） ，并定于1973年生效。1982年，对该“准静态”实验所做的评估指出，车对固定物的侧面碰撞的乘员损伤得到了有效减少，但车对车碰撞的乘员损伤没有减少。因此，经过广泛研究，1990年美国公路交通安全管理局（NHTSA）公布了在FMVSS214静强度实验法规中增加乘用车动态碰撞实验方法，来评价车对车碰撞事故中乘员的伤害程度。法规要求分阶段实施，即从1996年9月1日起所有的乘用车必须满足该法规要求， 从1998年9月1日起所
12、有的卡车、公共汽车、多功能车等必须满足该法规要求15。 FMVSS214中动态碰撞试验可以表述为：重1368kg的可变形移动壁障MDB以54km/h的速度撞向某试验车的侧面，其行驶方向（即车轮旋转方向）与试验车成27夹角，以90碰撞面接触，MDB左边缘距离轴距中心点为940mm。若车轴距大于2896mm,则为前轴中心线向后508mm,误差50.8mm， 障碍壁面的离地间隙为279mm。在被碰撞侧的驾驶位和乘员位分别放置假人SID，如图2.2所示6。 图 2.2 FMVSS214 碰撞形态 （一）美国侧面碰撞试验用可变形移动壁障MDB 美国侧面碰撞试验用可变形移动壁障MDB由两个单元构成，一个为
13、主体部分，另一个为前端保险杠部分，铝制蜂窝结构，大小形状如图2.3所示。 2003年6月，高速公路安全保障协会IIHS（Insurance Institute for Highway Safety） 设计出新的障碍壁， 重1500kg， 以模拟北美市场上占三分之一数量的SUV（Sport Utility Vehicle）车和小货车的前端刚度和尺寸，如图2.4所示。 基于提高侧面碰撞安全性的车辆刚度匹配研究 12图 2.3 美国可变形移动壁障 MDB 图 2.4 IIHS 可变形移动壁障 （二） 美国侧面碰撞实验用假人SID 1979-1982年期间，美国密执安大学公路安全研究所根据与美国国家公
14、路交通安全管理局（NHTSA）的合同开发出模拟50百分位男性乘员的美国侧碰假人SID15。后来由NHTSA车辆研究试验中心(VRTC)进一步改进。该假人是在HybridII假人的基础上将该假人的肩和手腕除去，再将假人的肋骨和脊椎用缓冲橡胶代替，并对假人腰部进行了改进，总重76.7kg。 除SID假人外，美国还有BIOSID侧碰撞假人。该假人是由通用公司（GM）同美国汽车工程协会（SAE）侧碰假人特别工作组合作开发而成15，NHTSA考虑也用BIOSID来满足FMVSS214试验16。2003年6月，在后排座椅上使用假人SID-IIs，以模拟5百分位女性乘员1。 （三） 美国侧面碰撞乘员损伤准则
15、 美国侧碰实验以人体承受的碰撞加速度为评价指标，认为人体伤害最严重的硕士学位论文 13部位是人体的胸部，其次是骨盆。所以，FMVSS214的损伤准则中只规定了胸部和骨盆的损伤要求： 胸部伤害指标 （Thoracic Trauma Index）TTI85g（四门车）,TTI90g(二门车)，骨盆侧向加速度峰值130g6。 2.4.1.2 欧洲侧面碰撞试验法规 欧洲实验车辆安全委员会EEVC早在1989年提出了欧洲侧面碰撞试验方案，1994年提出正式文本，并于1995年10月开始正式实施。 该法规简称为欧洲ECE R95法规，其内容可表述为：重950kg的可变形移动障碍壁MDB以501km/h的速
16、度垂直撞向某静态的试验车的侧面， 移动壁的中心线与汽车的中心线垂直，碰撞中心点通过座椅的R点，偏差为25mm，离地间隙300mm。在被碰撞侧的驾驶位放置假人EuroSID，如图2.5所示5。 图 2.5 ECE R95 碰撞形态 （一） 欧洲侧面碰撞实验用可变形移动障碍壁MDB 图 2.6 欧洲可变形移动壁障 MDB 基于提高侧面碰撞安全性的车辆刚度匹配研究 14欧洲可变形移动壁障MDB由6个500mm250mm单元组成，每三个一排叠置成两排，底端一排突出60mm，大小形状如图2.6所示。每个单元都有独立的力-变形特性曲线，模拟车辆前端的刚度。 交通事故的分析表明，法规中MDB不能完全代表当前欧洲车型的前部特性，也不能同时模拟前、后座椅乘员的真实响应。因此，2003年在第18届 ESV国际会议（the 18th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles） 上 提
