韓玉環(huán)　仲衍　慧何　成李博

摘要：本文對(duì)車輛在側(cè)面碰撞中的能量進(jìn)行了理論推導(dǎo)，理論推導(dǎo)和分析了在側(cè)面碰撞過程中車輛約束系統(tǒng)和車身結(jié)構(gòu)變形而吸收的能量，并分別用MDB和ADMDB臺(tái)車作為子彈車對(duì)某款車進(jìn)行了側(cè)面碰撞試驗(yàn)。依據(jù)時(shí)間和速度等，對(duì)兩種形式的側(cè)碰中的假人運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行分析和對(duì)比，并對(duì)比分析了假人傷害值和假人能量。ADMDB側(cè)碰試驗(yàn)ES-2假人的胸部、腹部和骨盆的能量密度和能量都比MDB側(cè)碰試驗(yàn)高，AEMDB試驗(yàn)中的假人傷害值普遍比MDB偏大。

關(guān)鍵詞：側(cè)面碰撞；乘員響應(yīng)；能量吸收

據(jù)國外有關(guān)機(jī)構(gòu)的調(diào)查研究，交通事故類型中最多的是碰撞事故，在各種汽車碰撞事故形式中，汽車側(cè)面碰撞事故的發(fā)生率僅次于正面碰撞，其造成死亡和重傷的事故約占25%，其中有43%-55%是在車對(duì)車碰撞事故中造成的，另外12%-16%是由于車體側(cè)面撞擊柱狀物而造成的。而我國也是汽車交通事故死亡人數(shù)最高的國家之一，交通事故頻繁發(fā)生，給無數(shù)家庭帶來巨大痛苦。因此，如何降低因側(cè)面碰撞事故而導(dǎo)致乘員傷害是一個(gè)重要而又嚴(yán)峻的問題。

對(duì)于高能量的碰撞試驗(yàn)，假人在碰撞過程中產(chǎn)生的能量在約束系統(tǒng)的制約下，并且傳遞到車身部件，所以人體的動(dòng)能在忽略假人本身變形所吸收的能量的前提下，主要通過以下兩部分進(jìn)行吸收：約束系統(tǒng)的變形和整車結(jié)構(gòu)的變形。約束系統(tǒng)能量（restraint energy）主要是通過通過假人與氣囊、安全帶、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、儀表盤等約束系統(tǒng)部件的接觸，導(dǎo)致約束系統(tǒng)部件的變形，從而完成能量轉(zhuǎn)移；結(jié)構(gòu)緩沖能量（ridedown energy）是通過約束系統(tǒng)的連接作用將能量轉(zhuǎn)移至車身部件，從而引起車身部件的變形，此部分能量主要是通過碰撞中結(jié)構(gòu)的緩沖變形來吸收。

許多研究者關(guān)注新型復(fù)合材料并加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提高側(cè)碰中車輛側(cè)面結(jié)構(gòu)的能量吸收和人體響應(yīng)。本文對(duì)側(cè)面碰撞中的能量吸收及假人的響應(yīng)進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并對(duì)某車型進(jìn)行側(cè)面碰撞的實(shí)車試驗(yàn)，在車身上設(shè)置傳感器的方式，考察B柱中部位置的加速度、位移變化量等指標(biāo)，并對(duì)比假人胸部加速度等傷害指標(biāo)，考察碰撞過程中假人產(chǎn)生能量的吸收。

1.側(cè)面碰撞過程中的能量分析

1.1車輛在碰撞過程中的能量分析

為了確保碰撞過程中乘員的安全，首先要確保乘員艙內(nèi)的生存空間，車輛吸收能量導(dǎo)致車輛變形不能成為危急乘員安全的因素。本文中以兩車相撞發(fā)生完全塑性變形作為前提條件，子彈車輛的質(zhì)量為M1，速度為V1；被撞車輛的質(zhì)量為M2，速度為V2。根據(jù)動(dòng)量守恒，碰撞過程中兩車的重心速度為Vg，從而得出以下公式：

由公式（7）可知，RE隨著R的增大而增大。隨著R的增大，RE無限趨近于2。當(dāng)發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，兩車的速度以及質(zhì)量均相同時(shí)，車身發(fā)生彈性變形和塑性變形而吸收能量。若約束系統(tǒng)過軟，碰撞形式為最惡劣，能量基本完全作用于車身，那么以車身變形量為指標(biāo)，車身剛度將提升到2倍。此時(shí)不會(huì)受到兩車輛的質(zhì)量比的限制，從而使兩車受到同等車身變形情況。

在碰撞過程中，當(dāng)車身剛度增加時(shí)，車身變形量將減小，車身與乘員的相對(duì)速度降低，接觸時(shí)刻將推遲。并且側(cè)面氣囊、氣簾等的有效展開，緩沖乘員與車身之間的碰撞，將有效減少乘員的傷害值。

1.2車輛在碰撞過程中約束系統(tǒng)能量和結(jié)構(gòu)緩沖能量的分析

在碰撞過程中，乘員產(chǎn)生的能量，是由乘員的質(zhì)量以及乘員初始速度和終止速度的速度差決定的。吸收的能量可以表示為，作用于質(zhì)點(diǎn)位置的外力和慣性系統(tǒng)位移量的乘積。一般情況下，乘員受到來自外界的作用力產(chǎn)生的能量，通過約束系統(tǒng)的約束作用將能量轉(zhuǎn)移至車身部件引起車身部件的變形。在一般的車輛事故中，乘員產(chǎn)生的動(dòng)能要盡量由約束系統(tǒng)吸收，約束系統(tǒng)能量越大，則結(jié)構(gòu)緩沖吸收能量就會(huì)越小，可以有效的降低乘員傷害，提高保護(hù)乘員安全的效果。在與重型車發(fā)生碰撞等重大事故中，由于能量過高，約束系統(tǒng)剛度不足導(dǎo)致?lián)舸?，假人一部分能量將不受約束系統(tǒng)的作用而直接作用于車身，假人的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)緩沖能量。因此，可以應(yīng)用高效率的結(jié)構(gòu)緩沖的車身加速度響應(yīng)曲線，有效控制車身的變形速度，從而優(yōu)化車身設(shè)計(jì)，以應(yīng)對(duì)高能量的撞擊事故。

一般在正面和偏置類型碰撞試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)緩沖能量的主要是通過氣囊、安全帶、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、儀表盤等約束系統(tǒng)作用于車身變形吸收。系統(tǒng)以地面作為參考，碰撞初始階段，乘員的初速度和車輛的初速度相同，整個(gè)碰撞過程的最終階段系統(tǒng)相對(duì)于地面速度為O，乘員初始動(dòng)能為乘員質(zhì)量與初速度的乘積。而在側(cè)面碰撞中，乘員受到的作用力主要是產(chǎn)生于車輛重心的加速度，從而引起車身某些部件的變形，從而車身加速度就成為了研究結(jié)構(gòu)緩沖能量的主要因素。為了對(duì)結(jié)構(gòu)緩沖吸能效果進(jìn)行定量化分析，就要計(jì)算側(cè)面碰撞過程中乘員的動(dòng)能。而在側(cè)面碰撞中，車身在初始狀態(tài)相對(duì)地面是靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)車輛在碰撞過程中乘員重心的速度與B柱中部的速度相同時(shí)，此速度相對(duì)地面的速度為VG。當(dāng)系統(tǒng)速度相對(duì)于地面為O時(shí)，此速度為車輛碰撞的終速度，速度為O。在此時(shí)刻可以認(rèn)為乘員的速度與車身的速度是相同的。

其中直線AD為目標(biāo)車的車身速度的變化趨勢(shì)，顯示出車身的減速度，折線AED為乘員速度的變化趨勢(shì)，直線ED段趨勢(shì)表示乘員的減速度，V0為原點(diǎn)。ABDE區(qū)域的面積為乘員在碰撞過程中的絕對(duì)位移變化，AFE區(qū)域的面積為碰撞初始階段，乘員還未受到外力前的階段的乘員和車身的相對(duì)位移變化。CDE區(qū)域的面積為乘員在受到來自約束系統(tǒng)和車的作用力后的階段的絕對(duì)位移變化，則乘員能量密度E NP可以表示為單位質(zhì)量CDE區(qū)域的面積與乘員減速度AD的乘積。DEF區(qū)域的面積為乘員在約束系統(tǒng)作用下的相對(duì)位移變化，所以緩沖能量密度END，可以根據(jù)圖中CDF面積與乘員減速度的乘積計(jì)算得出。

2.側(cè)面碰撞試驗(yàn)及分析

2.1側(cè)面碰撞的吸能分析

本次側(cè)面碰撞試驗(yàn)流程按照現(xiàn)階段國內(nèi)主流的中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（China-NewCar Assessment Program）進(jìn)行，以下簡稱C-NCAP，側(cè)面碰撞試驗(yàn)的試驗(yàn)假入為ES2假人，試驗(yàn)中分別使用MDB和AEMDB兩種試驗(yàn)臺(tái)車，試驗(yàn)碰撞速度50km/h。進(jìn)行了兩次實(shí)車碰撞試驗(yàn)，將兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并分析車身響應(yīng)和假人傷害值的差異。

側(cè)碰試驗(yàn)中，B柱為側(cè)面結(jié)構(gòu)重要部件，其變形模式會(huì)直接影響車門的變形量，其強(qiáng)度不足會(huì)使車門發(fā)生嚴(yán)重的異常形變，增加對(duì)乘員傷害程度。優(yōu)化B柱可通過增加B柱等碰撞承受部件的彎曲剛度來實(shí)現(xiàn)。門檻梁作為支撐B柱以及側(cè)面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部件，在碰撞中如果無法產(chǎn)生足夠的抵抗效果，將引起乘員艙嚴(yán)重彎曲變形，甚至車體整體崩潰。增加焊點(diǎn)，改善焊縫位置、材料厚度，優(yōu)化材料可以增加門檻梁強(qiáng)度。碰撞產(chǎn)生的能量通過車門腰線加強(qiáng)版和防撞梁傳遞給車門內(nèi)飾板。車門內(nèi)側(cè)防撞梁，在碰撞中能有效防止車門過度變形，控制侵入量。設(shè)計(jì)上需控制各部件間接縫封閉特性，使碰撞能量得到有效的傳遞和耗散。由2節(jié)的分析可知，理論上車身剛度增大至2倍，將不受到兩碰撞車輛的質(zhì)量比限制，但實(shí)際設(shè)計(jì)中，還要平衡考慮車身質(zhì)量，乘員艙空間和約束系統(tǒng)匹配等因素。

2.2側(cè)面碰撞試驗(yàn)中乘員響應(yīng)和能量的分析

2.2.1側(cè)面碰撞試驗(yàn)中乘員運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)以及相應(yīng)曲線分析

C-NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程中將ES2假人分為4個(gè)部分進(jìn)行考察，頭部、胸部、腹部和骨盆。主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為頭部：HIC，3ms加速度；胸部：肋骨上中下三根的位移量和VC（背板力Fy、T12力Fy和力矩Mx作為罰分項(xiàng)）；腹部合力（APF）和骨盆合力（PSPF）。由于人體的骨架結(jié)構(gòu)中，骨盆承受的力范圍較大，所以在實(shí)際車身結(jié)構(gòu)開發(fā)和約束系統(tǒng)匹配中，也是將骨盆作為優(yōu)先考慮的部分。假人能量盡量控制在讓骨盆吸收，從而抑制胸部傷害值的增加。所以本文中，以T12的加速度作為胸部、腹部和骨盆能量分析的基礎(chǔ)，以腹部、腹部和骨盆的質(zhì)量作為運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量。通過對(duì)假人的加速度響應(yīng)曲線和碰撞側(cè)車身的B柱中間位置的加速度響應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)比分析。從而研究約束系統(tǒng)能量、結(jié)構(gòu)緩沖能量、乘員總能量與假人響應(yīng)之間的關(guān)系。

首先以假人整體作為考察對(duì)象，根據(jù)某車型的試驗(yàn)結(jié)果，考察假人和車身的運(yùn)動(dòng)情況。將采集得到的加速度響應(yīng)曲線進(jìn)行積分變換得到速度響應(yīng)曲線。對(duì)MDB和AEMDB側(cè)碰試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比碰撞側(cè)B柱中央部位對(duì)地的速度和假人胸部中肋骨對(duì)地的速度可以看出，車身與假人的接觸時(shí)刻為臺(tái)車碰撞目標(biāo)車后的57.2ms和57.1ms，接觸速度分別為5.56m/s和7.02m/s。對(duì)比假人各部位的接觸時(shí)間和加速度如下表格：

下圖紅色為碰撞側(cè)B柱中央部位速度曲線，藍(lán)色為假人胸部中肋骨速度曲線：

從圖3可以看出，在碰撞發(fā)生后的55ms，碰撞側(cè)B柱中央位置的加速度要明顯大于假人各部位的加速度。分析碰撞視頻可知，假人的骨盆最先與車身接觸，然后是腹部和胸部，頭部則最后接觸。將試驗(yàn)得到的加速度曲線進(jìn)行一次積分變換之后，得出了碰撞側(cè)車身B柱中間位置和假人各部位速度隨時(shí)間的變化曲線（曲線要加上）。從曲線中可以看出，MDB臺(tái)車碰撞側(cè)B柱中間位置的速度與假人各部位速度相同時(shí)的時(shí)間點(diǎn)都不一致，AEMDB臺(tái)車碰撞側(cè)B柱中間位置的速度與腹部和骨盆部位的速度相同時(shí)的時(shí)間點(diǎn)基本一致，時(shí)間為85.4ms，速度為8.35m/s。假人和約束系統(tǒng)接觸的過程中，各部位最大速度峰值呈現(xiàn)為骨盆、腹部和胸部依次降低的趨勢(shì)。圖4和圖5分別為兩次試驗(yàn)中，假人骨盆、腹部和胸部與B柱接觸的時(shí)間和接觸時(shí)刻的速度對(duì)比。

2.2.2側(cè)面碰撞試驗(yàn)中乘員傷害值和能量分析

根據(jù)兩次試驗(yàn)得到的結(jié)果可以看出，在AEMDB側(cè)碰試驗(yàn)中的假人傷害值普遍比MDB偏大，這是由于AEMDB臺(tái)車的質(zhì)量為1400kg，碰撞過程中產(chǎn)生的能量要比MDB臺(tái)車大很多，AEMDB的寬度也比MDB的1500mm寬200mm，AEMDB蜂窩鋁下沿離地高度比MDB的300mm大50mm，使得原本由底盤承受的沖擊能量轉(zhuǎn)移到B柱和車門部位。AEMDB前段蜂窩鋁的形狀為梯形，比MDB蜂窩鋁更加接近實(shí)際車輛，而剛度也比MDB有所提高。兩次試驗(yàn)得到的假人傷害值如下圖6所示。

通過前面章節(jié)理論的推導(dǎo)和對(duì)碰撞數(shù)據(jù)的分析，計(jì)算出假人各個(gè)部位單位質(zhì)量內(nèi)產(chǎn)生的能量。兩次試驗(yàn)中假人胸部、腹部和骨盆的能量密度對(duì)比如圖7所示。從圖中可知AEMDB側(cè)面碰撞中假人各部位產(chǎn)生的能量密度比MDB側(cè)面碰撞都要大，尤其是在腹部和肋骨部位的能量密度更為明顯。所以在AEMDB中，控制乘員的腹部和肋骨的能量對(duì)乘員傷害值控制更為重要。

一般在車身結(jié)構(gòu)沒有變化的情況下，假人所產(chǎn)生的能量基本需要全部轉(zhuǎn)化為約束系統(tǒng)能量，也就是側(cè)面氣囊等約束系統(tǒng)不被擊穿，假人不會(huì)與車身發(fā)生硬接觸，才能保證乘員安全。

3.結(jié)語

本文從理論上推導(dǎo)了車輛能量吸收的公式和車輛吸收假^能量的公式。

分析了側(cè)面碰撞中，車身的主要吸能部件，并對(duì)部件的優(yōu)化提供了參考。

對(duì)比分析了MDB和AEMDB側(cè)碰試驗(yàn)，MDB臺(tái)車碰撞側(cè)B柱中間位置的速度與假人各部位速度相同時(shí)的時(shí)間點(diǎn)都不一致，AEMDB臺(tái)車碰撞側(cè)B柱中間位置的速度與腹部和骨盆部位的速度相同時(shí)的時(shí)間點(diǎn)基本一致。假人和約束系統(tǒng)接觸的過程中，各部位最大速度峰值呈現(xiàn)為骨盆、腹部和胸部依次減小的趨勢(shì)。

AEMDB側(cè)面碰撞中假人各部位產(chǎn)生的能量密度比MDB側(cè)面碰撞都要大，尤其是在腹部和肋骨部位的能量密度更為明顯。在AEMDB中，控制乘員的腹部和肋骨的能量對(duì)乘員傷害值控制更為重要。