顏凌波,張 超,許 偉,曹立波,戴宏亮
(1.汽車(chē)噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400039; 2.湖南大學(xué),汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410082)
截止2015年,我國(guó)的汽車(chē)保有量已達(dá)到1.72億量,而預(yù)計(jì)至2020年我國(guó)的汽車(chē)保有量將突破2億輛[1]。汽車(chē)數(shù)量的增長(zhǎng)也帶來(lái)一系列交通事故問(wèn)題,對(duì)乘員的生命安全造成很大威脅。
據(jù)美國(guó)公路交通安全管理局NHTSA對(duì)汽車(chē)碰撞事故形式的分析,在汽車(chē)正面碰撞、側(cè)面碰撞和追尾碰撞3種事故類型中,正面碰撞事故所占比例高達(dá)49%,且其乘員死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)的比例也高達(dá)33.5%,此兩項(xiàng)均是第一位[2]。正面碰撞又可分為正面全寬碰撞、正面偏置碰撞和角度碰撞等。而美國(guó)Kaye Sullivan等對(duì)美國(guó)正面碰撞事故中車(chē)輛的碰撞位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明,碰撞位置在-15°~15°角度范圍內(nèi)的占65.2%,在-15°~-45°和15°~45°范圍的共占30%[3],說(shuō)明斜角碰撞在正面碰撞中占有一定的比例。
目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)角度碰撞的研究相對(duì)較少。牛衛(wèi)中等研究了某SUV車(chē)型小重疊正面斜角碰撞工況對(duì)車(chē)體耐撞性的影響[4];張萍等對(duì)車(chē)車(chē)碰撞條件下某轎車(chē)斜角碰撞和小重疊率碰撞的駕駛員損傷進(jìn)行研究[5];RUDD R W等研究發(fā)現(xiàn)斜角碰撞中安全氣囊對(duì)乘員的保護(hù)效果較差[6];James Saunders等對(duì)安全帶參數(shù)在30°碰撞中對(duì)駕駛員胸部、臀部損傷的影響展開(kāi)了研究[7]。而約束系統(tǒng)作為直接與乘員接觸的車(chē)身組件,能在碰撞事故中大大減輕乘員受到的傷害。目前的約束系統(tǒng)主要是針對(duì)正面全寬碰撞和偏置碰撞設(shè)計(jì)的,是否適用角度碰撞有待進(jìn)一步驗(yàn)證。本文中主要研究不同車(chē)型在車(chē)車(chē)斜角碰撞中顯著影響乘員損傷的約束系統(tǒng)靈敏因子,并展開(kāi)約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì),探討此工況下不同車(chē)型在考慮車(chē)車(chē)碰撞兼容性條件下的約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化趨勢(shì)的異同。
圖1 Taurus驗(yàn)證
圖2 Explorer驗(yàn)證
選用了2010年版豐田Yaris,2001福特 Taurus和2002年版福特Explorer 3款車(chē)作為研究對(duì)象。3款車(chē)的整車(chē)有限元模型由美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心(national crash analysis center,NCAC)建立并發(fā)布。其中Yaris代表小型乘用車(chē),Taurus代表中型乘用車(chē),Explorer代表SUV車(chē)型。NCAC在建立該模型后,將其與整車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,其中整車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)新車(chē)碰撞測(cè)試中的100%正面碰撞試驗(yàn),試驗(yàn)的碰撞速度為56km/h,試驗(yàn)號(hào)依次為5677[8],7520[9]和3730[10]。其試驗(yàn)與仿真中的車(chē)身變形情況和加速度曲線如圖1~圖3所示。
由圖可知,3款車(chē)的模型車(chē)體變形和實(shí)車(chē)變形相近,仿真和試驗(yàn)的加速度曲線吻合較好。
根據(jù)美國(guó)國(guó)家汽車(chē)調(diào)查系統(tǒng)耐撞性數(shù)據(jù)系統(tǒng)(NASS-CDS)1995-1999年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,左側(cè)角度碰撞是發(fā)生概率較高的一種車(chē)車(chē)碰撞模式[11],同時(shí)我國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,75%的交通事故中事故車(chē)的車(chē)速小于50km/h[12]。因此在本研究中設(shè)置兩車(chē)碰撞夾角為30°,碰撞時(shí)車(chē)速為50km/h,仿真時(shí)間為120ms。每次仿真中為同一款車(chē)分別設(shè)置為目標(biāo)車(chē)和同伴車(chē),研究其在斜角碰撞中兩個(gè)位置的車(chē)身響應(yīng),在之后的約束系統(tǒng)靈敏度分析中,綜合兩者研究該款車(chē)的約束系統(tǒng)靈敏因子。
在碰撞有限元模型的駕駛員座椅下方設(shè)置加速度傳感器輸出加速度和轉(zhuǎn)角曲線,將其導(dǎo)入MADYMO模型中。其中,目標(biāo)車(chē)駕駛員側(cè)座椅R點(diǎn)與乘員側(cè)座椅R點(diǎn)的中點(diǎn)作為仿真設(shè)置的參考點(diǎn),并使同伴車(chē)的中垂面分別通過(guò)這兩點(diǎn)來(lái)設(shè)置仿真模型中同伴車(chē)的位置,如圖4所示,其中左側(cè)車(chē)輛為目標(biāo)車(chē),右側(cè)為同伴車(chē)。
圖3 Yaris驗(yàn)證
圖4 車(chē)車(chē)斜角碰撞時(shí)兩車(chē)的位置關(guān)系
利用MADYMO軟件采用子結(jié)構(gòu)技術(shù)的PSM(prescribed structure motion)法分別建立3種車(chē)型的駕駛區(qū)碰撞仿真模型。PSM法通過(guò)在有限元分析模型中提取必要的零部件,轉(zhuǎn)化為碰撞模型車(chē)體的邊界條件。這樣進(jìn)行求解較快捷,更適合于樣本較多、計(jì)算量較大的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。該模型包括車(chē)體、假人、安全帶和安全氣囊;車(chē)體包含儀表板總成、地板、左側(cè)車(chē)門(mén)內(nèi)飾板、左側(cè)A柱和B柱及駕駛員座椅;安全帶模型為有限元與多剛體相結(jié)合的混合式安全帶,并定義卷收器,包含限力功能和預(yù)緊功能,安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻和充氣速率通過(guò)對(duì)比整車(chē)碰撞的試驗(yàn)動(dòng)畫(huà)設(shè)置,假人采用Hybrid III 50百分位橢球體假人,根據(jù)整車(chē)碰撞試驗(yàn)假人位置調(diào)整仿真假人在車(chē)體中的相對(duì)空間位置[13]。建立的目標(biāo)車(chē)駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)模型(以Taurus為例)如圖5所示。建立約束系統(tǒng)模型后,分別按照試驗(yàn)號(hào)5677,7520和3730的試驗(yàn)中假人損傷進(jìn)行驗(yàn)證,100%正面碰撞仿真和試驗(yàn)的損傷差異如表1所示。
圖5 建立的MADYMO模型
表1 100%正面碰撞試驗(yàn)與仿真的駕駛員損傷對(duì)比
由表1可知,所建立的約束系統(tǒng)模型仿真所得的駕駛員損傷值與試驗(yàn)值誤差在10%以內(nèi)。
根據(jù)有限元和多剛體仿真結(jié)果可知,在發(fā)生車(chē)車(chē)斜角碰撞后,前方構(gòu)件吸能較差,導(dǎo)致目標(biāo)車(chē)的車(chē)身左側(cè)的儀表板嚴(yán)重入侵乘員空間,且和駕駛員的下肢發(fā)生了擠壓,對(duì)駕駛員的下肢造成較大傷害;由于在斜角碰撞中有一定的Y向加速度,導(dǎo)致在發(fā)生碰撞后駕駛員的頭部向外偏轉(zhuǎn),這可能會(huì)導(dǎo)致安全氣囊未完全發(fā)揮作用,也會(huì)造成較大的頸部傷害。
同伴車(chē)的車(chē)頭左側(cè)也發(fā)生了嚴(yán)重的變形,同樣導(dǎo)致了比較嚴(yán)重的駕駛員下肢傷害,發(fā)生碰撞后駕駛員的頭部未向一側(cè)偏轉(zhuǎn),頭部和其他內(nèi)飾發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)小于目標(biāo)車(chē),其狀態(tài)如圖6所示,通過(guò)仿真得到車(chē)車(chē)斜角碰撞時(shí)的損傷參數(shù),并計(jì)算WIC值,列于表2。
圖6 兩車(chē)駕駛員仿真結(jié)束時(shí)姿態(tài)
表2 3款車(chē)駕駛員損傷參數(shù)
綜合損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)WIC是針對(duì)頭部、胸部、大腿等部位的損傷值加權(quán),其表達(dá)式為[14]
式中:HIC36為頭部損傷指標(biāo);Cg為胸部3ms合成加速度;C為胸部壓縮量;Fl,F(xiàn)r分別為左右大腿軸向力最大值。WIC值越小,說(shuō)明約束系統(tǒng)對(duì)駕駛員的保護(hù)效果越好。
為分析各約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)乘員損傷參數(shù)的影響,用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)其展開(kāi)靈敏度分析。采用均勻拉丁方方法對(duì)約束系統(tǒng)參數(shù)值在一定范圍內(nèi)進(jìn)行均勻取值,生成DOE設(shè)計(jì)表,進(jìn)行試驗(yàn)。由于計(jì)算樣本量較大,為提高效率,運(yùn)用modefrontier進(jìn)行約束系統(tǒng)參數(shù)修改和模型的自動(dòng)運(yùn)算。最后采用T檢驗(yàn)確定每個(gè)約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)每個(gè)損傷指標(biāo)的敏感程度。
本文中選取的進(jìn)行分析的約束系統(tǒng)參數(shù)包括:氣囊參數(shù)(包括氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、泄氣孔面積、氣囊體積);安全帶參數(shù)(包括安全帶限力級(jí)別、預(yù)緊器作用時(shí)間、D環(huán)摩擦因數(shù))以及坐墊剛度共計(jì)8個(gè)約束系統(tǒng)參數(shù)。
將各約束系統(tǒng)參數(shù)以其初始值為基準(zhǔn),結(jié)合實(shí)際工況選擇上下浮動(dòng)30%-50%作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的取值范圍。各車(chē)型約束系統(tǒng)參數(shù)取值范圍如表3~表5所示。
表3 Yaris約束系統(tǒng)各參數(shù)取值范圍
表4 Taurus約束系統(tǒng)各參數(shù)取值范圍
表5 Explorer約束系統(tǒng)各參數(shù)取值范圍
表6 Explorer靈敏因子分析
表7 Taurus靈敏因子分析
在modefrontier中建立流程圖,采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,利用均勻拉丁方方法生成100組約束系統(tǒng)參數(shù),modefrontier自動(dòng)將計(jì)算模型提交至MADYMO進(jìn)行計(jì)算,獲得相應(yīng)的損傷參數(shù)值。
對(duì)仿真數(shù)據(jù)利用T檢驗(yàn)展開(kāi)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,確認(rèn)其統(tǒng)計(jì)顯著性,客觀評(píng)價(jià)該約束系統(tǒng)參數(shù)是否對(duì)輸出參數(shù)有顯著作用。靈敏度分析所選取的置信區(qū)間為95%,假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題的P值(probablity value)是由檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的樣本觀察值得出的原假設(shè)可能被拒絕的最小顯著性水平,當(dāng)P≤5%時(shí)可以接受該約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)輸出結(jié)果有顯著影響,即認(rèn)為該約束系統(tǒng)參數(shù)為其靈敏因子。
評(píng)價(jià)指標(biāo)包括頭部、頸部、胸部、大腿和小腿的損傷。其中頭部損傷包括HIC36和3ms合成加速度;頸部傷害包括頸部剪切力、頸部張力和頸部彎矩;胸部傷害包括胸部壓縮變形量、胸部黏性指標(biāo)和胸部3ms合成加速度;大腿損傷包括大腿軸向力和膝蓋滑移量;小腿損傷包括小腿軸向力和小腿脛骨指數(shù)。
當(dāng)某個(gè)約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)某損傷值變化起顯著作用時(shí),則認(rèn)為該參數(shù)為該損傷部位的靈敏因子。整理歸納出的約束系統(tǒng)靈敏因子如表6~表8所示。
由表可知,在車(chē)車(chē)斜角碰撞工況中,對(duì)于目標(biāo)車(chē)而言,以Explorer, Taurus, Yaris為代表的SUV、中型車(chē)和小型車(chē)的共同靈敏因子包括安全氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、泄氣孔面積、安全帶預(yù)緊器作用時(shí)間和限力級(jí)別。而對(duì)于同伴車(chē)而言,共同的靈敏因子比目標(biāo)車(chē)多一個(gè)安全氣囊體積。
其中,對(duì)乘員頭部傷害有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)主要有氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、泄氣孔面積和安全帶預(yù)緊器作用時(shí)間及限力級(jí)別;
對(duì)乘員頸部損傷有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)為氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、泄氣孔面積、氣囊體積、安全帶預(yù)緊器作用時(shí)間和限力級(jí)別;
對(duì)乘員胸部損傷有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)主要是氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、泄氣孔面積和安全帶限力級(jí)別;
對(duì)乘員大腿有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)主要為氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、安全帶限力級(jí)別和預(yù)緊器作用時(shí)間;
對(duì)乘員小腿有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)主要為氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、安全帶限力級(jí)別和預(yù)緊器作用時(shí)間。
以上結(jié)果符合人們的常規(guī)認(rèn)知。氣囊參數(shù)中,其起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率和泄氣孔面積、氣囊體積共同決定了乘員頭部和胸部在接觸氣囊時(shí)氣囊的狀態(tài),頭部與氣囊在適當(dāng)?shù)奈恢媒佑|且氣囊軟硬適中,才能對(duì)乘員提供較好的緩沖和保護(hù)。安全帶限力級(jí)別和預(yù)緊器作用時(shí)間影響著作用在乘員上半身的拉力和持續(xù)時(shí)間,從而影響著乘員向前運(yùn)動(dòng)幅度,同時(shí)也會(huì)影響乘員胸部的壓縮量、乘員上半身與氣囊接觸的時(shí)間和下肢向前運(yùn)動(dòng)的位移。安全帶和安全氣囊等約束系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配才能對(duì)乘員提供較好的保護(hù)。
表8 Yaris靈敏因子分析
以約束系統(tǒng)參數(shù)靈敏因子對(duì)目標(biāo)車(chē)和同伴車(chē)展開(kāi)優(yōu)化,并通過(guò)綜合損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)WIC衡量乘員損傷程度,以WIC最小作為優(yōu)化目標(biāo)。
目前在乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化研究中,最廣泛應(yīng)用的是基于響應(yīng)面法的系統(tǒng)代理模型,可以通過(guò)建立含有設(shè)計(jì)變量的近似函數(shù)來(lái)擬合系統(tǒng)響應(yīng)。
本文中采用Modefrontier軟件進(jìn)行約束系統(tǒng)的優(yōu)化。將約束參數(shù)輸入和損傷輸出利用徑向基函數(shù)方法(radial basis function,RBF)生成響應(yīng)面模型,利用遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithmⅡ,NSGA-Ⅱ)[15]進(jìn)行40代優(yōu)化運(yùn)算,每代組合數(shù)為50,總共2 000次迭代,獲得此工況下最佳的約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。
為使乘員損傷WIC值盡可能降低,通常是對(duì)每一輛車(chē)單獨(dú)展開(kāi)優(yōu)化,利用modefrontier進(jìn)行迭代后,各約束系統(tǒng)參數(shù)將趨于最佳設(shè)計(jì)值,即為該車(chē)的最佳參數(shù)設(shè)計(jì)組合。優(yōu)化結(jié)果如表9~表10所示。
表9 單獨(dú)優(yōu)化后的參數(shù)組合
表10 單獨(dú)優(yōu)化前后WIC值對(duì)比
優(yōu)化后相比其WIC原值均有較大下降,約束系統(tǒng)參數(shù)能夠?qū)Τ藛T有更好的保護(hù)效果。在這3種車(chē)型中,同伴車(chē)相對(duì)目標(biāo)車(chē)而言,有較大的泄氣孔面積,且氣囊起爆時(shí)間、氣囊體積、預(yù)緊器作用時(shí)間等都存在一定的差距,約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方向會(huì)存在一定的偏差。因此,在約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),采用目標(biāo)車(chē)的最佳優(yōu)化組合對(duì)同伴車(chē)的乘員未必能起到較好的保護(hù)效果,反之亦然,車(chē)車(chē)角度碰撞中兼容性并不是很好。且為使約束系統(tǒng)同時(shí)對(duì)目標(biāo)車(chē)和同伴車(chē)都能起到很好的保護(hù)效果,通常在兩車(chē)的約束系統(tǒng)優(yōu)化取值中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)篩選,尋找交集,比較繁瑣。
從車(chē)車(chē)碰撞兼容性角度出發(fā),此處以兩輛車(chē)乘員WIC值最低作為優(yōu)化目標(biāo)展開(kāi):以一組約束系統(tǒng)參數(shù)組合作為輸入,以兩車(chē)的損傷值作為輸出,并以WIC值之和最低作為優(yōu)化目標(biāo),采用RBF建立新的響應(yīng)面模型展開(kāi)優(yōu)化。
選擇最后結(jié)果中的約束系統(tǒng)參數(shù)組合,此時(shí)目標(biāo)車(chē)和同伴車(chē)的乘員WIC之和能夠達(dá)到最小,對(duì)兩個(gè)工況下的乘員都能起到較好的保護(hù)作用。并對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面驗(yàn)證,使其精度滿足要求。優(yōu)化前后的各車(chē)型參數(shù)組合和優(yōu)化前后損傷值對(duì)比如表11~表16所示。
表11 Yaris優(yōu)化前后參數(shù)組合
表12 Yaris優(yōu)化前后乘員損傷情況
表13 Taurus優(yōu)化前后參數(shù)組合
表14 Taurus優(yōu)化前后乘員損傷情況
表15 Explorer優(yōu)化前后參數(shù)組合
表16 Explorer優(yōu)化前后乘員損傷情況
對(duì)于小型車(chē)型,在優(yōu)化前后,氣囊點(diǎn)火時(shí)刻有較大延遲,氣囊氣體質(zhì)量流率略有增加,泄氣孔面積減小,氣囊體積稍小,安全帶預(yù)緊器作用時(shí)間也略有延遲。在這樣的約束系統(tǒng)參數(shù)組合下,Yaris車(chē)型目標(biāo)車(chē)乘員由于 HIC36值大幅度下降,使 WIC值下降34.9%;同伴車(chē)的乘員頭部傷害和胸部傷害均有所改善,使WIC值也下降11.1%。
對(duì)于中型車(chē)型,在優(yōu)化前后,氣囊點(diǎn)火時(shí)刻稍提前,氣體質(zhì)量流率略有增加,泄氣孔面積增大,限力級(jí)別降低。最后使目標(biāo)車(chē)乘員胸部傷害得到改善的同時(shí)也并未增加頭部損傷值;同伴車(chē)乘員的頭部和胸部的損傷均有較好改善。綜合參考WIC值,目標(biāo)車(chē)乘員的WIC值下降4.5%,而同伴車(chē)乘員的WIC值下降28.6%。
對(duì)于SUV車(chē)型,在優(yōu)化前后,氣囊點(diǎn)火時(shí)刻延遲,氣體質(zhì)量流率略有增加,泄氣孔面積增大,限力級(jí)別降低。最后使目標(biāo)車(chē)乘員的HIC36和胸部3ms合成加速度有改善;同伴車(chē)乘員的HIC36和胸部壓縮量有較好改善。綜合參考WIC值,目標(biāo)車(chē)的乘員WIC值下降17.9%,而同伴車(chē)的乘員WIC值下降12.5%。
綜上所述,在車(chē)車(chē)斜角碰撞工況中,目標(biāo)車(chē)和同伴車(chē)的乘員綜合損傷值WIC之和達(dá)到最低。每個(gè)乘員損傷都得到不同程度的降低,都能獲得較好的保護(hù),車(chē)車(chē)兼容性較好,且與單車(chē)最佳優(yōu)化結(jié)果差距較小。
另外,從優(yōu)化結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),車(chē)車(chē)斜角碰撞中SUV、中型車(chē)和小型車(chē)3種不同車(chē)型的約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化趨勢(shì)并不完全相同,但也存在一定的共同點(diǎn):優(yōu)化后氣囊氣體質(zhì)量流率增加,而安全帶的限力級(jí)別降低。對(duì)于原來(lái)?yè)p傷較大的車(chē)型,氣囊體積增大。
針對(duì)Yrais,Explorer,Taurus 3款車(chē)型為代表的小型乘用車(chē)、中型乘用車(chē)和SUV的車(chē)車(chē)30°斜角碰撞仿真以及試驗(yàn)設(shè)計(jì),進(jìn)行該工況下的約束系統(tǒng)優(yōu)化,得到以下結(jié)論。
(1)在30°車(chē)車(chē)斜角碰撞工況下,不同車(chē)型具有相近的約束系統(tǒng)靈敏因子,這些靈敏因子為:安全氣囊的起爆時(shí)間、質(zhì)量流率、泄氣孔面積、氣囊體積、安全帶限力級(jí)別和預(yù)緊時(shí)間。
(2)在30°車(chē)車(chē)斜角碰撞工況下,相比對(duì)每輛車(chē)單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)化,以兩輛車(chē)的WIC值最小作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化時(shí),能同時(shí)降低目標(biāo)車(chē)和同伴車(chē)的乘員損傷值,獲得更加良好的車(chē)車(chē)碰撞兼容性。
(3)在30°車(chē)車(chē)斜角碰撞工況下,不同車(chē)型的約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化趨勢(shì)并不完全相同,但仍有一定共同點(diǎn),即優(yōu)化后氣囊氣體質(zhì)量流率趨于增加,安全帶的限力級(jí)別趨于降低。