汽车侧面碰撞过程的仿真

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摘要：结合国内首次汽车侧面碰撞试验，建立了包括移动壁障、假人和轿车在内的汽车侧面碰撞模型。通过仿真准确地再现出复杂的实车侧面碰撞过程。
关键词：侧面碰撞模型仿真

1前言

大量的交通事故是汽车发生侧面碰撞。以2000年我国发生的交通事故为例，正面碰撞事故占20.8，而侧面碰撞事故占34.4[1]。从伤亡情况看，正面碰撞造成的伤亡人数占26.9，而侧面碰撞占32.3。可见研究汽车侧面碰撞对改善交通安全至关重要。

欧美从20世纪80年代初就开始重视对汽车侧面碰撞的研究。美国于1990年颁布并执行了汽车侧面碰撞保护法规FMVSS214；欧洲在1995年也制定了相应的法规ECER95，并于1998年强制执行。我国目前还没有颁布汽车侧面碰撞的强制性法规。2002年5月30日，在国内完成了第一辆轿车的侧面碰撞试验。单靠试验来解决汽车侧面碰撞问题是不现实的，迫切需要将计算机仿真技术与汽车侧面碰撞试验结合起来。这样，可以利用仿真数据全、针对性强的特点对试验结果进行剖析，也可利用周期短、成本低的优势对产品改进方案进行评估。

2试验方案

用移动壁障模拟撞击车，它由台车和吸能块组成，总质量为956kg，质心距地503mm。吸能块采用ECER95规定的标准吸能块，其前端面分成6个区域，处于下部的1、2、3区比上部的4、5、6区向前突出60mm，旨在模拟保险杠（图1）。被撞车为一辆国产轿车，横置在移动壁障的跑道上。驾驶员为EuroSID-I型标准假人，其H点处在跑道中心线正上方。牵引绞盘通过钢丝绳带动移动壁障以50±1km/h的速度行驶，在距轿车2m处钢丝绳和移动壁障突然脱开，让移动壁障和轿车左侧面发生碰撞。用高速摄像、电测量和光测量三种方式同时采集汽车、假人和移动壁障各部位的加速度和变形量。
图1吸能块的尺寸(mm)3汽车侧面碰撞模型

3.1移动壁障

建立的移动壁障模型有6661个单元，7837个节点。吸能块主体采用体单元和蜂窝铝材料，内部的衬板采用板单元和分段线形塑性材料，台车部分为刚体。

保证吸能块的变形特性和耗散能量特性是移动壁障建模的技术关键，需要对吸能块的单元特性反复进行调整，通过仿真验证确定最终的模型。验证方法是令移动壁障在光滑路面上以35km／h的速度与刚性测力墙碰撞，要求吸能块的最大变形量为（330±20）mm，耗散能—变形曲线、整体和1～6区的力—变形曲线应在一定的界限范围内[2]。验证结果如图2所示，各项指标都满足了上述要求。
图2吸能块的变形特性3.2假人

假人模型是在VPG（虚拟试验场）/Safety模块中提供的EuroSID-I假人样本模型的基础上建立的。原模型头部、颈部、胸部和左右腿的质量低于标准假人[2][3]。补足质量后，对头部、肩部、胸部、腹部和骨盆的响应特性进行了仿真标定。

头部：对称面与水平面成35o，下方200mm处设一刚性墙。对头部所有节点施以重力加速度，使之与刚性墙碰撞，要求头部质心的合成加速度的峰值在100～150g之间[2]。标定结果为131g。

肩部：假人坐在刚性平面上，胸部竖直，上臂向前与竖直方向成40°，两腿水平伸直。做一直径为152mm、质量为23.5kg的柱形摆锤模型。摆锤以4.3m/s的速度撞击肩轴，要求摆锤的加速度峰值在7.5～10.5g之间。标定结果为10.1g。

胸部：将肋骨组件固定在刚性支架上。做一直径为150mm，质量为7.8kg的柱形落锤模型。落锤以1.0、2.0、3.0、4.0m/s的速度撞击肋骨侧面，要求肋骨的位移分别在10～14、23.5～27.5、36～40、46～51mm之间。标定结果为：12.0、25.1、39.2、49.5mm。

腹部：假人坐在刚性平面上，胸部竖直，上臂和两腿向前水平伸直。做一质量为23.5kg的冲击锤模型(冲击面为150mm×70mm的矩形)。冲击锤以6.3m/s的速度撞击腹侧，要求冲击锤受力峰值在9.5～11.1kN之间，且发生在撞击后9.8～11.4ms；腹部合力的峰值在5.9～7.9kN之间。标定结果：冲击锤受力峰值为10.2kN，发生在10ms；腹部合力的峰值为6.1kN。

骨盆：假人坐姿与腹部标定时相同。用直径为152mm，质量为23.5kg的柱形摆锤以4.3m/s的速度撞击H点，要求摆锤受力峰值在4.4～5.4kN之间，且发生在撞击后10.3～15.5ms；耻骨合力峰值在1.04～1.64kN之间，且发生在9.9～15.9ms。标定结果：摆锤受力峰值为4.8kN，发生在14ms；耻骨合力峰值为1.48kN，发生在12ms。

3.3汽车

汽车结构复杂，综合考虑计算时间和计算精度，对整车各部位采用了疏密程度不同的单元：位于车身左侧、前围最前点和C柱下部之间的区域为主变形区，单元边长为10～20mm，主要部件包括左侧的车门、门柱、门槛、门横梁、地板、座椅、顶盖