侧面碰撞事故工况的力学解析

2019-11-29 21:45:59·  来源:上汽安全与CAE技术  
 
背景随着人们安全意识的提升,车辆安全性在消费者购车因素中所占比重越来越大。对于用户而言,碰撞事故发生后能有效保护车上人员安全是最直接的需求。而对于工程
背景
随着人们安全意识的提升,车辆安全性在消费者购车因素中所占比重越来越大。对于用户而言,碰撞事故发生后能有效保护车上人员安全是最直接的需求。而对于工程开发人员,如何将碰撞事故中的用户安全转化为车辆开发中可量化分析的设计指标,在轻量化、低碳化背景下满足用户安全需求成为开发者需要掌握的重要前提。

侧面碰撞工况
法规及NCAP体系为整车开发提供了很好的思路。基于车辆事故统计数据,分析事故形态及乘员伤害水平分布情况,可以将安全事故简化成几种典型的碰撞工况,如正面全宽碰撞,正面偏置碰撞,侧面可变形壁障碰撞等等。基于几种典型碰撞工况,开发人员就可以确定分析对象及进行相应的力学分析,进而提取车辆安全开发的重要指标,指导整车设计开发。
图1展示了典型的侧面碰撞工况:

图1 侧面碰撞工况
可变形的蜂窝铝壁障撞击被撞车侧面,模拟考察在侧面碰撞事故中对车内乘员的保护。目前主要的NCAP及保险体系相关侧面MDB工况可见图2,碰撞形式基本都是一致的,均为可变形蜂窝铝壁障以某一速度撞击试验车侧面。不同的是各国家和地区使用的壁障类型,壁障撞击位置,撞击速度和角度以及车内假人类型有明显差异,这与不同地域的事故类型特点,人体特点是相关联的。


图2 NCAP/保险体系侧碰工况(图片资料来源SafetyCompanion-2019)

机理分析
对于上述所有侧面碰撞工况,虽然壁障参数有所差异,但其受力机理都是一致的,可以将工况统一简化为如下质量-弹簧模型[1,2]:

图3 侧面碰撞简化模型[1,2]
质量-弹簧模型在理论设计阶段提供了一种简单高效且相对准确的分析方法,通过分析模型参数对碰撞过程的影响,帮助开发者快速确定影响乘员伤害的重要因素。

进一步的,对车内乘员、与乘员对应的车门结构以及壁障受力情况继续分解,以车门为分析对象,根据牛顿第二定律可知:

由此可得假人受力为:



图4 侧面受力分析
由公式(2)不难看出,减小壁障撞击力、降低车门动量(减小车门质量或减小车门侵入速度)、增加车身结构侧面强度均可减小假人受到的作用力,即降低假人伤害水平。结合实际工况,不难提取针对工程的结构设计指标:结构侵入速度、结构侧面强度或结构侵入量。
此外,从图4侧面受力分析可以看出,假人受力最直接来自于车门内饰结构。将车门饰板刚度简化为等效刚度K,撞击过程中门饰板侵入量等效为δ,则假人受力可以用公式(3)表示如下:

由此可知,设计合适的门饰板刚度或结构同样可以减小假人受力,起到保护乘员的效果。侧面安全气囊的作用正是利用这个原理,一方面降低结构与人体的接触刚度,使作用在人体的作用力较小;另一方面通过这一持续的分散作用力将人体推开,远离碰撞区域,达到保护乘员的效果。
有了上面的理论基础,在整车开发流程中就可以明确把车身结构的侵入速度,侵入量以及约束系统配置等作为设计指标,做到有的放矢的开发设计优化。

参考文献
Hardy, W.; Foster, C.D.; King, A.I.; Tashman, S. (1997) Investigation of brain injury kinematics: Introduction of a new technique. Crashworthiness, Occupant Protection and Biomechanics in Transportation Systems, pp 241-254.
Paul Du Bois; Clifford C. Chou; Bahig B. Fileta; Tawfik B. Khalil; Albert I. King; Hikmat F. Mahmood; Harold J. Mertz; Jac Wismans; Priya Prasad; Jamel E. Belwafa. (2004)Vehicle crashworthiness and occupant protection. American Iron and Steel Institute. 
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