汽车安全性研究

汽车安全性研究 1.1汽车被动安全性研究的意义与现状 1.1.1研究的意义 近年来我国的汽车工业飞速发展，汽车保有量迅速增加，这同时也导致了与汽车相关的各种事故的迅猛增长。根据国家安全生产局发布的全国安全生产形势通报，2002年全国共发生各类安全事故107. 3万起，死亡13. 9万人。其中，道路交通事故77. 3万起，占全部的72%，死亡10. 9万人，占全部的78% , 56. 2万人受伤，直接经济损失33. 2亿元。2003年我国一共发生交通事故607507起，总伤亡人数为598546人，其中侧面碰撞占32％ ，因侧面碰撞而造成的人员伤亡占31.1％。2006年，全国共发生道路交通事故378781起，造成89455人死亡、431139人受伤，直接财产损失14.9亿元。与2005年相比，事故450254起，死亡人数98783人，受伤人数469911人，直接财产损失18.9亿元。汽车交通安全已经成为公共安全问中举足轻重的部分。从世界范围来看，我国汽车保有量只占全世界的1.9%，但我国交通事故死亡人数却占全世界的15%左右。可见汽车安全性研究在我国的重要性。大量交通事故的发生，无数生命的代价换来民众、生产厂商和政府部门对汽车安全性的重视并开始采取各种措施来减少人员及车辆的损失。通过提高汽车安全性能，达到事故无法避免时“车毁人不亡，车损人不伤”。[1] 汽车被动安全性是汽车最为重要的一项整车性能指标，人们一直致力于汽车安全性的研究和安全技术的开发。汽车工业发达的国家如美国、日本，随着汽车安全性研究的深入和安全法规的贯彻，虽然汽车保有量在增加，但交通事故的死亡率大大降低，成效十分显著。这证明了先进的安全技术可以降低交通事故的发生率及减少财产的损失。我国目前已进入交通事故多发期，而且汽车安全水平落后，这已经成为阻碍我国交通运输业和汽车工业进一步发展的主要因素之一，因此开展汽车被动安全性研究是十分必要和紧迫的。为了促进这一领域的研究工作，中国汽车被动安全技术专业委员会于1995年9月成立，标志着我国汽车被动安全性研究工作走上系统化和正规化的发展道路。而2000年1月1日，CMVDR 294《关于正面碰撞乘员保护的规则》的实施则标志着我国的碰撞法规正逐渐与国际接轨。 1.1.2研究现状 目前，国内外有关汽车被动安全性的研究主要围绕汽车抗撞性和乘员约束系统两方面开展，具体表现为以下几点： 1.1.2.1车身结构抗撞性 车身结构抗撞性研究提高汽车安全性，是汽车问世以来最重要的研究课题之一。车身是安装悬挂部件的基础，其坚固可靠可为行车安全提供必要的条件。在实际的新车开发中，应以此为目标，努力实现车身结构高强度化。然而，车身能够直接发挥的最大作用还是提高整车的安全性。为此车身应有如下功能： （1）为了尽量缓解乘员受到的冲击，必须尽可能缓和吸收车辆和乘员的运动能量。 （2）在确保乘员的有效生存空间的同时，还必须保证碰撞后乘员易于逃脱和容易进行车外救护。 电子计算机的出现使得人们采用数学模拟来研究车身结构的抗撞性成为可能。随着 Cray 等巨型计算机的出现，基于显式积分的有限元方法在 80 年代初有了很大的发展，使人们可以对大型结构进行动态有限元分析，车身结构的抗撞性研究进入了一个崭新的时期。从工程角度出发，在概念设计阶段，可在用弹簧质量模型进行分析，而在产品设计的最后阶段，则以采用整车有限元模型进行定量分析。 1.1.2.2安全带和安全气囊的研究 汽车座椅安全带是重要的乘员保护约束系统之一，在减轻碰撞事故中乘员伤害程度方面起着重要作用。汽车上使用的安全带按固定方式分为两点式、斜挂式、三点式和四点式4种，一般是由织带、安装固定件、卷收器和调节件等部件组成。安全带在交通事故中，对驾驶员和乘员有着重要的保护作用，特别是在高速公路上行车时，其作用更加明显。研究表明，使用安全带能够减少乘员在碰撞事故中50％的死亡率。 安全气囊的研究起步于20世纪80年代后期，90年代开始得到迅速发展。安全气囊与安全带的配合使用大大降低了碰撞中乘员受伤的危险。传统安全气囊的设计是在发生正面撞车事故时避免车内乘员的头部、颈部和胸部强烈撞击在仪表盘、方向盘或挡风玻璃上。在后面碰撞、翻车或大多数侧面碰撞的情况下，它不会被引发而打开。随着技术的发展，安全气囊的保护范围将进一步扩大，从现在的前排乘员前方保护扩展到前排乘员的侧面、膝部和后排乘员的前方与侧面以及车外行人。侧面安全气囊、发动机罩宽幅气囊、车外气囊等产品不断推出。同时，安全气囊已出现智能化，能识别乘员席有无乘员、有无逆向儿童座椅以及乘员身材大小、重量、坐姿、是否系戴安全带等，并根据上述信息调整动作，以求最大限度地减少失误和保护乘员[2]。 1.2汽车侧面碰撞研究的意义和内容 1.2.1汽车侧面碰撞研究的意义 近十年的交通事故统计表明，侧面碰撞引起的交通事故均高于正面碰撞，侧面碰撞的致死率仅次于正面碰撞，而致伤率则居第一位。据有关资料统计表明，国外交通事故死亡人数中，因正面碰撞而导致死亡的接近70%，因侧面碰撞而导致死亡的接近30%，而在我国由于交通法规执行情况及道路使用状况的特殊性，由侧面碰撞而导致死亡的比例高于国外；数据表明，我国1998年汽车侧面碰撞事故的发生率占整个交通事故的31.56%，严重受伤人数占30.15%，都仅次于正面碰撞事故。同时考虑碰撞造成的乘员伤害及财产损失时，侧面碰撞达到了一个相对较高的水平,其所造成的巨大经济损失和给上千万个家庭带来的灾难及残疾人口增长引发的社会问题是非常严重的。在这种形势下，改善汽车安全性，降低乘员和行人的伤亡率以及减少交通事故所造成的经济损失的重要性显得尤为重要。 汽车侧面是车体中强度较薄弱的部位，尤其是对于轿车而言，其侧面强度更为薄弱； 同时车内乘员同强烈贯穿的撞击物之间仅隔着车门和20-30cm的空间，这意味着一旦受到来自侧面的撞击，不可能有像汽车的前部及后部那样，有足够空间发生结构变形及吸收碰撞能量，轿车侧面的可变形空间小,很有可能在撞击过程中，乘员受到挤压，同时左侧的乘员头部也有可能与车身发生碰撞，造成昏迷状态，使得不能自救，这就是侧面碰撞对乘员的伤害较其他类型的碰撞要严重的原因。在斜坡上或在转弯时发生的侧面碰撞，还有可能引起被撞汽车翻倾，可能导致车门框变形使车门不能开启，影响乘员离开危险地带及对乘员的救援。因此与正面、后部碰撞相比，侧面碰撞对乘员可能造成的伤害更大。因此开展侧面碰撞安全性研究已成为汽车被动安全领域研究的一个新热点。 1.2.2汽车侧面碰撞研究的内容 国外对于侧碰的研究则是从上个世纪八十年代才开始真正兴起，主要集中于以下几个方面:侧面碰撞试验台的研究，计算机模拟侧碰的研究，侧碰中乘员响应及伤害指标的研究，侧碰假人的研究及侧面碰撞试验法规的研究等。 (一)侧面碰撞试验台的研究 侧面碰撞试验台经历了一个不断发展与完善的过程，大致分为两种类型:第一类只有一个台车的试验台，Heidelberg[3]型是其中比较典型的一个，原理是假人置于座椅上，座椅固定于能水平侧向移动的滑车，初始状态为假人与滑车一起加速至碰撞速度，然后滑车在短时间内速度减到零，惯性作用下假人在座椅上作侧向移动，与固定在座椅上的侧壁障发生碰撞。此类型的试验台其实更适合于模拟二次碰撞对乘员的伤害，对于侧面碰撞而言车门、B柱等发生侧向变形和位移直接与乘员接触造成乘员的伤害，因而它不能很好地模拟侧面碰撞中车门与乘员之间相互作用以及能量的转移，对于研究车门内饰和缓冲材料还比较合适。[4] 第二类试验台，即两个台车的试验台，其中L.M.Morrie.Shaw设计的试验台能够较好的重现侧面碰撞，基本原理是一运动的撞击滑车撞向一静止的目标滑车，座椅及假人固定在目标滑车上，连接侧门与目标滑车的吸能器用来模拟侧面碰撞中能量的转移；另一种Douglas .Stein[5]设计的试验台能比较准确的模拟真实碰撞中车门、座椅与假人之间的位置关系(这对于研究侧撞气囊的安装和打开至关重要)。第二类试验台能很好的模拟了真实的侧撞情形，对于研究侧面碰撞乘员约束系统配置尤其是侧撞气囊的安装有重要的指导意义。 (二)侧面碰撞虚拟试验技术的研究 随着计算机技术和计算方法的飞速发展，计算机模拟在汽车碰撞安全性的研究中得到广泛应用。显式有限元方法的成熟标志着汽车碰撞安全性研究进入了试验和理论研究并重的阶段。由于有限元技术本身的特点，它能够很好地处理异常复杂的结构和边界条件，而且其适用面广、精度高，因此，该方法一出现就显示其强大的生命力。各种用于碰撞仿真分析的商用软件如LS-DYNA,PAM-CRASH,MSC/DYTRAN, NASTRAN, RADIOSS, MADYMO等相继问世[6]，这些软件不仅可以在汽车碰撞的有限元仿真中处理结构的大变形问题，而且对碰撞过程中乘员的仿真分析也有相应的处理方法。 国外从事侧面碰撞计算机模拟研究的工作重点放在了各种数值模型的建立以及乘员响应的研究方面。David J. Segal等人采用集中质量模型与CAL-3D软件建立了15个刚体的多体模型，研究了侧碰中不同类型的缓冲材料对身材不同尺寸乘员的伤害程度，认为缓冲材料对乘员损伤的影响较大，而且对于小身材乘员的影响更大。 (三)侧面碰撞中乘员响应及伤害指标的研究 乘员响应的研究主要集中在头部、颈部、胸部、腹部及骨盆等在侧碰中最易受伤的人体部位，这些是进行乘员保护研究的基础，以对于乘员约束系统如侧撞气囊的研究，车体侧围结构的设计如车门刚度、内饰板材料特性、座椅尺寸及形状等都有指导意义。[7] 在研究乘员损伤的各种评价指标方面，美国韦恩州立大学的J.Cavanaugh等人做了大量工作，他们在一系列人体死尸试验基础上研究乘员损伤机理及承受极限，并运用工程软件MADYMO及PAM-CRASH建立相应数值模型，进行评价指标的研究，以探讨侧碰中乘员的保护。 1.3计算机仿真技术在侧面碰撞中的国内外应用状况 近几十年来，计算机仿真碰撞技术迅速发展，在安全性车身的开发、乘员保护措施的优化、人体生物力学、碰撞用假人的开发等领域中发挥了重大作用。尽管计算机模拟试验还不能完全取代昂贵的实车碰撞试验，但是在产品的概念设计阶段、样车的试制、试验次数的减少、开发费用及周期的降低等方面有明显的优势，而且可重复性强、结果信息全面。同时计算机模拟研究的适用面广、精度高，可以处理很多异常复杂的结构变形等问题，还可以设定模型的边界条件和其它特定条件等，因此显示出强大的生命力。 随着牛顿矢量力学、拉格朗日分析力学、多刚(柔)体系统动力学、生物力学、碰撞理论、材料理论、有限元理论、数值方法以及计算机技术水平的不断提高，汽车碰撞计算机模拟理论和方法得到了不断发展和完善，涌现出各种用于碰撞仿真分析的商用软件，如MADYMO、LS-DYNA、PAM-CRASH、MSC/DYTRAN等，其中采用多刚体系统动力学理论建模的软件可以模拟碰撞事故中乘员与环境的相互作用，能很好地再现事故过程，而采用显式有限元理论建模的软件可以用来描述车身结构的抗撞性，处理很多异常复杂的结构大变形问题。这些软件的模拟结果能与实车碰撞结果大致吻合，尤其是对于车身结构的改进，可以使用这些软件和算法在短时间内对多种作出比较，得到满意的改进方案。 国内外相关研究表明，对汽车碰撞过程进行计算机模拟，不仅能较准确的预测碰撞过程中乘员的响应与伤害程度，同时还能预测汽车结构本身的耐碰撞性能，评价汽车耐撞结构的好坏，并进行相应的改进，从而可以经济快速的评价多种设计方案，淘汰不合理的设计，使技术人员在车辆开发早期进程就能有效预测其被动安全性能，加快新车型开发速度。同时还可以省去不必要的试错过程，将碰撞试验的费用减少到最低。 1.3.1国外状况 国外对整车碰撞的计算机模拟研究始于上世纪六十年代，但一直受限于计算机硬件技术和算法理论的发展，真正的突破始于1986年LS-DYNA首次成功地模拟了整车大变形，从此之后，基于动态显式非线性有限元技术的计算机仿真方法在国外开始得到广泛使用。 在有关侧面碰撞的计算机模拟研究中，国外从事汽车安全研究的技术人员已做了大量的工作，其工作重点放在汽车结构本身的耐碰撞性能研究和乘员的响应研究方面。Seyer等人[8]通过研究不同的MDB与汽车的侧面碰撞，以及汽车与汽车之间的侧面碰撞，得出了以下几个结论：①汽车或者MDB的刚度大小决定了碰撞载荷的起始时刻；②刚度越大，载荷作用在汽车和假人身上的时刻越早。 Mangala M.Jayasuriya应用计算机仿真技术，立足于移动变形壁障(MDB)与汽车碰撞时刻之间的相互作用力，研究了IIHS MDB，EuroNCAP MDB,LINCAP MDB对2车门轿车侧面性能的影响，得出下面的结论：LINCAP MDB产生的相互作用力是最大的，并且汽车车身后部侵入量最大； IIHS MDB对车门腰部的侵入量最大。[9] 乘员响应的研究主要涉及头部、颈部、胸部、腹部及骨盆等部位损伤机理的研究。因为这些部位不仅是人体最重要的部位，也是碰撞中容易受损伤的部位。这些研究是进行乘员保护研究的基础，对车辆的设计参数(如车门的刚度、内饰板的材料特性、座椅的形状与尺寸等)、乘员约束系统(如侧碰气囊)等的研究都有指导作用。 David J .Sega111[10]采用集中质量模型和CAL-3D软件所建的包括15个刚体，并由14个铰链联接的多刚体模型，研究了在侧碰中不同类型的缓冲材料与各种不同尺寸的乘员间搭配的损伤程度，其认为:缓冲材料对乘员损伤的影响较大，且对小尺寸乘员比对大尺寸乘员的影响程度更大。 美国韦恩州立大学的J.Cavanaugh等人基于一系列人体死尸试验的基础上，进行了大量的研究工作[11. 12. 13. 14. 15. 16]。内容涉及缓冲材料的性能对乘员的保护作用;侧面碰撞下乘员损伤的各种评价指标的研究；利用工程软件如MADYMO及PAM-CRASH建立相应的数值模型，并进行相关的参数研究，以探讨侧面碰撞时乘员的保护。 T Zeguer[17]运用有限元软件LS-DYNA进行了侧碰气囊的开发，此种方法已被JAGUAR汽车公司用于实际的侧面气囊的研发中。侧面碰撞下，对缓冲材料的研究也是工作的重点之一。Michael W .Monk[18]等人对用于侧面碰撞的缓冲材料的一般特性进行了研究，从减小乘员损伤这个角度定性地分析了材料所须具备的特性。Hung-Hsu Chen[19]等人利用集中质量法建立了材料与乘员脚部的集中质量模型，并用此模型初步探讨了材料的特性对胸部损伤的影响。 还有一部分工作放在对人体替代物的研究之上。目前，在试验中被广泛采用的是EuroSID、 BioSID、 USSIDDG三种侧碰假人。Adrian Khan[20]用有限元软件RADIOSS建立了BioSID侧碰假人的完整的有限元模型，描述了建立此种模型的步骤及建模过程中应该注意的一些问题。Chinmoy Pal[21]等人也运用RADIOSS软件建立了EuroSID侧碰假人的有限元模型，主要介绍了假人各个部位的标定即确定其形状、材料等特征的过程。Emmanuel Lizee等人[22]收集了大量第50百分位成年男性的身体数据，并在一些试验数据的基础上，建立了相应的人体有限元数值模型。 1.3.2国内状况 我国已经开展了侧面碰撞的计算机仿真研究。国内现已出现了关于侧面碰撞计算机仿真的文献。 侯飞等人[23][24]研究了3种侧门防撞杆结构对某车型的FMVSS214性能的影响,并提出了相应的侧门防撞杆优化设计方案。吴毅等人针对国内某SUV车型，同样对侧门防撞杆进行了优化[25]。 游国忠等[26]人模拟分析了车门结构的侧面抗撞性能，得出结论：车门防撞杆截面形状和材料特性将会对车门结构产生刚度的影响；车门内增设吸能泡沫能够吸收侧面撞击时很大的能量；车门内饰件材料和形状直接影响侧面碰撞中能量的吸收，材料的弹性模量越大，吸能效果越好。在文献[27]中，作者对B柱进行了结构的优化，其提出了B柱的有限元模型边界约束条件的确定必须以整车仿真数据为基础;优化中正确地设定对B柱有较大影响的边界条件是非常重要的环节。 陈晓东等按照ECER95法规对移动变形壁障性能的要求及验证试验的方法,建立了移动变形壁障的有限元模型，并对移动变形壁障模型的可靠性进行了验证，并且按照ECER95,对某国产轿车进行了汽车侧面碰撞计算机模拟仿真，得到了与试验结果基本一致的仿真结果[28][29]。 李发宗等人[30]分析汽车侧面碰撞仿真过程参数设置对计算结果的影响，简单的介绍了Belytschko-Tsay(BT)单元与S/R co-rotational Hughes-Liu(S/R HL)单元两者之间的差别，BＴ单元的计算效率高，但是其不能有效的控制　沙漏变形以及单元的过度翘曲；S/R HL单元计算速度比BT单元慢8.84，但是该单元能够较好的控制沙漏变形以及翘曲情况。在沙漏方面，提出了采用粘性沙漏控制方法。关于这两个方面，作者仅从理论上作了分析和对比，并没有通过实际的分析来验证。 高卫民、王宏雁，徐敦舸等对于车身焊点提出了碰撞模拟中常用的模拟方法，提出在碰撞模拟中必须考虑焊点断裂特性，否则将大大降低碰撞模拟的精度[31]。薛量等人探讨了各种连接方式的不同约束条件和失效准则。分析了连接失效对载荷――位移曲线和碰撞吸能特性的影响，结果表明焊点的强度对薄壁梁结构的折曲模式有很大的影响，其吸能性能随焊点的失效而降低[32]。 张君媛、张敏等人针对某轿车建立了基于多刚体理论的侧面碰撞乘员约束系统动态仿真模型，并依据试验结果进行了模型的有效性验证。通过对乘员侧面碰撞伤害指标的分析，提出了包含乘员多输出目标值的综合伤害评估值。 向晋乾等人以汽车侧面碰撞下的乘员骨盆响应为研究对象，以多刚体系统动力学为基础，建立了用于模拟侧面碰撞的多体数值仿真模型，分析侧面碰撞时缓冲材料特性参数和乘员与车门侧面碰撞参数对乘员骨盆响应的影响 [33]。 综上所述，在侧面碰撞分析研究方面前人已作了大量的研究工作，为后人铺平了道路，但是：（1）侧面碰撞计算机仿真的基础性研究的工作还是不够，在关键参数设定，如单元类型和密度、沙漏控制等方面很少有可借鉴的资源；（2）移动变形壁障是侧面碰撞仿真中不可缺少的工具模型，国内现在对关于它的开发和参数验证的文献很少，还没有形成一套行之有效的处理方法或处理原则；（3）对Euro-SID II 假人的验证和修改的文献很少，特别是关于全方位的改进假人的文献。本针对其中的一些问题，对侧面碰撞计算机仿真技术在汽车的安全性方面的应用做更进一步的研究，为计算机仿真技术在我国安全性设计方面的更好的应用做出努力。 1.4本课题研究背景和研究内容 汽车安全性的研究成为汽车领域一项主要的研究内容.实车的碰撞试验，需要耗费大量的资金、人力、物力，数据采集困难、破坏性大，因此，汽车碰撞的研究也就受到了很大的限制。在这种情况下就应运而生了用计算机模拟的研究方法，其优点在于:不必等新产品制造出来，在其初期的设计阶段就可以对产品的安全性做出初步的评价，可尽早的发现问题和解决问题，因此极大的降低了开发的费用和缩短了开发的周期；采用模拟计算方法可根据实车结构作多方案修改，存储信息量大，而且还可将汽车沿任意断面剖开，观察关键零件的变形情况。 LS-DYNA3D是一个以显式为主，隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序，可以求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性问题。用这个软件包LS-DYNA建立的壳单元、实体单元可以构造出完整的汽车模型，也可以选用金属、玻璃、塑料、橡胶等各种材料来构造汽车模型。程序的Automatic-Single-Surface接触功能可以保证汽车全部构件内外表面与假人、气囊、安全带之间，以及外部障碍物表面相互接触时不穿透，可以相对滑动，考虑摩擦，实现汽车高速碰撞时全过程的数值模拟和有关数据的输出。该软件包的众多优点为本课题的顺利完成提供了十分有利的条件。 本课题的主要目的是对微型轿车侧面碰撞计算仿真应用技术进行研究，深入其中的一个环节或细节，力求掌握其中关键技术，得到微型轿车侧面碰撞的计算机仿真的结果，并对仿真结果进行客观评价分析。研究的内容归纳为以下几个方面： ① 对汽车侧面碰撞计算机仿真相关理论进行深入、系统的学习，深入领会其中具有代表意义的非线性动态有限元法、有限单元类型、单元算法等理论。 ② 对微型轿车侧面碰撞计算的有效性进行基础性研究，重点探讨单元类型、单元尺寸以及积分点的选取，分析不同沙漏控制对计算精度的影响关系。 ③ 按照法规对移动变形壁障性能的要求建立了移动变形避障模型。 ④建立了某微型轿车的整车模型，对汽车侧面碰撞虚拟试验中仿真过程参数进行设置与控制，最后对汽车侧面碰撞进行计算机仿真。分析了仿真的结果，并对仿真结果作出了客观的评价。