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側面碰撞事故工況的力學解析
2019-11-29 21:45:59· 來源：上汽安全與CAE技術
背景隨著人們安全意識的提升，車輛安全性在消費者購車因素中所占比重越來越大。對于用戶而言，碰撞事故發(fā)生后能有效保護車上人員安全是最直接的需求。而對于工程
背景
隨著人們安全意識的提升，車輛安全性在消費者購車因素中所占比重越來越大。對于用戶而言，碰撞事故發(fā)生后能有效保護車上人員安全是最直接的需求。而對于工程開發(fā)人員，如何將碰撞事故中的用戶安全轉化為車輛開發(fā)中可量化分析的設計指標，在輕量化、低碳化背景下滿足用戶安全需求成為開發(fā)者需要掌握的重要前提。
側面碰撞工況
法規(guī)及NCAP體系為整車開發(fā)提供了很好的思路?；谲囕v事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析事故形態(tài)及乘員傷害水平分布情況，可以將安全事故簡化成幾種典型的碰撞工況，如正面全寬碰撞，正面偏置碰撞，側面可變形壁障碰撞等等?；趲追N典型碰撞工況，開發(fā)人員就可以確定分析對象及進行相應的力學分析，進而提取車輛安全開發(fā)的重要指標，指導整車設計開發(fā)。
圖1展示了典型的側面碰撞工況：
圖1 側面碰撞工況
可變形的蜂窩鋁壁障撞擊被撞車側面，模擬考察在側面碰撞事故中對車內(nèi)乘員的保護。目前主要的NCAP及保險體系相關側面MDB工況可見圖2，碰撞形式基本都是一致的，均為可變形蜂窩鋁壁障以某一速度撞擊試驗車側面。不同的是各國家和地區(qū)使用的壁障類型，壁障撞擊位置，撞擊速度和角度以及車內(nèi)假人類型有明顯差異，這與不同地域的事故類型特點，人體特點是相關聯(lián)的。
圖2 NCAP/保險體系側碰工況（圖片資料來源SafetyCompanion-2019）
機理分析
對于上述所有側面碰撞工況，雖然壁障參數(shù)有所差異，但其受力機理都是一致的，可以將工況統(tǒng)一簡化為如下質量-彈簧模型[1,2]：
圖3 側面碰撞簡化模型[1,2]
質量-彈簧模型在理論設計階段提供了一種簡單高效且相對準確的分析方法，通過分析模型參數(shù)對碰撞過程的影響，幫助開發(fā)者快速確定影響乘員傷害的重要因素。
進一步的，對車內(nèi)乘員、與乘員對應的車門結構以及壁障受力情況繼續(xù)分解，以車門為分析對象，根據(jù)牛頓第二定律可知：
由此可得假人受力為:
圖4 側面受力分析
由公式（2）不難看出，減小壁障撞擊力、降低車門動量（減小車門質量或減小車門侵入速度）、增加車身結構側面強度均可減小假人受到的作用力，即降低假人傷害水平。結合實際工況，不難提取針對工程的結構設計指標：結構侵入速度、結構側面強度或結構侵入量。
此外，從圖4側面受力分析可以看出，假人受力最直接來自于車門內(nèi)飾結構。將車門飾板剛度簡化為等效剛度K，撞擊過程中門飾板侵入量等效為δ，則假人受力可以用公式（3）表示如下：
由此可知，設計合適的門飾板剛度或結構同樣可以減小假人受力，起到保護乘員的效果。側面安全氣囊的作用正是利用這個原理，一方面降低結構與人體的接觸剛度，使作用在人體的作用力較??；另一方面通過這一持續(xù)的分散作用力將人體推開，遠離碰撞區(qū)域，達到保護乘員的效果。
有了上面的理論基礎，在整車開發(fā)流程中就可以明確把車身結構的侵入速度，侵入量以及約束系統(tǒng)配置等作為設計指標，做到有的放矢的開發(fā)設計優(yōu)化。
參考文獻
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.
隨著人們安全意識的提升，車輛安全性在消費者購車因素中所占比重越來越大。對于用戶而言，碰撞事故發(fā)生后能有效保護車上人員安全是最直接的需求。而對于工程開發(fā)人員，如何將碰撞事故中的用戶安全轉化為車輛開發(fā)中可量化分析的設計指標，在輕量化、低碳化背景下滿足用戶安全需求成為開發(fā)者需要掌握的重要前提。
側面碰撞工況
法規(guī)及NCAP體系為整車開發(fā)提供了很好的思路?；谲囕v事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析事故形態(tài)及乘員傷害水平分布情況，可以將安全事故簡化成幾種典型的碰撞工況，如正面全寬碰撞，正面偏置碰撞，側面可變形壁障碰撞等等?；趲追N典型碰撞工況，開發(fā)人員就可以確定分析對象及進行相應的力學分析，進而提取車輛安全開發(fā)的重要指標，指導整車設計開發(fā)。
圖1展示了典型的側面碰撞工況：
圖1 側面碰撞工況
可變形的蜂窩鋁壁障撞擊被撞車側面，模擬考察在側面碰撞事故中對車內(nèi)乘員的保護。目前主要的NCAP及保險體系相關側面MDB工況可見圖2，碰撞形式基本都是一致的，均為可變形蜂窩鋁壁障以某一速度撞擊試驗車側面。不同的是各國家和地區(qū)使用的壁障類型，壁障撞擊位置，撞擊速度和角度以及車內(nèi)假人類型有明顯差異，這與不同地域的事故類型特點，人體特點是相關聯(lián)的。
圖2 NCAP/保險體系側碰工況（圖片資料來源SafetyCompanion-2019）
機理分析
對于上述所有側面碰撞工況，雖然壁障參數(shù)有所差異，但其受力機理都是一致的，可以將工況統(tǒng)一簡化為如下質量-彈簧模型[1,2]：
圖3 側面碰撞簡化模型[1,2]
質量-彈簧模型在理論設計階段提供了一種簡單高效且相對準確的分析方法，通過分析模型參數(shù)對碰撞過程的影響，幫助開發(fā)者快速確定影響乘員傷害的重要因素。
進一步的，對車內(nèi)乘員、與乘員對應的車門結構以及壁障受力情況繼續(xù)分解，以車門為分析對象，根據(jù)牛頓第二定律可知：
由此可得假人受力為:
圖4 側面受力分析
由公式（2）不難看出，減小壁障撞擊力、降低車門動量（減小車門質量或減小車門侵入速度）、增加車身結構側面強度均可減小假人受到的作用力，即降低假人傷害水平。結合實際工況，不難提取針對工程的結構設計指標：結構侵入速度、結構側面強度或結構侵入量。
此外，從圖4側面受力分析可以看出，假人受力最直接來自于車門內(nèi)飾結構。將車門飾板剛度簡化為等效剛度K，撞擊過程中門飾板侵入量等效為δ，則假人受力可以用公式（3）表示如下：
由此可知，設計合適的門飾板剛度或結構同樣可以減小假人受力，起到保護乘員的效果。側面安全氣囊的作用正是利用這個原理，一方面降低結構與人體的接觸剛度，使作用在人體的作用力較??；另一方面通過這一持續(xù)的分散作用力將人體推開，遠離碰撞區(qū)域，達到保護乘員的效果。
有了上面的理論基礎，在整車開發(fā)流程中就可以明確把車身結構的侵入速度，侵入量以及約束系統(tǒng)配置等作為設計指標，做到有的放矢的開發(fā)設計優(yōu)化。
參考文獻
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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