汽车撞击护栏时乘员的安全性研究（可编辑）

汽车撞击护栏时乘员的安全性研究（可编辑） 汽车撞击护栏时乘员的安全性研究 振动与冲击 OFVIBRATIONANDSHOCK Vol25No22006 第25卷第2期 JOURNAL 汽车撞击护栏时乘员的安全性研究4 雷正保杨兆 长沙理工大学汽车与机械工程学院，长沙410076 摘要应用LS―DYNA软件，通过建立完整的三维“汽车一道路一护栏一乘员一座椅一安全带”模型，研究了汽 车撞击护栏时车内乘员的安全性，得出如下重要结论:?采用完整的三 维“汽车一道路一护栏一乘员一座椅一安全带”模 型，能够模拟碰撞中乘员的运动与受力状态，对提高护栏的安全性设计水平有更直观的效果，对护栏评价的进一步发 展也有重要意义(在VPG技术日益完善的今天，开展这种完整的系统研究不仅十分必要，而且切实可行;?安全带对乘员 的约束大大提高了碰撞过程中乘员的安全性。分析结果明:未系安全带的假人，不仅头部的HIC值已接近人体的耐冲 击阈值，假人胸部的合成减速度峰值也偏高，且假人飞离座椅再撞击乘座室内部物体的可能性也很大，因此，一旦发生交 通事故，即使是大型车辆，车内乘员的安全也将遭受严峻的考验。事实上，安全带在小型乘用车上的成功应用，大大提高 了碰撞过程中乘员的安全水平，因此，在安全带日益得到推广应用的今天，在高速公路及高等级公路飞速发展的今天，是 考虑大型车辆配置安全带的时候了。?在汽车撞击标准混凝土护栏的过程中，在汽车车体与混凝土护栏发生接触前即发 生侧翻，亦即混凝土护栏的高度对预防汽车的侧翻基本不起作用，那种在山区公路及危险路段普遍采用标准混凝土护栏 的做法并不科学，即使增加了混凝土护栏的高度也是如此;?在汽车一护栏碰撞系统CAE分析中，如果需要捕捉到车辆 侧舒事故发生的可能性，则仿真的碰撞时间不宜太短，至少要超过950ms。 关键词:交通运输;安全;汽车;护栏;碰撞 中图分类号:U467(14 文献标识码:A 的，以重型、大型车辆为主体的公路运输体系已经基 0引言 本形成，彻底改变了20世纪80年中型货车“一统天 随着国民经济的持续快速健康发展，我国营运车 下”;90年代客车与中型货车“平分秋色”的格局。可 辆的构成情况也发生了翻天覆地的变化”1。据统计， 以说，我国的营运车辆目前已基本形成了轿车、大中 80年代的比例为:中型货车59(1,，小型车19,，重型客车和重型货车“三足鼎立”的新局面。 型车7,，拖挂车和其它14(9,，即中型载货车为营 就交通事故而言，沈大高速公路的调查资料表明， 运车辆的主体。随着轿车的大量涌人家庭，轿车占营 重型车辆是肇事车辆的主体，占事故总数的52,，其次 运车辆总量的比例已上升到32,，且仍呈持续上升趋 是小型车 主要是轿车 ，占27,。这两类车所造成的 势。同时，随着西部大开发的不断推进，基础设施建 事故约占总事故的80,。 设的投资力度日益加大，在公路货运量急增的同时， 而 令人遗憾的是，长期以来，人们并未对重型车辆 超载问题又得到了强力整治，因此，我国的重型载货 乘员的安全性引起足够的重视，甚至连一些基本的安 汽车市场自1999年启动以来，连年高速增长:2001全设施如安全带等的配置问题也还未提上议事日程。 而受以往技术水平的制约，对重型车辆撞击护拦这一 年产重型载货汽车15(71万辆，销售14(70万辆，同 最常见碰撞事故的研究，也长期停留在试验研究阶段， 比增长91(67,和77(37,;2002年产重型载货汽车 相应地，对汽车撞击护拦时乘员的安全性评价也仅局 25(28万辆，销售24(54万辆，同比增长60(92,和 66(94,;2003年后，则保持60,以上的增长速度，且限于汽车的减速度值。 明显向大吨位方向发展，且这种发展态势还将持续相 可见，在汽车碰撞安全技术飞速发展、特别是动态 当长的一个时期。而中型载货汽车自1993年创下年显式有限元法”’3’4113益完善的今天，深入开展重型汽 产33(47万辆的后，呈明显负增长趋势，产量连车撞击护栏时乘员的安全性研究，无论是对护拦设计 技术及护拦耐撞性评价标准的发展、对交通运输产业 年下滑，2000年降到15(17万辆，比1999年减少 的可持续发展，还是对重型汽车本身安全水平的提高， 16(82,。载货汽车占汽车总量的比例由1990年的 71,下降到目前的34,且以重型货车为主，再考虑都有重要的现实意义。为此，本文将利用Ls―DYNA 到大中型客车产量持续不断增长的事实，一个暂新 来研究重型汽车撞击护栏时乘员的安全性问题。 +基金项目:湖南省交通科技计划项目，批文号:湘交科教字[2004]299号，编号:200409 收稿日期:2005―01―28 第一作者雷正保男，博士，教授，1964年12月生 万方数据 6 振动与冲击 2006年第25卷 假人定位后，假人身上的各个部分还可以绕各自 1建模方法及其可靠性验证 的回转轴线转动，以调整假人的坐姿，本文采用VPG中 1(1仿真模型的建模方法 缺省的假人坐姿。 建模在VPG”’中进行，为缩小模型规模，采用如下 存在一定程度的问题，主要为假人材料特性与PART定 准则:壳单元的最小尺寸为10ram，单元翘曲角?15。， 义之间的矛盾、一些泡沫类软材料存在的负体积等问题。 单元内角?25。，白车身单元尺寸在25mm,50mm之 间。所有薄壁构件均采用法向方向3点积分的Be― 在处理了这些问题后，LSTC假人就能够参与计算了。 o，发动机、变速器、后桥 安全带用厚度为1(2mm、法向方向1点积分 薄膜 lytschko―Tsay壳单元建模”’4 等刚硬部件则作刚体处理，传动轴与后桥采用Be( resultant 用VPG的缺省值，安全带与假人间的接触用接触参数 1ytschko―Schwerbeam resultant 梁单元模 soft 1的软接触方法处理，安全带与假人间的摩擦系 拟，并用Resultantplasticity材料模型，梁单元的最小长 度为20ram。轮胎、悬架等VPG中已有的标准件则采 用缺省设置，即悬挂中的衬套用6个零长度的离散弹 SURFACEjo―SURFACE， 簧 3个拉压弹簧、3个扭转弹簧 表示，其刚度及阻尼 为了正确模拟车辆与地面、假人与座椅之间的接触 挣陛可以为线性或非线性;悬挂弹簧用线弹性离散弹 簧元表示;筒式减振器用非线性粘滞离散阻尼单元表 车辆的总重通过调整材料质量密度来控制。本文 示，用刚性梁单元分别表示筒体与活塞杆，筒体与活塞 采用的材料特性如下:?除特别说明外均用+MAT― 杆之间用cylindricaljoint约束进行联接，由于cylindfi- cal joint联接采用了基于罚函数的计算公式，求解时在 联接处将包含一些明显的“噪声”振荡，为减少这种振 27 Goa;?车门、发动机 荡效应，在联接处采用了20,的阻尼系数。轮胎生成 76GOa、泊松比0(3、屈服应力0(138 后马上移到指定的前后桥转向节处以便VPG自动用 revolute 屈服应力0(35 joint联接将轮胎联接到转向节上，轮胎的静态 径向刚度可通过调整轮胎的材料特性，尤其是调整其 侧壁 sidewall 材料的弹性模量来改变;VPG中缺省的 轮胎横向刚度为其径向刚度的36,40,，处于比较合 适的范围，一般不需调整;轮胎的吸能特性通常可由自 ?其他材料如轮胎等则采用VPG自带参数。全部材料 由跌落试验测定，并可通过橡皮材料特性的调整来使 的塑性应力应变关系祥见文献[1]。 之满足要求;轮胎的内胎用$airbag―simple―airbag― model来模拟，采用“压力×体积 常数”的方法来更新 内胎的体积与压力。 轮胎分别用t 假人采用LSTC的50百分位刚体假人。LSTC的50 百分位刚体假人的模型情况为:98个PARTS，6439个节 点，3963个单元，38个局部坐标系，190种材料，190种截 面特性，3个接触面，3个梁单元，1196个四边形单元，212 1(2建模方法的可靠性验证 个三角形单元，2288个六面体单元，168个五面体单元、 尽管仿真软件LS―DYNA的 可靠性已为许多工程 17个弹簧单元，32个质量单元，47个JOINT单元。假人 自重108kg。图1为假人的几个视图。 算例验证uo一’“，但在汽车撞击半刚性护拦这类复杂问 题中的应用则受建模难度的制约至今仍不多见，为验 证上述方法的正确性，不妨以文献[8]所给的汽车撞击 半刚性护拦这种最复杂的碰撞实验为验证对象，试验 栏纵向平面成20。的角度撞击半刚性护栏。护栏尺寸 参数采用文献[1]中的最优参数，护栏跨度为9跨，即 lO个立柱、10个防阻块、9节三波型钢护栏梁板，粱板、 图1 LSTC的50百分位刚体假人的模型 防阻块、立柱之间的联接采用螺栓联接，并用点焊模 万方数据 第2期 雷正保等:汽车撞击护栏时乘员的安全性研究 “个质量单元，12个JOINT单元，参见图2。 图2建模方法的验证模型 拟，点焊的法向失效拉力，。 70KN，剪切屈服力兀 45KN。应用上述的建模方法，可得汽车撞击三波护栏CAE结果见图6。护栏对失控车辆的引导能力很强，当 的CAE模型共计:69199个节点，66389个单元，8个接 触面，49个梁单元，124个点焊，65000个四边形单元，7 且无拌阻现象发 生。可见，本文的建模方法是可 693个三角形单元，437个六面体单元，4个弹簧单元靠的。 25。-vcos25。 ,角 ^，1 冉忒 V (。 |。 。| ‖，?芦 |,^ i Ixsin25‘ y、 一 ――叶文 l ? 0 200400600 800 时间fmsl 图3实验照片 图4护栏的最大横向位移 图5车辆的剐体合成加速度 图6护栏的变形情况图 图7失控车辆返回正确行驶方向 形壳单元，有7224个节点。 2重型货车撞击混凝土护栏的仿真分析A 这样，包括护栏在内，整个碰撞系统的建模结果 2(1 乘员不佩带安全带的仿真模型 某大型货车:总长8575mm、总宽2445mm、总高 3278mm、总重13t、重心高1278(9mm。汽车以60km,h 的速度、行驶方向与护栏纵向平面成15。的角度撞击标 弹簧单元，32个质量单元，47个JOINT单元。 准混凝土护栏，混凝土护栏长度取为30m。 由于目前的大型货车的乘员一般不佩带安全带， 护栏用刚体材料模型、用厚度为1mm、法向方向2因此，本算例中没有设置安全带，以便分析在没有安全 带约束的情况下，乘员的碰撞安全性。图8为建立的碰 点积分的Belytschko―Tsay壳单元模拟，护栏上与车辆 接触的面采用较密的网格，护栏共划分为7200个四边 撞系统模型的几个图。 a 整体效果 b 未配置安全带的假人 c 车辆底盘 ‘ 图8碰撞系统的几个图 2(2仿真结果分析 可见，汽车的变形很小，车门也没有变形，乘座室完整， 2(2(1 乘员风险指标 乘员没有被外部侵入物伤害的可能。 图9给出了碰撞过程中几个时刻汽车的变形图， 但由于乘员没有安全带的约束，碰撞过程中，乘员 万方数据 8 振动与冲击 2006年第25卷 很快就脱离了座椅，呈现出明显的运动势头 参见图 10 。假人头部和胸部的合成速度曲线虽存在差异但 耐冲击阈值1000;而 假人胸部的合成加速度表明，假人 差异不大 图11 ，说明假人头部与胸部间的相对运动胸部的减速度峰值也 偏高。可见，当没有佩带安全带 较小。 时，一旦发生交通事故，车 内乘员的生命安全将遭受严 再看看假人头部和胸部的合成加速度曲线 图 峻的考 验! t 600ms t 800ms t 1000ms t 1200ms 图9车辆变形情况 t 200mst 400mst 600ms t 800ms t 1000mst 1200ms a 假人运动情况视图一 600ms t 800ms t 1200ms b 假人运动情况视图二 图10假人运动情况 卜朱 , ―― 莲三 、 zA „L„L„L-'rg, b „。。。。一1’„r。 啊一 a 节点位置 b 节点202507的速度 C 节点205574的速度 图11假人头部、胸部合成速度曲线 2(22车辆轨迹 从图13可知，标准混凝土护 栏具有良好的导向能 本回正到正常行驶轨道。但车辆重心较高，当车辆前 轮经历爬上混凝土护栏的坡度后再从混凝土护栏坡道 处滑下的过程中，车辆的后轮也在不断调整其行驶方 触，由于后轮承受的负载远大于前轮，致使后轮不能像 a 头部合成加速度 b 胸部合成加速度 前轮那样能够爬上护栏上的坡度，在惯性力的作用下， 图12假人加速度曲线 万方数据 第2期 雷正保等:汽车撞击护栏时乘员的安全性研 究 9 在t 500ms左右，车辆尾部呈现出以后轮与护栏的接 的车辆，其安全防护性能却并不能令人满意，因此， 触点为支点的向护栏外侧倾翻的明显势头，随着车辆 一旦重型车辆失去控制，混凝土护栏不仅会因其本 行驶方向的继续调整，到t 1200ms时，车辆尾部的倾身不能变形、不能吸收车辆的冲击动能而直接导致 翻角度已经达到了240。 乘员遭受剧烈冲击，而且还会在车辆转向过程中，在 可见，尽管标准混凝土护栏对中小吨位的车辆 离心力的作用下，形成以后轮为倾翻支点的外翻 具有很好的安全防护能力，但对于整备质量达13t 运动。 lOOms t 200rest 400ms , 600108 t 800mst Ooomsl 1200ms b 前轮爬坡过程 t 100ins t 200ins t 600mst 800mst 1000mst 1200ms b 前轮爬坡过程 图13车辆运动情况 与第3节不同的是，由于车内乘员有了三点式安 3重型货车撞击混凝土护栏的仿真分析B 全带的约束，碰撞过程中，乘员的运动空间受到了较好 3(1 乘员配置三点式安全带的仿真模型 的限制 图14 ，乘员与车内物体发生二次碰撞的可能 除了假人要配置三点式安全带外，本算例与第3 性明显减少，相应地，乘员的安全性得到明显提高。图 节所用模型完全相同。此时，整个碰撞系统的建模结 15 表明，在安全带的约束下，假人头部与胸部的相对运 果为:40038个节点，34675个单元，17个接触面，210动更明显 对比图11 ，符合实际情况。 个梁单元，521个点焊，27727个四边形单元，1870个三从假人头部及胸部的合成加速度曲线 图16 ，可 角形单元，3994个六面体单元，172个五面体单元、17 个弹簧单元，35个质量单元，47个JOINT单元，38个安部的耐冲击阈值1000;假人胸部的减速度峰值仍然偏 全带单元。 高，但比未系安全带时 参见图12 的冲击明显减少 3(2仿真结果分析 约减少50, 。可见，当失控车辆撞击标准混凝土护 3(2(1乘员风险指标 栏时，佩带安全带后， 假人头部的损伤指标得到了有效 与第3节的结果一样，汽车的变形很小，车门也没 控制，假人胸部的 合成减速度也明显减少，表明安全带 有变形，乘座室完整，乘员没有被外部侵入物伤害的 对提 高大型车辆碰撞过程中乘员的安全性水平具有非 可能。 常明显的效果。 200ms t 6001'r18 ? 800ms t 1000mst 1200ms 图14安全带对假人的约束 万方数据 10 振动与冲击 2006年第25卷 -一、^ 、 (^ 0( J、一 ―_ ? ,N 、 ‘ ’’ 、，、( 、 ， ’? 飞 L上 ’ ―V?r'’ V ? O 200 400 600 80010001200 0 600 8001000 200400 1200 时问 ms 时闻 is a 节点202507的合成速度 b 节点205574的合成速度 图15假人头部、胸部的速度合成曲线 (I( I I 11( I艘眦 lI i kId 埘颤I且蛐四辄洲 f ”i”f f ”IlJi『" f 蒌0(4筮J烛(i九盛挫趟 (紫 『1r可f 0 200 400 600 80010001200 时间 ms a 节点202507的合成减速度 b 节点205574的合成减速度 图16假人头部、胸部的合成减速度曲线 3(2(2车辆轨迹 配置安全带后对失控车辆的运动轨迹基本没有 影响。 位移 肌 事故在所难免。需要特别提出的是，汽车撞击标准混 凝土护栏的过程中，汽车与护 栏之间的接触仅表现在 3? 汽车前轮在混凝土护栏坡面的爬行，汽车车体与混凝 200 土护栏之间并不存在接触，即混凝土护栏的高度对预 100 防汽车的侧翻基本不起作用，只有当侧翻已经发生后， 汽车车体撞击到混凝土护栏上时，混凝土护栏的高度 0 才对车辆的继续翻滚有抑制作用，可见，标准混凝土护 一100 0 200400600 8001000120 栏并非防御大型失控车辆的理 想护栏，那种在山区公 时问 ms 路及危险路段普遍采用混凝土护栏的做法并不科学， 图17车辆重心升高情况 发展新的山区公路及危险路段公路护栏不仅意义重大 而且迫在眉睫1 车辆运动轨迹表明，标准混凝土护栏对重型车辆 4结论与建议 具有很好的导向能力，但与第3节情况一样，在车辆转 向过程中，在离心力的作用下，也形成以后轮为倾翻支 汽车撞击半刚性护栏的仿真分析与试验结果的对 点的外翻运动。即标准混凝土护栏容易导致大型失控 比表 明，仿真结果与试验结果相当吻合，但试验结果只 车辆翻车!图17为车辆运动过程中，重心位置在垂直 能提供非常有限的数据，而仿真结果却包含许多试验 方向的升高量。从图中可以看出，在t 200ms之前，在无法获得的结果，如护栏横向变形的时间历程等，同 自重作用下，车辆在与地面接触后再压缩轮胎，车辆重 时，仿真分析还能方便地调整各种试验参数，实现低成 心下降，t 200ms之后，车辆重心略有升高 车辆前轮 本的多次重复分析，有利于护栏结构参数的优化，而采 万方数据 第2期 雷正保等:汽车撞击护栏时乘员的安全性研究 用完整的三维“汽车一道路一护栏一乘员一座椅一安 前轮在混凝土护栏坡面的爬行，汽车车体与混凝土护 全带”模型，则能够可靠地模拟碰撞中乘员的运动与受 栏之间并不存在接触，即混凝土护栏的高度对预防汽 力状态，对提高护栏的安全性设计水平有更直观的效 车的侧翻基本不起作用，只有当侧翻已经发生后，汽车 果，对护栏评价标准的进一步发展也有重要意义。 车体撞击到混凝土护栏上时，混凝土护栏的高度才对 汽车撞击标准混凝土护栏的仿真结果表明，未系 已经发生翻车的车辆的继续翻滚有抑制作用，可见，混 安全带的假人，不仅头部的HIC值已接近人体的耐冲 凝土护栏并非防御大型失控车辆的理想护栏，那种在 击阂值水平，假人胸部的合成减速度峰值也偏高，而且 山区公路及危险路段普遍采用混凝土护栏的做法并不 假人飞离座椅再撞击乘座室内部物体的可能性也非常 科学，即使增加了混凝土护栏的高度也是如此! 大，总之，一旦发生交通事故，即使是大型车辆，如果不 参考文献 佩带安全带，乘员的安全也将遭受严峻的考验。 l雷正保，谢玉洪，李海侠著大变形结构的耐撞性，长沙国防 而如果配置了安全带，碰撞中，不仅假人头部的 科技大学出版社，2005 HIC值将远低于人体的耐冲击阈值，而且假人胸部的 2雷正保，钟志华等受冲薄壁结构动力效应的显式有限元分 减速度峰值也将降低50,左右。 析，力学学撮，2000，32 1 :70―77 3 theoretical soft― John manual，Livermore 事实上，安全带在小型乘用车上的成功应用，大大 O(Hallquist，IS―DYNA ware 1998 technologycorporation， May 提高了碰撞过程中乘员的安全水平，因此，在安全带日 4Livemloresoftware technologycorporation，LS―DYNAKeyword 益得到推广应用的今天，在高速公路及高等级公路飞 user's 2003 manual，Version 970，April 速发展的今天，是考虑大型车辆配置安全带的时候了。 5 Associates(Inc Tu― ETA―EngineeringTechnology VPG,Safety GuidanceforVehicle and 仿真结果进一步表明，大型车辆撞击标准混凝土 torial:Process hnpactSafetyAnalysis Modal 2004 护栏时存在易翻车的问题，具体表现在车辆重心位置 Creation，eta,VPG3(0，April 6雷正保著(汽车纵向碰撞控制 结构设计的理论与方法(长沙: 的升高上。算例表明，到t 500ms左右时，车辆重心开 湖南大学出版社，2001 始急剧升高，到t 905ms左右达到极限位置346(6ram 7雷正保编著汽车覆盖件冲压成形CAE技术(长沙:国防科 车辆侧倾角达24。 ，然后开始下降 即开始出现翻车 技大学出版社，2003 事故 ，翻车事故在所难免。由于汽车撞击标准混凝土 8王康臣，张颖，吕洪燕新型中央分隔带波形梁护栏研究， 护栏的过程中，汽车与护栏之间的接触仅表现在汽车 公路，2003 8 上 :40―45 上接第4页】 品，车辆和航天系统的分析和开发;?MCAE 集成的机 inPractice Mechanical Validation 械计算机辅助工程系统Integrated 组 主题Model II，实践中的模型 Computer oft11eMechanieal Aided 校验2 宣读论文 “Identification Joint EngineeringSystem 1972一许多现在和MACE有 关的被广泛应用的计算机软件功能和产品开发方法， ParameterswithModel 都能归功于Lemon博士在70年代和80年代早期在软型不确定性的机械连接 点参数识别，作者:LZhang，Q 件集成和开发上的努力;?CP,PD,PDI 协调的产品Guo 。 和制造过程开发方法和相关的产品数据集成Coneur- 2006年2月2日下午， 东方所的刘进明高级工程 rentProductand Process Parameter ManufacturingDevelopment师在第46组 主题:Modal methodandrelatedProductData Fast DomainGlobalMo― 数估计 宣读论文“A Frequency Integration 1983。 dalParameter 2月1日中午的招待午宴上，来自波音公司，NASA Indentifieation 空间系统的TheodoreJ(Bartkowiez作大会:国际空快递的频域整体模态参数识别算法，作者:刘进明、应 间站在轨试验，执行的挑战。 怀樵、沈松等 。 会议分47个主题进行讨论，共有7个会场。 会议期间召开了例行的大会指导委员会会议，共 2006年1月30Ft下午，东方所的沈松博士在第10有14名委员参加，包括我国南航的张令弥教授。 Identification―Civil 组 主题:Parameter Structures，土木 CreekResort, 国Florida的Orlando市的Rosen 结构的参数识别 宣读论文“PreciseOutput―onlyModal Shingle ParameterIdentificationfromPower Spectrum” 中文题 目:精确的通过功率谱识别仅有输出的模态参数，作 行查询。 者:应杯樵、刘进明、沈松等 。 本刊讯 万方数据