美国SAE年会汽车碰撞安全研究进展.docx

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美国SAE年会汽车碰撞安全研究进展

2006年美国SAE年会汽车碰撞安全研究进展

作者：

周青

一、前言

2006年4月3～6日，SAE2006国际年会于在美国底特律举行。

大会的基本情况及有关动力系统的研究进展在文献[1]中已有介绍。

2006年关于汽车安全技术的议题，包括汽车结构耐碰撞性设计、生物力学、乘员约束系统和行人碰撞保护等，共有27个分会场、353篇论文（表1），涉及该领域里几乎所有的重要方面。

本文仅对人体碰撞保护和乘员约束系统，以及汽车结构耐撞性设计两部分进行评述。

二、人体碰撞保护和乘员约束系统

（一）生物力学

冲击生物力学领域里一个热门的课题是用于碰撞分析的人体有限元模型的开发[2-4]。

因为人体材料试验数据非常有限，如何确定人体模型中的材料属性也是对人体模型开发中的一个巨大挑战。

用逆向工程方法来确定材料属性的基本思路是利用有限元优化分析。

起点是模拟一个实际的人体结构冲击试验（如图1所示的腿骨3点冲击弯曲[2]）或软组织材料冲击试验[3]，材料模型要事先确定，然后通过有限元来优化试验和模拟的误差，并在此过程中确定材料的参数值。

对新型碰撞假人的评估和比较，总是SAE生物力学会场中的一个重要讨论课题[5-8]。

THOR碰撞假人是美国联邦政府高速公路安全管理局（NHT2SA）从20世纪90年代初开始研制的下一代碰撞假人，旨在将过去30多年的生物力学进展融合进去。

1999～2003年开发了THOR的第一代有限元模型[9-10]，NHTSA根据第一代THOR的评估及相应的有限元模型分析又推出了第二代THOR2NT。

在2006年的SAE年会上，Onda等人的论文[5]详细分析了两代THOR假人的结构和响应之间的区别，这篇论文对研发和应用碰撞假人的科研人员很有参考价值。

Kang等人通过假人与安全气囊展开过程的碰撞试验，比较了THOR和HybridⅢ假人对气囊近距离点爆并展开的反应，得出的结论是：

由于两个假人的头颈部结构的差异很大，它们对气囊近距离展开（代表离位乘员）的响应过程非常不同。

在近距离展开时，气囊陷在假人下颚和颈部之间的风险，在THOR假人上比在HybridⅢ上低[6]。

这一系列关于THOR假人的评估工作也表明：

真正推出一个新型碰撞假人要经过许多年的开发和修正。

目前，世界汽车安全领域仍然作为法规标准使用的HybridⅢ假人是通用汽车公司在20世纪60～70年代开发的，迄今已经使用了近30年。

文献[7]比较了在低速尾撞工况下，志愿者和RID2尾撞假人颈部的动态响应和颈部伤害标准（neckinjurycriterion，NIC）值，结论是RID2的生物仿真性比较好。

有些乘员在长途旅行时喜欢将椅背向后过多倾斜，这样在前碰撞事故时身体容易发生下潜运动（submarining），这是一种不安全的姿态。

Wiechel和Bolte利用尸体的台车碰撞试验研究了倾斜座椅中比较安全的一种工况，即将椅背向后倾斜的同时也将椅垫前端向上调整，如图2所示[11]。

这样的姿态在碰撞时使座椅在相当程度上分散了安全带给乘员的力，反而比较安全。

但这种乘员姿态并不多见。

（二）行人碰撞保护

2005年全世界第一部行人碰撞保护法规在欧洲开始实施，行人碰撞保护成为近几年的研究热点。

Kendall[12]等人通过CAE分析，重新探讨了人车碰撞头部受伤风险的基本问题，即比较头部与车碰撞和头部与地面碰撞的风险。

分析中使用了立姿行人假人、2种车型、5个碰撞速度和4种行人姿态。

这些有限的工况分析得出了几个并不意外的结论：

（1）与车碰撞导致的头部损伤和与地面碰撞导致的损伤具有同样大的风险，但前者与碰撞速度的相关性更大。

这是因为在后者的情形下，是行人的不同姿态，而非碰撞速度，对最终的头部与地面接触状况和受伤风险有更大的影响。

（2）在碰撞中，行人与车的相对运动是由人和车的形态以及速度等因素决定，行人相对车前部结构的运动是向下滑还是向上翻，对行人落地姿态及头部与地面碰撞受伤风险有很大影响。

（3）尽管相当一部分头部伤害是由与地面的碰撞引起，但头部与车的碰撞也占了相当大的比例。

所以，发展基于车身结构的行人碰撞保护手段，对降低整体的头部伤害还是非常有效的。

Soni等人[13]在已有的人体有限元模型的基础上，对下肢模型增加了肌肉作用因素来研究行人被车低速从侧面碰撞时膝关节的损伤。

这与近年来在碰撞假人的颈部结构中加入肌肉的影响的做法类似，采用的技术路线也一样。

首先将一些主要的腿部肌肉建模，并从文献中找到相关的材料参数，然后将有限元模型的响应与尸体试验结果对比，得到的结论是：

由于肌肉分担了作用力，作用在膝关节主要筋腱上的力会低一些，因此筋腱受伤的可能性比尸体试验中得出的结果要低。

需要指出的是:

由于缺乏试验数据，这些初步研究仅具有一定的参考性。

另外，在本届年会上，本田公司报告了在PAM2CRASH平台上建立的人体下肢有限元模型[14]。

世界上不少科研机构都在进行建立人体模型的工作，其目标是既可用于行人碰撞保护研究，也可用于乘员碰撞保护研究。

在通用汽车公司牵头下，有关的公司正在讨论将这些相似的科研工作进行整合。

近几年，本田公司和Virginia大学合作，对Polar立姿行人假人进行了进一步的开发[15-16]。

这些工作表明了一种比应用人体有限元模型更为实际的想法。

Polar以及第二代的PolarⅡ假人是在THOR假人[9-10]的基础上开发的立姿行人假人。

关于行人碰撞保护汽车保险杠设计，文献[17]对过去35年技术的发展给出了一个综述性的总结，该论文附录中列出了非常详尽的相关论文和专利，对这一领域感兴趣的科研人员可以去参考。

（三）安全气囊和乘员约束系统

值得一提的是福特公司开发的一个新的安全气囊标定测试方法[18]。

提出该方法的目的主要是使整车厂向安全气囊系统供应商提出技术要求时能够更具可比性和一致性。

它利用如图3所示的水平冲击系统，将一个标准的代表人体头部和胸部形状的刚性平板质量块与从转向盘中起爆的气囊相撞。

为了评估的一致性和试验的可重复性，碰撞角度设为水平。

试验可以得到图4所示的碰撞加速度和位移曲线。

该论文的结论为：

经过一系列标定试验和DOE分析，利用能够描述这样一条简单曲线的几个参数，可以比较一致地评价气囊的能量吸收能力、峰值加速度和最大位移。

另外一篇笔者非常感兴趣的论文是德尔福公司对安全气囊塑料罩板材料特性的研究[19]。

在气囊的起爆载荷下，特别是在冬天、夏天不同的温度条件下，用CAE方法来预测塑性罩板材料的动态响应对气囊的起爆设计非常重要。

这类研究对提高CAE方法的预测质量和提高气囊系统的产品开发效率很有帮助。

乘员约束系统（occupantrestraints）共有10篇论文（见表1），其中7篇是关于儿童乘员安全的。

研究内容主要涉及：

儿童乘员安全法规[20-21]；儿童身材、尺寸[22-23]；儿童安全座椅模型[24]。

三、汽车结构耐撞性设计

（一）滚翻安全性

最近几年汽车结构耐撞性的研究重点是车辆的滚翻安全性。

滚翻主要有以下几个方面需要研究：

（1）滚翻事故是在什么条件下发生的；

（2）如何在事故前或事故刚发生时预测滚翻以便启动保护措施；（3）理解滚翻事故中乘员的运动姿态，以便设计保护措施；（4）如何在实验室环境下评估车辆的翻滚安全性。

文献[25]详细分析了3种典型事故工况：

侧面碰撞事故中被撞车辆的滚翻、单车高速行驶中急转向导致的滚翻以及两车刮蹭导致的滚翻。

这些分析对感应滚翻事故的传感器设计会有很大帮助。

在由于路面摩擦力变化导致的滚翻事故中，汽车的高宽比（aspectratio）对车辆的滚翻和落地姿态有相当大的影响，也就对乘员的受伤机率有影响。

Yamaguchi等人[26]研究了同样的车辆和事故工况下，仅改变高宽比的影响。

他们发现相对较高的车在侧翻时一般是近侧车顶着地（约90°翻转），而相对较低的车则更可能是远侧车顶着地（约180°翻转）。

后者与地面的碰撞力和碰撞速度也相对较高，导致更高的乘员受伤风险。

他们认为这个结论与实际事故中乘员的受伤风险与事故车辆的高宽比的相关性趋势一致。

因为实车滚翻试验既不容易控制一致性，成本也高，为开发乘员约束系统，厂家多采用多层次的系统试验（componenttest）。

McCoy等人[27]比较了几个常见的子系统层次滚翻试验方法，发现许多滚翻事故是由车辆的侧向平动运动引起的，已有的试验方法未能考虑在侧向平动时乘员的运动姿态，只考虑了车辆翻转过程中的乘员运动姿态，而翻转前乘员在车辆侧向平动过程中的姿态往往影响滚翻过程中的姿态。

在这些分析的基础上，他们开发了一种新的滚翻试验方法。

如图5所示，将一个滚翻台车及假人和约束系统侧向翻滚，台车还可装上代表车辆悬架系统的弹簧。

这样一个试验系统既有较好的重复性，也能反映实车翻滚前和翻滚中乘员的姿态。

在车辆翻滚过程中，安全带的预紧功能可以将乘员更好地约束在座椅上，减小着地时身体各部位碰撞受伤的机率。

Newberry等人用MADYMO模拟验证了这一设想[28]。

（二）碰撞安全优化设计

随着CAE手段逐渐在汽车产品开发中占有越来越主导的地位，基于CAE的车身结构碰撞安全设计优化的研究在近几年的SAE年会中总有若干篇论文。

2006年Michigan大学Qi等人的论文[29]值得一提，他们为车身碰撞安全性设计提出了一个魔方（magiccube）优化路线，其基本思路体现在将这一复杂问题合理地分层次分解。

如图6所示，首先将问题在时间和空间上分解，选择了一个如图7所示的设计得不是很好的正面碰撞波形，将两个主要峰值以30ms为界在时间域上分解，再利用一个验证过的质量弹簧系统（图8）将各个主要吸能部件和大质量块对碰撞波形的贡献在空间上进行分解；接着是将整体的力与变形的要求分解到各个部件上去（targetcascading）（图9是发动机悬置的力与变形的理想目标曲线和基准曲线）；然后在每个部件基础上对结构进行优化以达到目标曲线;最后再回到整车的层面上进行多重目标的总体设计优化[29]。

这一方法值得进行研究，但目前看来，还不能很直接方便地应用到实际中去。

（三）碰撞兼容性

过去10多年碰撞兼容性的研究在美国是一个热门研究课题，主要是因为在路上的SUV越来越多。

美国政府通过推动一系列研究为制定相关法规做准备。

已有的法规都是以保护本车乘员的安全性为评价指标，而碰撞兼容性的提高则以减少整体伤亡人数为目标。

文献[30]中用一个简单的一维车对车碰撞的参数化模型来估计各种车辆参数对死亡风险的影响，其导出的死亡风险指标是一个基于统计数据的模型，用美国政府的实车碰撞试验和道路事故统计数据库里的数据来拟合并验证模拟中的参数。

这一模型所研究的参数包括两车的质量、碰撞刚度、侵入量、安全带使用等。

分析结论是：

这些参数都有很强的相关性。

这一结论与以前的研究有很大的不同：

以往占主导地位的结论多倾向于两车的质量。

该文的作者也指出他们的简化模式只能给出一些趋势。

文献[31]对用于兼容性研究的TRL障碍墙做了评价。

如图10所示的TRL障碍墙由不同层次和强度的铝蜂窝材料组成，后面有一整面排布满力传感器的刚性墙可以测得碰撞力的分布。

通过车碰撞后在障碍墙上留下如图11所示的空间印记，可以识别各种车身部件的碰撞位置及侵入量，与碰撞力的分布信息一起，可以用来评估该车对其他车的攻击性（aggressivity）。

这篇论文通过有限元模拟，将不同车型与TRL障碍墙碰撞的结果与这些车和另外一个目标车的车对车碰撞结果相比较，结论是：

使用TRL障碍墙对前纵梁和保险杠等主要吸能结构的Aggressivity可以做出一定的评判，但并不能评判车辆的一些次级能量吸收结构对防止override和underride发生的抵抗能力，而两车相撞时是否发生override和underride是评价碰撞兼容性的一个重要指标。

（四）焊接等连接方法的碰撞分析

点焊在碰撞载荷下的失效模式一直是整车碰撞模拟中的一个挑战。

文献[32]中提出了用6自由度2节点弹簧来模拟点焊的方法，其失效准则包含峰值力、位移和能量参数。

将这一方法用于模拟点焊在前纵梁的轴向碰撞变形下的失效，并与相应的台车碰撞试验结果比较，发现该方法对部件碰撞力和位移的预报基本合理。

材料性质的分区模拟模型[33]对点焊的碰撞失效模拟，文献[33]则从更微观的层次研究了焊点附近由于热影响区对材料性质的影响导致的对失效的影响。

焊核本身的脆性断裂在设计中必须通过增加焊核直径等手段努力避免，车身结构中常见的失效其实是焊点周围母材的失效，而在焊点周围的热影响区附近，材料性质已经改变。

因此，文献[33]中提出将热影响区分成若干个子区域，如图12所示，每个子区域的材料参数和失效参数都不同。

将这一方法用于试件层次的焊点失效模拟，并与文献中他人的试验比较，得到了满意的结果如图13所示。

采用粘接来代替或部分代替点焊是粘接材料技术的发展给汽车车身部件连接带来的新方法，其快速连续连接的特点不仅能加强结构，也能提高生产效率。

但如何模拟粘接的碰撞失效，也是一个新的挑战。

福特公司在2006年的SAE会议上介绍了一种用弹簧来代表粘接层的方法[34]（如图14所示）。

该方法对以拉伸和弯曲为主的张开式失效的模拟比较有效（见图15），但能否应用到剪切等其他载荷工况下，则需要进一步的研究。

四、结语

每年春天在底特律举行的美国SAE学术年会规模很大，一般会涵盖目前汽车技术研究所有的前沿热点，是一个很好的学术交流平台。

美国SAE也经常组织编辑一些专题，将某一领域内近几年的高质量论文汇编后出版为专集，这些专集的参考价值也许更高，但通常要晚几年才能汇编出版。

参考文献

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