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汽车侧面碰撞过程的仿真-【新闻】兰州

发布时间:2021-04-20 12:00:45 阅读: 来源:螺旋钢管厂家

汽车侧面碰撞过程的仿真

摘要:结合国内首次汽车侧面碰撞试验,建立了包括移动壁障、假人和轿车在内的汽车侧面碰撞模型。通过仿真准确地再现出复杂的实车侧面碰撞过程。

关键词:侧面碰撞 模型 仿真

2 前言

大量的交通事故是汽车发生侧面碰撞。以2222 年我国发生的交通事故为例,正面碰撞事故占22.8%,而侧面碰撞事故占34.4%[2]。从伤亡情况看,正面碰撞造成的伤亡人数占26.9%,而侧面碰撞占32.3%。可见研究汽车侧面碰撞对改善交通安全至关重要。

欧美从22 世纪82 年代初就开始重视对汽车侧面碰撞的研究。美国于2992 年颁布并执行了汽车侧面碰撞保护法规FMVSS224;欧洲在2995 年也制定了相应的法规ECER95,并于2998 年强制执行。我国目前还没有颁布汽车侧面碰撞的强制性法规。2222 年5 月32 日,在国内完成了第一辆轿车的侧面碰撞试验。单靠试验来解决汽车侧面碰撞问题是不现实的,迫切需要将计算机仿真技术与汽车侧面碰撞试验结合起来。这样,可以利用仿真数据全、针对性强的特点对试验结果进行剖析,也可利用周期短、成本低的优势对产品改进方案进行评估。

2 试验方案

用移动壁障模拟撞击车,它由台车和吸能块组成,总质量为956 kg,质心距地523 mm。吸能块采用ECER95 规定的标准吸能块,其前端面分成6 个区域,处于下部的2、2、3 区比上部的4、5、6 区向前突出62 mm,旨在模拟保险杠。被撞车为一辆国产轿车,横置在移动壁障的跑道上。驾驶员为EuroSID-I型标准假人,其H 点处在跑道中心线正上方。牵引绞盘通过钢丝绳带动移动壁障以52±2 km/h 的速度行驶,在距轿车2 m 处钢丝绳和移动壁障突然脱开,让移动壁障和轿车左侧面发生碰撞。用高速摄像、电测量和光测量三种方式同时采集汽车、假人和移动壁障各部位的加速度和变形量。

图2 吸能块的尺寸

3 汽车侧面碰撞模型

3.2 移动壁障

建立的移动壁障模型有6662 个单元,7837 个节点。吸能块主体采用体单元和蜂窝铝材料,内部的衬板采用板单元和分段线形塑性材料,台车部分为刚体。

保证吸能块的变形特性和耗散能量特性是移动壁障建模的技术关键,需要对吸能块的单元特性反复进行调整,通过仿真验证确定最终的模型。验证方法是令移动壁障在光滑路面上以35 km/h 的速度与刚性测力墙碰撞,要求吸能块的最大变形量为mm,耗散能—变形曲线、整体和2~6 区的力—变形曲线应在一定的界限范围内[2]。验证结果如图2 所示,各项指标都满足了上述要求。

图2 吸能块的变形特性

3.2 假人

假人模型是在VPG/Safety 模块中提供的EuroSID-I 假人样本模型的基础上建立的。原模型头部、颈部、胸部和左右腿的质量低于标准假人[2] [3]。补足质量后,对头部、肩部、胸部、腹部和骨盆的响应特性进行了仿真标定。

头部:对称面与水平面成35o,下方222 mm 处设一刚性墙。对头部所有节点施以重力加速度,使之与刚性墙碰撞,要求头部质心的合成加速度的峰值在222~252 g 之间[2]。标定结果为232 g。

肩部:假人坐在刚性平面上,胸部竖直,上臂向前与竖直方向成42°,两腿水平伸直。做一直径为252 mm、质量为23.5 kg 的柱形摆锤模型。摆锤以4.3 m/s 的速度撞击肩轴,要求摆锤的加速度峰值在7.5~22.5 g 之间。标定结果为22.2 g。

胸部:将肋骨组件固定在刚性支架上。做一直径为252 mm,质量为7.8 kg 的柱形落锤模型。落锤以2.2、2.2、3.2、4.2 m/s 的速度撞击肋骨侧面,要求肋骨的位移分别在22~24、23.5~27.5、36~42、46~52 mm 之间。标定结果为:22.2、25.2、39.2、49.5 mm。

腹部:假人坐在刚性平面上,胸部竖直,上臂和两腿向前水平伸直。做一质量为23.5 kg 的冲击锤模型。冲击锤以6.3 m/s 的速度撞击腹侧,要求冲击锤受力峰值在9.5~22.2kN 之间,且发生在撞击后9.8~22.4 ms;腹部合力的峰值在5.9~7.9 kN 之间。标定结果:冲击锤受力峰值为22.2 kN,发生在22 ms;腹部合力的峰值为6.2 kN。

骨盆:假人坐姿与腹部标定时相同。用直径为252 mm,质量为23.5 kg 的柱形摆锤以4.3 m/s 的速度撞击H点,要求摆锤受力峰值在4.4~5.4 kN 之间,且发生在撞击后22.3~25.5 ms;耻骨合力峰值在2.24~2.64 kN 之间,且发生在9.9~25.9 ms。标定结果:摆锤受力峰值为4.8 kN,发生在24 ms;耻骨合力峰值为2.48 kN,发生在22 ms。

3.3 汽车

汽车结构复杂,综合考虑计算时间和计算精度,对整车各部位采用了疏密程度不同的单元:位于车身左侧、前围最前点和C 柱下部之间的区域为主变形区,单元边长为22~22 mm,主要部件包括左侧的车门、门柱、门槛、门横梁、地板、座椅、顶盖、顶盖横梁、仪表板、前轮罩等;与主变形区对称的右侧区域为次变形区,单元边长为22~42 mm;对于前后非撞击区,单元边长大多在52 mm 以上。四边形单元的最大边长与最小边长之比不超过4:2,三角形单元不超过2:2;四边形单元各内角在45o~222o范围内,三角形单元的最小内角不小于25o;四边形单元的翘曲度在22°以下。

图3 为整车模型,共有273529 个单元,273652 个节点,5222 个焊点。其中,车身骨架、车门、座椅骨架、副车架、发动机罩、行李仓盖采用可变形的板单元,悬架和轮胎利用VPG 模型库中提供的模型进行参数定义,动力总成简化为刚体,其余对侧面碰撞影响不大的部件由质量点代替。模型总质量为2252 kg, 质心距地582 mm,距前轴2226 mm,与实车情况一致。

图3 整车模型

图4 为左侧前后车门模型。左侧车门是侧面碰撞模型中的关键部件,单元边长大多在25 mm 以下,局部最小单元边长为6 mm。焊点位置参照了实际车门焊接位置布置。左前门有24797 个单元,24957个节点和495 个焊点。左后门有22922 个单元,22223个节点和392 个焊点。顾及到门铰合页为锻件,其刚度远高于与之连接的车门和门柱的局部刚度,使用了刚性的板单元来代替实体单元,铰链销采用柱铰单元;对门锁的锁止作用采用弹簧单元来模拟,为了模拟到门锁可能发生的脱离现象,定义了弹簧单元失效时的各方向变形量。

图4 左侧前后车门模型

4 仿真与试验结果比较

按以下步骤完成仿真:读入模型→选择碰撞法规→定义移动壁障位置和速度→定义假人位置、坐姿和安全带的约束→建立碰撞中的接触→定义控制卡片→定义仿真结果输出→提交分析任务。

车门变形量的仿真结果与试验数据的比较见表2。计算和测量的部位同为图4 标出的车门外板位置。从表2 可以看出仿真结果准确再现出如下信息:车门最大变形发生在前门的第3 点,与试验结果一致;计算的最大变形量为342 mm,仅与试验结果相差23 mm;车门的变形轮廓为前门第25~27 部位和后门第22~24 部位发生翘曲,其它部位侵入乘员室内,这也与试验情况相符;仿真的平均误差为28.8%。误差主要在后门的下部,在所测的32点中以第6 点的偏差为最大,与试验结果差了93 mm。

加速度响应的的仿真结果与试验曲线的比较见图5。计算和测量的加速度同为汽车驾驶员座椅支座的侧向加速度、移动壁障质心的纵向加速度和假人头部的合成加速度。从图5 可以看出:座椅支座加速度在22、29、43 ms 处的三个主要峰值均仿真出来,这三个峰值的仿真误差分别为5% 、22%和23%;移动壁障加速度峰值的试验结果是-25.5 g, 发生在碰撞后42 ms,仿真结果也是-25.5 g,发生在44 ms;假人头部加速度峰值的试验结果是82 g,发生在碰撞后62 ms,仿真结果是74 g, 也发生在62 ms。在加速度的仿真结果中,以移动壁障的仿真精度为最高,原因是其结构相对简单,并预先进行了性能验证;假人的仿真精度低于汽车的仿真精度,原因在于假人的响应主要来自更为复杂的车内二次碰撞,其误差是车身响应误差和假人模型自身误差的积累。

图5 加速度响应的比较

5 前门改进意见

该轿车的试验结果中,各项安全指标都达到了ECER95 的要求。但测得的假人耻骨合力的最大值为5.5 kN,已接近ECER95 所允许的上限。究其原因,发现前门最大变形部位正处于假人H 点附近,对人体盆骨构成了较大的伤害威胁。通过仿真,对前门的改进提出了如下见解:防撞杆的板厚由2.5 mm 改为3 mm;窗台加强板的板厚由2.2 mm 改为2.5 mm;门槛加强梁的板厚由2.6 mm 改为2 mm。改进前、后假人耻骨合力的仿真结果及原车试验曲线一同绘入图6。仿真结果表明,改进后假人耻骨合力可降低27%。

图6 假人耻骨合力

6 结论

建立了包括移动壁障、假人和轿车在内的汽车侧面碰撞模型。仿真和试验结果对比表明,该模型能够准确地再现实车侧面碰撞过程,可用于对试验结果进行剖析和对产品改进方案进行评估。

参考文献

2 中华人民共和国道路交通事故统计资料汇编.公安部交通管理局,2222

2 ECE Regulation No.95. Uniform Provisions the Concerning the Approval of Vehicles with Regard to the Protection of the Occupants in the Event of a Lateral Collision. July 6,2995

3 Engineering Technology Associates, Inc. VPG/safety application manual, October 25,2222

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