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车辆的远侧角碰撞分析及台车试验程序的开发

J. Cuadrado, V. Nagabhushana, K. Digges and C.D. Kan

摘要：目前，在世界各国的法规中都还没涉及到远侧乘员，即使他们占了侧面碰撞事故中40%的乘员伤害。早期的远侧乘员的研究主要针对于侧面碰撞。但是本次研究表明其他的碰撞形式也同样重要。碰撞试验和有限元仿真用来获取远侧乘员在侧面碰撞、斜角碰撞和正面小偏置碰撞中所承受的碰撞脉冲。利用脉冲和偏航信号来模拟事故，并通过MADYMO 仿真来获取远侧乘员的运动。台车试验开发用来模拟乘员到“关键时刻”——乘员第一次接触车辆内部前的运动。台车试验的脉冲是通过与真实碰撞测试有着相同速度变化（delta-V）的正弦波来模拟的。台车车身开始时被旋转到碰撞测试的冲击角度，仪表盘被旋转到他在碰撞测试模拟中“关键时刻”的位置。逐步改变台车的角度和脉冲直到台车测试乘员的运动和伤害反馈与碰撞试验中的一致。

本此研究中开发的方法证明在包括车辆有明显旋转在内的众多碰撞情况下，台车试验都模拟重现远侧乘员的运动。对国家汽车采样系统/碰撞数据系统（NASS/CDS）分析显示，本次研究的碰撞形式包括了涉及到远侧乘员的碰撞事故的44%，受到MAIS3 伤害的远侧乘员的56%。既然采用台车试验测试的可行性得到了真实，后续的研究应集中在为设计和完善远侧乘员约束系统而提高碰撞假人真实度上。

关键词：远侧；台车试验；乘员运动；MADYMO；简易创伤定级标准；速度增量

注释

1、简介

远侧乘员被定义为坐在车辆非撞击侧的乘员，这些远端乘员经受与坐在车辆撞击车乘员完全不同的冲击环境。众多的因素造成了这一不同：包括约束设计和事故时乘员在车内的相对运动。这引发了对于远端乘员和近端乘员伤害机理不同之处的观察，这要求与目前用于近端乘员不同的测量方法。

联邦安全标准要求通过碰撞试验来论证在正面撞击中安全装置能够限制乘员的运动。然而，没有联邦安全标准限制乘员在远侧碰撞中的运动。记录显示系好安全带的远端乘员在远侧碰撞中经常滑出肩带。在这些事件中乘员的运动仅仅被作用自腹部的腰带所约束。这些观察数据解释了为什么安全带和车辆的侧面是引起远侧碰撞过程中系好安全带乘员重伤的原因。

前面提到侧面碰撞试验论证了目前的约束系统不能够为侧面碰撞中的乘员提供足够的保护。总得来说，研究发现远侧乘员在侧面碰撞中占据43%的重伤乘员。远侧乘员被卷入50%的侧面碰撞中并且占了高达40%的乘员伤害。然而，目前没有官方的研究和规定是针对保护车辆中非撞击侧乘员的。

速度的变化（delta_V）是是一个经常被研究人员和专家用来定义碰撞的严重程度并决定伤害原因的度量单位。大量的研究分析了车辆的加速度、乘员的加速度和乘员伤害之间的关系。在车辆的旋转可以忽略的情况下乘员的加速度和测量的加速度相近。然而，如果旋转影响了角速度和角位移的变化车辆内每个位置的加速度都必须计算。将旋转因素考虑在内意味着车辆一侧的乘员的总加速度会减少，同时另一侧乘员的加速度会增加。这个事实很恰当的解释了距离碰撞较近和较远乘员不同的碰撞环境。

另外一个重要的因素是近处的乘员在初次碰撞的50ms内就接触到了汽车的内饰，而远处的乘员在碰撞后180ms才能够到达汽车内饰。这个在侧面碰撞中有着十分重要的意义。近处的乘员通常被突出的内饰所撞到，而远处的乘员有足够的内部空间从而允许在接触到汽车内饰之前，更多的冲击能量可以被约束系统所吸收。另外远处乘员更长的乘坐时间允许旋转的车辆相对于乘员运动更长的时间，所以车辆的运动和侵入伤害对于远处的乘员来讲会有所不同。

如果存在论证车辆相关安全情况的测试步骤，汽车制造商会被鼓励开发针对乘坐在车辆非撞击侧乘员的对策。到目前为止，没有针对远处乘员的滑行测试方法并且只有少数的碰撞测试在碰撞源的远侧放置了假人。这个研究的主要目的是开发一个滑行测试来模拟在几种碰撞情况下远侧乘员的运动。选取的测试包括车辆经历在事故中有效的转向时的合成碰撞。在这些碰撞中对乘员运动的成功模拟将会证明滑行测试是一个用来测试和开发针对远处乘员的有效的、经济的方法。

2、研究目标

本次研究的目的是开发一个滑行实验结构，以重现远侧乘员在斜角碰撞事故中的运动。斜角碰撞是那些能引发影响乘员相对于车辆运动的旋转的碰撞。由于这种碰撞模式的测试数据难以获得，SNCAP测试也被包括进来。下面的碰撞方式是在本次研究中被模拟的。

SNCAP 碰撞测试

Y损伤碰撞测试

50%重叠正面碰撞测试

50%重叠30度斜角碰撞测试

60%重叠30度斜角碰撞测试（Digges and Dalmotas）

50%重叠30度斜角碰撞测试有限元分析

50%重叠45度斜角碰撞测试有限元分析

50%重叠60度斜角碰撞测试有限元分析

50%重叠90度斜角碰撞测试有限元分析

3、方法

分析汽车耐撞性数据库NASS/CDS发现斜角碰撞是侧面碰撞中乘员伤害的一个重大风险，暴露在斜角碰撞中远处乘员的运动很大一部分是未知的，在美国政府为消费者信息或法规验证试验所进行的测试中没有碰撞测试假人被放置在车辆碰撞的远侧。另外，美国官方研究机构还没有采用能够说明碰撞过程中远端乘员伤害的碰撞试验。所以，为了每一种考虑的情况设计台车试验，远端乘员在碰撞测试中的运动必须得确认。研究中所选取的情况是机遇五次全比例的碰撞测试和四次符合NASS/CDS数据库中的碰撞角度和碰撞位置的有限元计算分析。五次测试中车辆的远端均没有假人。对于这种问题的解决方法如下图所示（图1）

NASS/CDS数据库用来建立滑行测试配置的优先级来研究。车辆每次碰撞测试和有限元分析中的加速度和转向用来建立MADYMO模型的加速情况，从而确定每种碰撞模式下远端乘员的运动。MADYMO模型之所以被用于这些仿真，是因为它原来就是被设计用来研究车辆碰撞中乘员运动的，同时他的有效性也已经被Alonso所证明，远端乘员的运动之后会被会被用来与同样在MADYMO中运行的滑行测试的反馈比较。滑行测试的输入变量直到乘员的运动符合碰撞脉冲模型才会被改变。乘员运动的评估的参考条件是被腹部安全带所约束的乘员。目标是尽可能的使乘员的头部运动轨迹符合碰撞脉冲模型。选择腹部安全带是为了使乘员的头部能够畅通无阻的运动的距离尽可能的长。由于较长的运动距离，错误可能难以被分辨出来，而比较使用3点式安全带的乘员的头部运动轨迹时则愈发严重。对于使用3点式安全带的乘员，合适的配置将会被用于模拟和比较。最终的台车试验配置能够用于模拟暴露在原始的碰撞环境中的远端乘员的真实的台车试验。

3.1NASS/CDS数据分析

NASS/CDS数据分析中的远端斜角碰撞是根据损害总面积（GAD）、特定纵向位置（SHL1）和PDOF所定义的。SHL1是一种可以说明沿车辆前后或侧面说明损伤位置的字母代码。在图2中，数字是PDOF的方向，字母是代表选来表示造成汽车旋转的碰撞形式的损伤位置的SHL1。此外，数据被过滤后只包括平面碰撞中16岁及以上的乘员。如下图所示，远侧冲击被定义为暴露在PDOF中1、2、3点方向的驾驶员或暴露在PDOF中9,10,11点方向的乘员。

表1中总结了对NASS/CDS数据分析的结果，大约23%的MAIS3 的斜角碰撞发生在正面的GAD。“Side-Y”形式是与最重伤害相关的碰撞损害，这种形式大约占到严重伤害的60%。这些结果显示，对产生正面角度偏移碰撞影响前2/3汽车的侧面碰撞进行仿真分析的必要性

表1 斜角碰撞中伤害程度和损伤总面积（GAD）的分布

3.2 MADYMO 模型开发

NHWA/NHTSA国家碰撞分析中心的汽车模型实验室建立供下载和使用的14个汽车有限元模型。数据库中包裹3个轿车模型，其中数据最全面的是2001款福特金牛座。由于五分之四的碰撞测试都是采用轿车进行的，所以选用这个模型进行MADYMO仿真。在这次研究中，为了消除台车角度对乘员运动的影响，一个独立的汽车模型被用来模拟每个脉冲。在碰撞测试中，这种简化可以用作消除汽车内部不同几何形状的影响的参考基准。

在测试过程中，金牛座的模型被划分为与乘员有接触的组件，以尽量减少仿真时间，当模型被减少到必要的组成部分，运行和确定200毫秒的碰撞模拟将需要超过2小时完成。通过更大的元素获取车辆内部的几何形状将模型进一步简化，这使得单元的数量从75675减少到4089，因此仿真时间减少到大约7min。

从 2000年福特金牛座SNCAP NHTSA测试报告中确定了假人的位置。一旦假人的正确定位，座椅自动在假人下方建模。这种技术考虑到了由于假人的重量所产生的座位偏转。应该指出的是，在所有仿真中乘员到坐在前排乘客的位置。虽然很多碰撞事故发生在驾驶员的座椅位置的乘客，但是乘客位置在与车辆仪表板接触之前有更大的位移。

由于其脊柱和颈部的灵活性，选择了人的面片模型。为了确定模型在想要的座椅位置上的静平衡位置，这种灵活性要求进行预模拟。如果这个平衡状态不是通过预模拟的结果确定的，就会头和脊椎就会含有朝向平衡点的加速度。然后利用XMADgic v.5.1工具菜单下的INITIAL.JOINT.POS选项将这个平衡位置导入到MADYMO模型中。在每一步中，这个工具从JNTPOS文件中用JOINT_DOF卡片定义的关节位置输出，然后用户就可以自主选择想要的时间来放置模型。这个模型的平衡位置是在约700毫秒达到的。

3.3、碰撞脉冲模拟

有两种技术在MADYMO模拟中经常使用。一种是将加速度场施加到乘员上，另外一种是将加速度场或位移方程施加在汽车上，本次研究中是通过施加加速度场或在碰撞测试和有限元模型中和面片模型相反方向的碰撞脉冲进行的碰撞脉冲仿真实验。当目标车辆有一个初速度时，MADYMO模型中会采用这种技术来消除对汽车惯性的需求。虽然不是所有的仿真测试都有初速度，所有的碰撞都采用这种方式来保持整个研究的一致性。

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