乘用車的翻滾碰撞特性及防護(hù)措施研究.pdf

1、各國(guó)和各地區(qū)的事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,翻滾事故雖然在所有發(fā)生事故中所占的比例并不大,但是它在致死事故中所占的比例非常高。因此,降低翻滾事故中的損傷具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。然而,汽車在翻滾過(guò)程中通常都同時(shí)具有相對(duì)于其自身局部坐標(biāo)系上的多個(gè)方向的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),這也導(dǎo)致了非常復(fù)雜的汽車和乘員的空間運(yùn)動(dòng),給人們預(yù)測(cè)和研究翻滾事故帶來(lái)了極大的困難。目前,汽車翻滾安全性研究領(lǐng)域中仍舊存在事故分析結(jié)果相互矛盾、損傷機(jī)理和人體承受極限不明確、相關(guān)試驗(yàn)法規(guī)

2、缺乏、相關(guān)試驗(yàn)假人缺乏和相關(guān)仿真模型缺乏等問(wèn)題。本文在大量的文獻(xiàn)研究基礎(chǔ)上,對(duì)翻滾過(guò)程的研究方法、翻滾事故中的乘員損傷因素和乘員保護(hù)措施進(jìn)行了研究。研究工作主要內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　1.結(jié)合HVE、LS-DYNA、MADYMO和MADYMO Coupling等軟件的特點(diǎn),提出了一個(gè)可以對(duì)翻滾事故全過(guò)程進(jìn)行仿真研究的方法。通過(guò)該方法將汽車和乘員在翻滾事故不同階段中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)聯(lián)系起來(lái),建立了一組可用于研究翻滾事故全過(guò)程的仿真模型,并運(yùn)

3、用該組模型進(jìn)行了仿真分析,證明了該方法的可行性。根據(jù)實(shí)際的操作過(guò)程可以發(fā)現(xiàn),該仿真研究方法可以將翻滾事故中預(yù)翻、起翻和翻滾三個(gè)階段之間的相互影響聯(lián)系在一起研究,這對(duì)正確了解翻滾碰撞事故中的汽車和乘員動(dòng)態(tài)響應(yīng)有著積極的作用。
　　2.利用翻滾側(cè)滑階段的仿真模型對(duì)側(cè)滑階段中的汽車和乘員動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究。汽車動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究結(jié)果表明,在翻滾事故的側(cè)滑階段中,汽車的側(cè)滑運(yùn)行軌跡基本可以被視為一條曲線,汽車初始速度的變化會(huì)影響側(cè)滑運(yùn)動(dòng)軌跡的

4、曲率。其中,汽車的初始速度越小,汽車沿運(yùn)動(dòng)軌跡切線方向上的線速度就越小,從側(cè)滑到翻滾所需要的時(shí)間就越長(zhǎng),汽車行駛軌跡的曲率也越大。當(dāng)汽車?yán)@支點(diǎn)翻轉(zhuǎn)時(shí),汽車初始速度的變化會(huì)影響汽車從開(kāi)始翻轉(zhuǎn)到落地這段過(guò)程中汽車被拋出的距離。其中,汽車初始速度越大,汽車被拋出的距離也就越遠(yuǎn),這也導(dǎo)致汽車被拋出軌跡的曲率越大。
　　側(cè)滑階段乘員動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究結(jié)果顯示,在側(cè)滑階段中,乘員主要受自身重力、汽車轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的離心力和汽車翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的共同作用

5、,在這些力的作用下乘員在汽車側(cè)滑階段中有著向汽車前端方向和靠近汽車車頂方向移動(dòng)的趨勢(shì),同時(shí)乘員還會(huì)因?yàn)殡x心力的運(yùn)動(dòng)有向外側(cè)(被拋出車體的方向)移動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)汽車初始速度減小時(shí),汽車轉(zhuǎn)向和翻轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡的曲率增大,由汽車轉(zhuǎn)向和翻轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力也增大。因此,遠(yuǎn)端乘員會(huì)有更大的向外側(cè)和前側(cè)的位移,而近端乘員雖然仍舊受重力的主要作用而向外側(cè)和前側(cè)移動(dòng),但其最終位移的大小也因?yàn)楦蟮碾x心力而變小。
　　3.運(yùn)用美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心(Na

6、tional Crash Analysis Center,NCAC)建立的2003款福特探索者整車有限元模型建立了一個(gè)詳細(xì)的喬丹翻滾試驗(yàn)系統(tǒng)(Jordan Rollover System,JRS)有限元模型。運(yùn)用MADYMO耦合軟件將整車有限元模型與MADYMO多面體乘員模型耦合起來(lái),建立了完整的JRS試驗(yàn)仿真模型,并結(jié)合2000款探索者的JRS試驗(yàn)圖片結(jié)果、實(shí)際事故案例中的損傷結(jié)果和實(shí)際翻滾碰撞(Ijnconstrained Real

7、 Rollover,URR)仿真的結(jié)果驗(yàn)證了該模型的有效性。然后,運(yùn)用該模型研究了JRS試驗(yàn)中車體首尾兩端的約束對(duì)翻滾碰撞結(jié)果的影響。結(jié)果表明,雖然約束對(duì)碰撞中的汽車動(dòng)態(tài)響應(yīng)有一定的影響,但大部分情況下影響不超過(guò)10%,因此,該JRS仿真模型基本能夠反映URR.事故中的汽車動(dòng)態(tài)響應(yīng)和從副駕駛員側(cè)開(kāi)始翻滾的URR事故中的乘員損傷響應(yīng)。
　　4.選取不同的初始碰撞參數(shù)數(shù)值進(jìn)行仿真,研究了每個(gè)初始碰撞參數(shù)的變化對(duì)翻滾碰撞中的汽車動(dòng)態(tài)響應(yīng)

8、和乘員損傷響應(yīng)的影響。結(jié)果顯示,翻滾中跌落高度、翻轉(zhuǎn)速度和傾斜角度對(duì)汽車的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有著明顯的影響趨勢(shì)。因此,在設(shè)計(jì)汽車動(dòng)態(tài)翻滾試驗(yàn)時(shí),需重點(diǎn)考慮跌落高度、翻轉(zhuǎn)角度和傾斜角度對(duì)汽車動(dòng)態(tài)結(jié)果的影響。研究結(jié)果還表明,假人模型的損傷響應(yīng)只與跌落高度有著顯著性的關(guān)聯(lián),而人體模型的損傷響應(yīng)則與跌落高度、翻轉(zhuǎn)速度和偏轉(zhuǎn)角度存在著明顯的關(guān)聯(lián)。因此,在進(jìn)行將假人作為研究對(duì)象的翻滾試驗(yàn)時(shí),跌落高度是需要特別注意的參數(shù);而在設(shè)計(jì)將尸體作為研究對(duì)象的翻滾試驗(yàn)時(shí)

9、,跌落高度、翻轉(zhuǎn)速度和偏轉(zhuǎn)角度都是要重點(diǎn)考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)。
　　5.對(duì)比分析了翻滾中假人模型和人體模型之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和損傷響應(yīng)的區(qū)別。結(jié)果表明,在翻滾碰撞中,由于假人軀體的剛度要比人體軀體的剛度更硬,現(xiàn)有的假人無(wú)法準(zhǔn)確反映翻滾中人體的損傷響應(yīng),其具體表現(xiàn)在假人的頭部損傷要比人體的頭部損傷更輕微,而假人的頸部損傷和胸部損傷則比人體的相應(yīng)損傷更嚴(yán)重。因此,如何使假人在翻滾碰撞中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變得更軟是未來(lái)制作翻滾試驗(yàn)假人的首要任務(wù)。同時(shí),頸

10、部是在翻滾試驗(yàn)假人設(shè)計(jì)或者現(xiàn)有混Ⅲ假人改進(jìn)中最需要優(yōu)先考慮的部件。另外,翻滾中人體要比假人對(duì)初始碰撞參數(shù)的變化更為敏感,所以,在設(shè)計(jì)使用尸體的翻滾試驗(yàn)時(shí)要比設(shè)計(jì)使用假人的翻滾試驗(yàn)考慮更多的初始碰撞參數(shù)。
　　6.通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真指出了鎖緊式安全帶插扣對(duì)翻滾碰撞中的乘員保護(hù)有著積極的作用。針對(duì)這個(gè)結(jié)論開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了兩種具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)的新型安全帶鎖緊裝置,并對(duì)該裝置進(jìn)行了有效性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該