基于汽车前端刚度分析的降低小腿加速度快速设计方法

现行法规用行人小腿模块碰撞试验方法来评估汽车的行人腿部保护性能,对汽车前端结构的设计提出了新的要求.本文中提出了一种基于刚度的控制策略,以辅助工程师快速确定导致小腿加速度峰值超标的原因.通过前端结构不同位置、尺寸和刚度参数的组合,进行了24个有限元碰撞模拟,分析了前端结构各设计参数对其综合刚度以至加速度峰值的影响.最后给出该策略在某实际车型的应用实例.     

不同类型偏置碰撞的驾驶员腿部伤害对比研究

为了探讨不同类型偏置碰撞下驾驶员腿部伤害的差异性,本文在对C-NCAP40%偏置碰撞及IIHS 25%小偏置碰撞两种不同类型偏置碰撞试验的试验工况、假人腿部评价指标进行介绍的基础上,对某乘用车车型在上述两种试验下驾驶员的腿部伤害指标进行了对比研究,并从碰撞力的传递路径对其结果进行了分析。结果表明:由于碰撞中车身与壁障重叠率的不同导致不同的碰撞力传递路径,最终导致车身变形的差异。其中,25%小偏置碰撞对车身的破坏程度极大,试验后驾驶员侧的A柱严重变形,车身结构大量侵入到车内生存空间,故其假人腿部伤害值大于另外两种正面碰撞,尤其是驾驶员左腿伤害值。优化车身前端结构,增加A柱强度,最大程度保证驾驶舱腿部生存空间,才能有效提高小偏置碰撞中乘员的安全性能。     

车体“刚度”在正面碰撞中对人体伤害影响的研究

将汽车B柱加速度曲线反映的车体碰撞性能定义为车体"刚度",对车体"刚度"在实车碰撞中对假人伤害的传递过程及台车试验中复现的精度对假人伤害结果的影响进行了研究.通过对"刚度"在正面碰撞试验中对假人运动的影响分析和对骨盆受力情况的分析,指出了试验中假人对车体的相对加速度曲线是一近似正弦波.同时,进行了车体"刚度"曲线在台车试验中的应用研究,指出了在台车试验中应复现的最佳曲线及校核方法.     

正面碰撞中假人大腿的伤害

为了掌握假人大腿伤害机理,解决汽车实际碰撞中假人大腿伤害超标问题,文章首先通过应用Hyperworks和Dyna等软件仿真分析得出大腿伤害的机理,即碰撞中假人下肢与仪表板第1个接触点是假人的小腿且会造成较大的膝盖滑移量,然后针对具体车型问题提出降低仪表板刚度的优化方案,最终通过实车碰撞试验验证解决方案的有效性。提出保证碰撞中假人下肢与仪表板的第1个接触点是假人膝盖的IP型面的设计方案。     

侧面碰撞试验中前排假人背板力的应用研究

对汽车侧面碰撞试验中前排假人背板力的典型曲线进行了分析研究,指出背板力曲线可划分为碰撞初期的假人上半身相对座椅靠背晃动阶段、侧气囊作用阶段、门板变形侵入阶段、B柱和门槛梁明显变形侵入阶段和车辆快速向右侧侧移阶段等5个阶段。依据背板力曲线中主要阶段的走势和幅值,并结合试验结果,可进行侧气囊和车身侧面结构的优化。     

基于MPDB工况下驾驶员侧假人伤害值优化研究

本文分析得出了某车型MPDB碰撞工况和ODB碰撞工况中车身响应和假人伤害值的差异,针对假人胸部压缩量和小腿胫骨指数超标的问题,考虑到白车身设变成本较高,提出了安全带配置优化的5个方案。通过对5个优化方案的仿真结果分析得出,二级限力装置对胸部压缩量具有较大的改善,相对于恒定限力式安全带,递减限力式安全带的胸部压缩量减小了13.1%,递增限力式安全带的胸部压缩量减小了23.9%。锁止锁舌和端片预紧对胸部压缩量和小腿胫骨指数均有较大的改善,锁止锁舌的改善效果优于端片预紧,两者同时配置改善效果最优:胸压减小了21.4%,小腿胫骨指数减小了40.8%。考虑到端片预紧成本较高,推荐配置递增限力式安全带以及锁止锁舌的方案。通过仿真优化,优化效果显著,为后续项目的MPDB碰撞性能提升提供了一种有效的优化思路。     

轿车侧面碰撞乘员舱分区刚度优化与匹配研究

针对国内自主品牌轿车在侧碰中常出现车身侧面侵入量较大,导致侧面安全得分较低的现状,对轿车乘员舱刚度的优化与匹配进行了研究。将车身侧面碰撞区域划分为6个分区;通过整车侧面碰撞仿真,并结合正交优化得到了借助改变材料厚度和选用屈服强度高的材料来提高轿车侧面结构抗撞性的方案组合、各分区刚度的匹配和分区刚度与乘员伤害指标的关系。结果表明:整车侧面碰撞6个分区的刚度可明显分为高、低两组,各组的刚度曲线均呈"山峰"状,且组内和组间的刚度都存在一定的关系;优化方案对侧面结构抗撞性的改善最终体现为各刚度曲线同步上升,最后推算出了"峰值"刚度与乘员胸部得分之间的关系。     

小空间车型第2排乘员保护性能优化

为了研究小空间车型第2排乘员在正面碰撞过程中受到的伤害,利用仿真分析的手段,对比分析了不同的车体碰撞波形、乘员布置空间以及约束系统性能参数对第2排乘员伤害的影响,确定了安全带限力等级、车体碰撞波形及第2排座椅坐垫的布置角度是影响第2排乘员保护安全性能的关键因素.针对第2排乘员布置空间较小的车型,在保证第2排假人头部伤害满足目标要求的情况下,减小安全带的限力等级,增大第2排假人头颈部及胸部的前移量,以降低假人颈部及胸部的伤害,从而有效改善了第2排乘员的伤害情况.     

正面全宽碰撞试验中假人胸部伤害研究

通过台车试验,对受方向盘角度影响和座椅刚度等影响下的几种典型的胸部伤害情况进行了分析研究,指出了在无安全气囊或气囊作用偏弱的情况下,方向盘的水平角度一般时容易造成胸部加速度偏大,方向盘水平角度偏大时容易造成胸部压缩变形量偏大;另外,也指出了碰撞中,坐垫的深度偏大和前端刚度偏强时容易增大假人胸部伤害,坐垫前端刚度偏弱时导致假人下沉可造成胸部伤害指标提高,这为约束系统的匹配提供了参考。     

基于理论推导的前端结构耐撞性设计

为使车身结构耐撞性开发工作更早地介入到项目开发中来,并获得理想的前端结构压溃模式以及碰撞波形,推导了前端结构断面力以及长度的理论方法。引入三阶等效波形的设计方法,将碰撞波形分为:吸能盒压溃阶段﹑纵梁前端压溃阶段﹑纵梁后端以及前围侵入3个阶段;分别设定每个阶段前期的波形目标,推导结构的断面力;依据能量守恒原理,推导每个阶段结构的长度。仿真验证了该推导方法。结果表明:用本方法推导的断面结构可以实现理想的轴向压溃模式。因而,用该方法可以在概念设计阶段有效地确定车身结构的关键设计参数,尤其适用于完全正向开发车型。     

隧道入口护栏防护提升与乘员安全适应性分析

为提升高速公路隧道入口护栏的安全性能,采用调研分析、实车足尺碰撞试验和有限元仿真模拟综合研究方法,了解隧道入口护栏设置现状和安全防护提升需求,提出一种新型高防护等级金属梁柱式护栏,并给出其在隧道入口处的合理过渡设计。研究结果显示：护栏结构安全性能经实车碰撞试验验证,防护等级达到六（SS）级;护栏乘员安全适应性能经1.5 t小客车100 km/h和33 t大货车60 km/h以20°角碰撞模拟,车辆碰撞护栏时假人头部性能指标HPC均小于1 000,假人胸部压缩指标THCC均小于75 mm,假人大腿压缩力指标FFC均小于10 kN,假人各项性能指标均满足要求,护栏方案对车辆乘员安全适应性能较优,能够较好地保护车内乘员安全。研究为隧道入口护栏的安全性能提升及实际工程应用提供了有价值的参考。     

基于EuroNCAP V6．2行人保护小腿碰撞优化

为减小人车碰撞时对行人小腿的伤害,文章基于某车型E-NCAP星级性能提升,采用虚拟仿真与试验测试有效结合的方法,对失分点碰撞过程和失分原因进行分析,确定降低低速吸能盒刚度的优化方向。通过对该车型的优化,有效减轻了行人小腿伤害。优化后,胫骨加速度降低55．40％,膝部弯曲角度降低69．5％,膝部剪切位移降低3％,提升了该车型行人保护性能,为后续设计提供了参考。     

基于乘用车内部凸出物试验测评方法研究

目前,国内外有关汽车内部凸出物试验的标准中均只将假人头部作为参考指标;而正面碰撞法规和C-NCAP(2021版)中均将假人的头、颈、胸、骨盆、腿等部位损伤值作为衡量汽车安全性能优劣的重要评价指标。本文通过滑台碰撞试验方法,对汽车内部凸出物试验测评方法进行研究;结果显示:假人的头、颈、胸、腿部均受到不同程度的损伤;尤其是95th假人的骨盆位移量过大,造成假人下半身受到损伤更为严重。因此,本文建议乘用车内部凸出物试验测评方法中,应适度考量假人多个部位及其损伤指标,旨在不断完善我国汽车安全标准体系,进一步提升汽车安全性能,更好地保护驾乘人员的乘车安全。     

Investigation of Occupant Lower Extremity Injures under Various Overlap Frontal Crashes

Objective

With widely usage of restraint system, fatal injuries to occupants have been largely limited while non-fatal lower extremity injuries have not been effectively improved. The present study aims to investigate occupant lower extremity injuries under realistic impact environments.

Methods

A biofidelic lower extremity model, a dummy model and a car cab model were combined to set up a realistic impact environment. Three typical frontal impact groups were simulated. Occupant global lower kinematics, long bone axial force and bending moment were presented to in-depth investigate lower extremity injury mechanism and tolerance.

Results

Various overlap frontal impacts cause totally different lower extremity kinematics in the combination of structural invasion and restraint system effects. The femur fracture occurred at a small axial force of 7.57 kN combing a substantial bending moment peak of 172 Nm. Ankle joint injuries were found in 100 % and 25 % overlap impacts that present large tibial axial force and joint rotation angle.

Conclusions

Overall results indicate that a coupling threshold of femur axial force and bending moment is of rationality to predict global femur fracture. The ankle joint injury occurrence is significantly related to the coupling effects of tibia axial force and excessive self-kinematics.

     

正面碰撞中假人伤害分析及安全性改进研究

论文了研究了正面碰撞中假人的运动过程及头部、颈部、胸部与下肢部位的伤害机理与考核指标,这些指标反映了车身碰撞特性、乘员约束系统特性及两者间的匹配这三个方面的综合性能,并针对车身耐撞性能、车身B柱曲线特性及转向系统、安全带与气囊等约束系统对假人的伤害影响进行了详细的分析。基于上述分析对一款新开发车型的安全性现状进行分析并逐步做出改进方案。通过零部件试验、滑车试验及实车验证试验证明分析及改进方案的有效性,本研究对车型开发设计及安全性能改进具有一定的指导意义。     

反倾边坡支护结构的拉筋动力响应振动台试验研究

采用几何相似比为1:30的模型,模拟含泥化夹层的反倾岩质边坡振动台试验,在EL Centro地震波、汶川地震波和人工波的作用下,研究了预应力锚索(杆)拉筋轴力的动力响应规律。结果表明:泥化夹层饱水后,不同高程处拉筋轴力的地震动力响应值均大于泥化夹层饱水前;拉筋轴力的最大值并不随着输入地震波峰值(PGA)的增加而递增,在汶川地震波激振下,当PGA=0.3 g时达到峰值;拉筋预应力的损失值随着高程的增加而增大,随着输入地震波峰值的增加而收敛。     

基于行人保护的SUV前保险杠防撞系统优化

为减小SUV车型在人车碰撞中对行人小腿的伤害,文章对SUV车型前保险杠造型进行了优化。分析了上支撑与下支撑布置和材料对小腿碰撞伤害值的影响,结果表明,当前保险杠上支撑安装位置处于小腿上部质心以下时,上支撑与小腿上部质心距离及上支撑材料对胫骨加速度值影响较大,上支撑与下支撑距离与下支撑材料对剪切位移影响较大。采用优化后的前保险杠防撞系统有效地控制了行人小腿伤害值,有利于该车型行人保护性能的提升,为以后SUV车型行人保护前保险杠防撞系统设计提供一些参考。