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基于静态冲击的WorldSID与ES—2假人特性对比研究

2017-01-11 17:53:19 汽车工程学报 2016年6期

刘玉云+岳鹏+郑颢+欧阳俊+卢静

摘 要:基于新的侧面碰撞假人WorldSID与ES-2假人结构上的不同,为进一步研究两种假人在性能上的差异,采用静态冲击的方法对两种假人的肩部、胸部、腹部及盆骨的响应特性进行了对比分析。结果表明,WorldSID假人整体上的刚度比ES-2假人的刚度低。主要体现在当假人在y向承受相同的冲击时,WorldSID假人受力更低,加速度更低,肋骨位移更大。在承受45°斜角冲击时,WorldSID假人的胸部肋骨与ES-2假人胸部肋骨表现出明显不同的特性,该工况下WorldSID假人肋骨位移比ES-2假人的肋骨位移小。

关键词:侧面碰撞;WorldSID;ES-2;静态冲击

中图分类号:U461.91 文献标文献标识码:A文献标DOI:10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.12

Abstract:Based on the structure differences between a new side impact dummy of WorldSID and ES-2, in order to further study the difference in performance between WorldSID and ES-2,the responses of the shoulder, thorax, abdomen and pelvis to static impact loading were compared for both dummies. The results show that the stiffness of the WorldSID dummy is lower than that of ES-2. Under the y-directional impact, the WorldSID exhibited lower force, lower acceleration and larger rib deflection. Under the 45° oblique impact, the rib deflection of the WorldSID dummy is lower than that of the ES-2 dummy.

Keywords:side impact; WorldSID; ES-2; static impact

据统计,全球发生的汽车事故中,侧面碰撞约占30%,在全部的致人死亡或重伤的事故中,侧碰约占35%。根据美国高速公路安全保险协会(IIHS)统计,2012年美国发生致人死亡或重伤的交通事故中,侧面碰撞占比约为26%。欧洲的道路安全统计数据显示,在欧洲发生的致人死亡或重伤的交通事故中,侧面碰撞占比约为25%[1]。

正是由于侧面碰撞的高发生率和高致死率,对侧面碰撞中的乘员保护进行研究就显得极为重要[2-3]。近年来,各国对汽车安全的重视程度越来越高,为了保证汽车的安全性能,制定了一系列的检验标准。同时,为了进一步鼓励汽车厂商研发更加安全可靠的汽车,最先由美国制定的新车评价体系(NCAP),对汽车安全提出了更高的要求。这一评价体系相继在全球各个国家和地区得到推广。我国也建立了自己的新车评价体系(C-NCAP),为我国汽车安全性能的提高起到了重要作用。

然而,尽管各个国家和地区建立了一系列严苛的检验标准以保证车辆在发生事故时为乘员提供可靠的保护,但在这些严苛的检验中,被广泛用于侧面碰撞的ES-2试验假人却只有较低的生物仿真度。因此,迫切需要研发一种新的具有较高生物仿真度的假人,取代现有的试验假人,以提高测试工作的有效性,进一步提高汽车的安全性能[4]。正是基于这种背景,在国际标准化组织的倡导下,研发出了新的侧面碰撞假人WorldSID。相比于ES-2假人,WorldSID假人具有较高的生物仿真度,同时假人结构也更接近真实的人体。

当前WorldSID假人已投放市场,各类检验机构也开始对新的侧碰WorldSID假人进行评估,各大汽车研发机构也迫切需要了解WorldSID假人与ES-2假人的差异,以及可能对新的汽车安全研发带来的影响。因此,研究WorldSID假人与ES-2假人的差异以及它们在侧面碰撞下的响应,对于汽车安全性能的开发具有重要意义。国内外学者都进行了相关的分析研究,比如同济大学的李丽、朱西产等根据WorldSID假人的文献资料,基于多刚体模型进行了对比研究,分析了WorldSID假人与ES-2假人在物理构造上的差异,并总结了这些差异可能带来的影响[4]。中国汽车技术研究中心的刘磊等从假人的生物特性及损伤测量等试验评价的角度进行了对比分析[5]。在国外,Iwata等对比分析了WorldSID假人和ES-2假人在侧面柱碰撞试验中的响应差异[6]。Kim等从生物仿真度的角度对WorldSID假人和ES-2假人进行了深入的对比[7]。

虽然已有不少学者进行了相关研究,但是对两种假人各部位的损伤响应差异的研究还比较少。由于WorldSID假人比ES-2假人具有更高的生物仿真度,WorldSID假人的损伤更接近真实的人体损伤情况,因此,研究两种假人在受到冲击时的响应差异,对于研究更有效的侧面碰撞约束系统有着重要的意义。

本文从关注损伤响应的角度,基于WorldSID假人和ES-2假人有限元模型,采用静态冲击的方法,研究两种假人在相同碰撞条件下的损伤响应差异,为侧面碰撞的保护提供参考。

1 假人结构的对比

为了分析WorldSID假人与ES-2假人的侧面碰撞响应,首先需要了解两种假人物理结构上的差异。从图 1可以看出两种假人在外形及内部结构上存在明显差异,WorldSID假人的肩部、胸部、腹部都采用不同的设计[6]。由表 1可知,WorldSID假人胸部、腹部及盆骨的尺寸比ES-2假人略大[4,6]。

2 分析方案

作为基础对比研究,分析两种假人在承受相同侧面冲击时的响应,不考虑假人与车辆侧面冲击时相互作用的影响。利用整车或滑台测试对假人进行整体分析无法排除车身侧面结构或滑台接触面差异对假人的影响,也无法排除假人其它部位对分析部位的影响,所以选择对假人的单个部位进行对比,包括假人肩部、胸部、腹部、及盆骨的响应。

基于上述分析目的,采用标准的冲击标定方法是可行的对比方法。标准的标定方法是使用23.4 kg的标准摆锤以标准的速度冲击假人的分析部位,分析该部位的响应。

WorldSID假人的脊柱不能独立支撑躯干[8],为了更真实地模拟实际情况,保证环境参数的一致性,在仿真中,两种假人都被摆放在WorldSID的标准座椅上,如图 2所示。

参考WroldSID假人的标定速度,选择3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s的速度作为分析速度,根据整车试验的经验,3~6 m/s的速度区间能适应大部分整车试验中车身侧面的侵入速度。

在胸部肋骨位移响应分析中,考虑到在实际应用中,气囊展开时会将手臂移开,因此分析中没有考虑手臂对假人胸部的影响。为了模拟整车中气囊从左后方向作用于假人的效果,增加左后45°斜角的冲击对比。分析见表 2。

3 结果分析

3.1 肩部受力

在假人肩部受力分析中,手臂受到冲击时会挤压假人胸部的第一根肋骨,对胸部第一根肋骨的影响很关键,因此,在肩部受力分析时,选择肩部受力及胸部上肋骨的位移量Du作对比,分析两种假人的差异。

假人在不同速度冲击下的左肩y向受力Fy如图3所示。结果显示,在相同的冲击速度下,WorldSID假人的肩部受力低于ES-2假人的肩部受力,冲击速度越高差别越明显。造成这种结果的原因可能是由于WorldSID假人的胸部刚度比ES-2假人低。

由图 4可知,WorldSID假人肩部在不同速度的冲击下x向基本不受力,但ES-2假人肩部的x向受力Fx随冲击速度的增加而明显增加。造成这种差异的原因在于两种假人具有不同的肩部结构。如图 5和图 6所示[8-9],WorldSID假人的肩部结构前后对称,在受到y向冲击时,容易保持稳定,ES-2假人弧形的肩部结构导致假人在受到y向冲击时不稳定,容易向假人前方滑动,导致肩部x向受力增加。

图 7是假人胸部上肋骨位移图,从图中可以看出WorldSID假人的上肋骨位移Du要明显高于ES-2假人的上肋骨位移。结合肩部受力分析,造成这一结果的原因可能是WorldSID假人的肩部较ES-2手臂软,在受到相同的冲击时,肩部的变形较大,手臂对下端肋骨的挤压增加。同时,ES-2假人的肩部在受到y向冲击时,肩部有向前移动的趋势,带动手臂向前运动, 导致手臂对肋骨的挤压减小。

3.2 胸部位移

对两种假人的胸部肋骨进行静态冲击,上、中、下肋骨位移Du、Dm、Dl如图 8、图 9和图 10所示。

仿真结果表明,在相同的冲击下,WorldSID假人的肋骨位移整体都高于ES-2假人的肋骨位移,速度越高差别越明显。造成这一区别的原因可能是WorldSID假人的胸部肋骨结构刚度较ES-2假人的胸部肋骨结构刚度低。

3.3 胸部肋骨的补充分析

为了对比两种假人胸部肋骨在斜角冲击下的表现,增加左斜后方45°角的冲击分析,如图 11所示。

由于篇幅有限,只列出第二肋骨(中肋骨)不同速度下的位移变化,如图 12所示。由图可知,ES-2假人的肋骨位移明显高于WorldSID假人的胸部位移,且WorldSID假人的肋骨位移保持在较低水平。造成这种差异的原因在于两者不同的胸部肋骨结构(图 1),ES-2假人在受到冲击时肋骨形状不变,但WorldSID假人的环形结构导致在受到斜向冲击时,肋骨环形结构被压成椭圆且容易绕脊柱转动。因此,WorldSID假人的肋骨位移低于ES-2假人,且明显低于y向冲击的肋骨位移(图 9、图 12)。

3.4 腹部受力

对两种假人的腹部进行静态冲击,由于两种假人胸部的评价指标不同,在对比分析中,为保证两者的一致性,提取两种假人都有且位置相近的力Fl和加速度al作对比。分别选取两者的腰椎力, WorldSID T12的加速度,ES-2脊柱下端的加速度。仿真结果如图 13和图 14所示。

图 13中,ES-2假人的加速度上升斜率较World-SID假人的大,说明WorldSID假人腹部区域的刚度较ES-2假人的腹部刚度低。图 14中,假人的腰椎力在低速冲击时,WorldSID假人的y向剪切力大于ES-2假人。这种现象可能是由两种假人的腹部结构差异造成,WorldSID假人上躯干相对盆骨运动更灵活。

如图 15所示,侧面冲击腹部时,WorldSID假人的盆骨基本不在冲击范围内,冲击假人腹部,腹部与盆骨的相对运动剧烈,腰椎受力较大。但ES-2假人的盆骨一部分位于腹部冲击区域内,造成在腹部冲击时,ES-2假人的盆骨伴随腹部整体移动,假人的上躯干与盆骨的y向相对运动强度减弱,受力较低。这一点从腹部冲击分析中,两种假人的盆骨加速度ap变化可以得到验证,如图 16所示。在腹部冲击分析中,WorldSID假人盆骨加速度要明显低于ES-2假人的盆骨加速度。

3.5 盆骨受力

分别对两种假人的盆骨进行静态冲击,仿真结果如图 17和图 18所示。在相同速度冲击下,WorldSID假人耻骨力Fi及盆骨加速度ap均低于ES-2假人。这表明在侧面冲击下,WorldSID假人表现出的盆骨整体刚度低于ES-2假人, WorldSID假人的损伤也会低于ES-2假人。

4 结论

采用静态冲击的方法,对WorldSID与ES-2两种侧面碰撞假人的特性进行了对比分析,通过对比假人的肩部、胸部、腹部及盆骨的受力、位移及加速度变化,得出以下结论。

(1)WorldSID假人整体刚度较ES-2假人的刚度低,具体表现在承受相同冲击时,受力降低,变形增加。

(2)相比ES-2假人,WorldSID假人的肩部在受到侧面冲击时,更容易保持稳定,但也更容易对上肋骨造成挤压。

(3)WorldSID假人与ES-2假人在承受45°斜角冲击时表现出明显不同的特性,WorldSID假人肋骨容易发生偏转,肋骨位移有明显的降低。

参考文献(References):

MCNEILL A,HABERL J,HOLZNER M,et al. Current Wordwide Side Impact Activities-Divergence Versus Harmonisation and the Possible Effect on Future Car Design[C]//Proceedings of the 19th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles(ESV),June 6-9,2005,Washington DC,USA. [S.l.]:[s.n.],c2005:5-77.

杨济匡,覃祯员,王四文,等. 轿车侧面柱碰撞结构响应与乘员损伤研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版),2011,38(1):23-28.

YANG Jikuang,QIN Zhenyuan,WANG Siwen,et al. Study of the Structural Response and Occupant Injury in Side Pole Impact to a Passenger Car[J]. Journal of Hunan University(Natural Sciences),2011,38(1):23-28.(in Chinese)

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