1 引言

汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)在我國(guó)剛剛開展，清華大學(xué)汽車碰撞試驗(yàn)室根據(jù)1998 年機(jī)械工業(yè)局集編的《機(jī)動(dòng)車側(cè)碰乘員防護(hù)認(rèn)證規(guī)定》（CMVDR295），已進(jìn)行了數(shù)次汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)，對(duì)開展汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)和側(cè)面碰撞吸能材料進(jìn)行了一些研究工作。汽車側(cè)面碰撞事故是我國(guó)發(fā)生頻次較高、造成嚴(yán)重受傷人數(shù)較多的交通事故。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，1998年汽車側(cè)面碰撞事故的發(fā)生率占整個(gè)交通事故的31.56％，嚴(yán)重受傷人數(shù)占30.15 ％，都超過了正面碰撞事故相應(yīng)的數(shù)據(jù)。因此，提高汽車側(cè)面碰撞乘員的保護(hù)性能的研究很有必要。

2 側(cè)面碰撞試驗(yàn)吸能材料研究

側(cè)面碰撞法規(guī)中的移動(dòng)壁前方安置了一塊蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能材料，用來(lái)模擬兩車發(fā)生側(cè)面碰撞事故中沖擊車輛的車頭剛度情況。移動(dòng)可變形壁障（MDB）的特性值（質(zhì)量、形狀和剛度）是依據(jù)各國(guó)的汽車特性來(lái)模擬的，歐洲和美國(guó)法規(guī)體系中關(guān)于MDB 的規(guī)定也有很大不同。目前我國(guó)的側(cè)面碰撞法規(guī)草案是根據(jù)ECE R95 編寫的，關(guān)于吸能材料的特性也與歐洲法規(guī)一致。

汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)中所必須的標(biāo)準(zhǔn)吸能材料為消耗性材料，目前只能通過進(jìn)口獲得，價(jià)格比較昂貴，且采購(gòu)周期較長(zhǎng)。為了在我國(guó)順利開展側(cè)面碰撞研究，必須解決標(biāo)準(zhǔn)變形材料的來(lái)源問題?；谖覈?guó)的材料來(lái)源，清華大學(xué)汽車碰撞實(shí)驗(yàn)室對(duì)大量的可能替代材料進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究，提出了通過多種材料組合成的吸能結(jié)構(gòu)。通過試驗(yàn)證實(shí)，所試制的吸能結(jié)構(gòu)達(dá)到了法規(guī)要求，大幅度降低了成本，取得了良好的效果。

2.1 側(cè)撞試驗(yàn)法規(guī)對(duì)于碰撞壁障的規(guī)定

汽車側(cè)面碰撞法規(guī)對(duì)試驗(yàn)中使用的標(biāo)準(zhǔn)吸能結(jié)構(gòu)有詳細(xì)的規(guī)定：碰撞材料為鋁制蜂窩狀結(jié)構(gòu)，碰撞壁由六個(gè)獨(dú)立塊組成，法規(guī)中不僅規(guī)定了碰撞壁整體的吸能特性，還給出了每一塊的力－變形特性。但法規(guī)中也注明，對(duì)于滿足特性規(guī)定的其他材料，經(jīng)有關(guān)機(jī)構(gòu)認(rèn)可后，亦可以在側(cè)撞法規(guī)中使用。因此本文中的吸能結(jié)構(gòu)的研制主要集中在對(duì)不同國(guó)產(chǎn)材料或規(guī)格的選取。

2.2 替代材料試驗(yàn)及結(jié)果分析

在研究過程中對(duì)包括泡沫塑料、泡沫鋁、多種規(guī)格的芳倫紙蜂窩、鋁蜂窩，以及紙制蜂窩材料等多種材料進(jìn)行了靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，考察其力－變形特性，確定能用于汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)的材料及組合。

法規(guī)中要求的材料特性大致表現(xiàn)為三個(gè)階段：壓力線性增加達(dá)到抗壓極限－壓力下降至較穩(wěn)定的抗壓強(qiáng)度－變形完畢壓力開始增加。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，芳倫紙材料膠粘表現(xiàn)出明顯的不均勻性，導(dǎo)致其在變形過程中壓力不斷升高。圖1 為芳倫紙蜂窩的特性曲線，這種材料結(jié)構(gòu)的不均勻性將會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果的不確定性增加，難以作為標(biāo)準(zhǔn)碰撞吸能結(jié)構(gòu)的選用材料。理想的泡沫鋁具有良好的碰撞響應(yīng)特性，但由于目前泡沫鋁生產(chǎn)工藝水平所限，其發(fā)泡工藝和發(fā)泡的尺寸很難控制，試驗(yàn)中選用的泡沫鋁由于工藝的不均勻性表現(xiàn)為靜態(tài)壓縮特性的穩(wěn)定階段壓力不斷升高。盡管泡沫塑料對(duì)其工藝性有一定的保證，但靜壓特性在整個(gè)壓縮階段同樣表現(xiàn)為壓力－變形特性曲線不斷升高，并且上升幅度很大，難以實(shí)現(xiàn)法規(guī)要求的壓縮響應(yīng)特性。

圖1 芳倫紙蜂窩特性曲線 圖2 鋁蜂窩靜壓特性

通過試驗(yàn)篩選，紙制蜂窩和鋁蜂窩材料的靜態(tài)壓縮特性比較理想，如圖2 所示。在穩(wěn)定的褶皺屈曲階段，靜態(tài)壓縮載荷變形曲線表現(xiàn)出良好的特性，可以作為標(biāo)準(zhǔn)吸能材料結(jié)構(gòu)的備選材料。國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)吸能結(jié)構(gòu)也都是利用鋁蜂窩材料，國(guó)內(nèi)鋁蜂窩的用途還主要集中在剛度加強(qiáng)，其規(guī)格型號(hào)不多，為組成符合法規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)吸能結(jié)構(gòu)增加了難度。

通過對(duì)可能采用的材料的大量試驗(yàn)，選定了組成側(cè)撞用吸能結(jié)構(gòu)的材料，根據(jù)法規(guī)的載荷特性要求提出了組合方案，并用不同的材料組成了所需的結(jié)構(gòu)。以第二塊吸能結(jié)構(gòu)為例，圖3 所示為由不同規(guī)格的紙制蜂窩和鋁蜂窩組成的吸能材料，圖4 是該側(cè)撞吸能結(jié)構(gòu)的靜壓試驗(yàn)結(jié)果和法規(guī)要求特性的對(duì)比。可以看出該吸能快的靜態(tài)壓縮載荷變形曲線表現(xiàn)出良好的力學(xué)特性，可以作為標(biāo)準(zhǔn)吸能材料結(jié)構(gòu)的備選材料。而且新材料的成本相對(duì)于進(jìn)口材料的價(jià)格較低，降低了試驗(yàn)成本，為側(cè)撞標(biāo)準(zhǔn)吸能材料的國(guó)產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。

3 汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)方法研究

3.1 側(cè)面碰撞運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及試驗(yàn)場(chǎng)地布置

國(guó)內(nèi)汽車正面碰撞開展的比較早，一些汽車碰撞試驗(yàn)場(chǎng)地是以正面碰撞試驗(yàn)而規(guī)劃的。隨著汽車安全法規(guī)的不斷完善，有關(guān)汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)的研究也得到了發(fā)展。清華大學(xué)汽車碰撞試驗(yàn)室根據(jù)1998 年機(jī)械工業(yè)局集編的《機(jī)動(dòng)車側(cè)碰乘員防護(hù)認(rèn)證規(guī)定》（CMVDR 295），對(duì)側(cè)面碰撞研究做了大量的工作，硬件和軟件設(shè)施都具備了側(cè)面碰撞試驗(yàn)的要求。

本次側(cè)面碰撞試驗(yàn)是在正面碰撞試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，在原有場(chǎng)地上依據(jù)側(cè)面碰撞法規(guī)進(jìn)行做了些規(guī)劃，圖5 是試驗(yàn)室場(chǎng)地布置簡(jiǎn)圖。在試驗(yàn)過程中，導(dǎo)向裝置用緩沖器進(jìn)行制動(dòng)后與移動(dòng)壁分離，使移動(dòng)壁以（50 ± 1） km/h 的速度撞擊被測(cè)車輛，且與被測(cè)車輛不能發(fā)生二次碰撞。在試驗(yàn)中被測(cè)車輛位置應(yīng)適當(dāng)，以避免導(dǎo)向裝置影響碰撞過程。

在試驗(yàn)之前先對(duì)汽車側(cè)面碰撞過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，討論其是否滿足試驗(yàn)室場(chǎng)地條件，以便配合場(chǎng)地中燈光和攝像設(shè)備的布置。圖6 是簡(jiǎn)化的側(cè)撞動(dòng)力學(xué)模型，移動(dòng)壁以一定速度撞擊被測(cè)車，移動(dòng)壁的動(dòng)能最后轉(zhuǎn)化為三部分的能量：移動(dòng)壁頭部吸能材料和被測(cè)車輛車門變形吸能，以及摩擦力的能量損耗。

圖5 試驗(yàn)室場(chǎng)地布置簡(jiǎn)圖

圖6 側(cè)面碰撞動(dòng)力學(xué)模型

為研究方便，假設(shè)移動(dòng)壁與被測(cè)車發(fā)生完全非彈性碰撞，對(duì)此模型進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可以估算出被測(cè)車輛在碰撞后的位移。設(shè)移動(dòng)壁質(zhì)量為m1，碰撞時(shí)刻速度V1，可知系統(tǒng)總動(dòng)能為。

移動(dòng)壁吸能材料特性曲線如圖7 所示。

圖7 吸能材料特性曲線

根據(jù)法規(guī)中關(guān)于碰撞過程中吸能材料的變形限度，設(shè)其壓縮量為350mm，簡(jiǎn)化積分后得到其吸收的能量E吸。

其余能量作為整個(gè)平面運(yùn)動(dòng)剛體系的總動(dòng)能

另外，法規(guī)中要求移動(dòng)可變形壁障與被測(cè)車不發(fā)生二次碰撞。根據(jù)對(duì)側(cè)面碰撞分析研究，在碰撞發(fā)生后200ms 時(shí)對(duì)移動(dòng)壁進(jìn)行制動(dòng)，此時(shí)碰撞變形過程結(jié)束。

由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的輪胎與地面滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ，移動(dòng)壁阻力f ，計(jì)算得到碰撞后200ms 移動(dòng)壁和被測(cè)車的滑行距離S1。

移動(dòng)壁被制動(dòng)后，被測(cè)車在地面滑動(dòng)阻力作用下停止，滑動(dòng)距離為

則碰撞過程中被測(cè)車總移動(dòng)距離為S＝S1+S2。分析中未考慮車門變形時(shí)對(duì)能量的損耗以及被測(cè)車轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能，故計(jì)算結(jié)果偏大，被測(cè)車實(shí)際滑行距離應(yīng)不大于3.2m。

上述計(jì)算得到的是車輛質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)情況，碰撞過程中被測(cè)車將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，車身轉(zhuǎn)動(dòng)也應(yīng)在場(chǎng)地規(guī)劃中進(jìn)行考慮。被測(cè)車所受的平均力矩

其中，F 是移動(dòng)壁對(duì)被測(cè)車的平均作用力，由應(yīng)力－變形曲線可求出。Ff、Fr分別為前、后輪與地面的滑動(dòng)摩擦力，其中

被測(cè)車轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ，Ic 是被測(cè)車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。對(duì)微分方程求解，可估算出被測(cè)車碰撞后的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ= 28°。

3.2 ES-2 型側(cè)撞假人的標(biāo)定

碰撞用試驗(yàn)假人在最初投入使用以及使用過一段時(shí)間以后，為了驗(yàn)證其仿生擬真性能，必須對(duì)假人進(jìn)行標(biāo)定。由于ES-2 型假人作為新的國(guó)際統(tǒng)一性側(cè)撞假人，論文中對(duì)ES-2 假人標(biāo)定方法進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。ECE R95 中以EUROSID-1 型假人為例，對(duì)于在側(cè)面碰撞試驗(yàn)中的假人進(jìn)行了規(guī)范，并對(duì)假人標(biāo)定方法進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。需要進(jìn)行標(biāo)定的部位有頭部、頸部、肩部、腰椎、腹部、肋骨和骨盆。如圖8 所示。

圖8 假人標(biāo)定示意圖

我們對(duì)試驗(yàn)室原有的Hybrid III 型假人標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了改進(jìn)，使之能夠進(jìn)行側(cè)撞假人各部位的標(biāo)定。原有的胸部標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)增加了對(duì)肩部、腹部和骨盆的標(biāo)定功能，頸椎試驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)后也可用于對(duì)腰椎的標(biāo)定。

此外，還設(shè)計(jì)制造了肋骨標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)側(cè)撞假人的肋骨進(jìn)行了標(biāo)定，圖9 是肋骨標(biāo)定試驗(yàn)中的照片。在側(cè)面碰撞法規(guī)試驗(yàn)中，假人的傷害指標(biāo)是影響試驗(yàn)結(jié)果的主要因素。因此，側(cè)撞假人的使用是側(cè)面碰撞試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，側(cè)撞假人的維護(hù)和標(biāo)定工作必不可少。

圖9 標(biāo)定肋骨時(shí)的效果圖

3.3 試驗(yàn)電測(cè)量結(jié)果討論及圖像運(yùn)動(dòng)分析

經(jīng)過了充分的理論分析與試驗(yàn)準(zhǔn)備，依據(jù)側(cè)面碰撞法規(guī)進(jìn)行了側(cè)面碰撞的試驗(yàn)。圖10 為試驗(yàn)中移動(dòng)壁和被測(cè)車的運(yùn)動(dòng)情況。其中，圖10a）為碰撞起始時(shí)刻，圖10b）為吸能材料變形結(jié)束，兩車開始一起運(yùn)動(dòng)，圖10c）所示為移動(dòng)壁開始制動(dòng)，圖10d）所示為被測(cè)車停止運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

圖10 移動(dòng)壁和被測(cè)車運(yùn)動(dòng)情況

圖11 是車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的假人頭部加速度信號(hào)及合成，結(jié)合圖像運(yùn)動(dòng)分析可以看出，頭部加速度峰值出現(xiàn)在碰撞后53ms，是由假人頭部后側(cè)面與B 立柱撞擊產(chǎn)生的。本次試驗(yàn)假人頭部HIC 值計(jì)算結(jié)果為700左右，其他部位傷害指標(biāo)也都滿足側(cè)撞法規(guī)要求。

圖11 假人頭部三向加速度及合成

圖12a）和b）所示為假人肋骨變形及其粘性指數(shù)(VC)，圖12c）和d）分別為假人腹部力合成和骨盆力。其中比較值得注意的是假人肋骨的變形和粘性指數(shù)。由于本次側(cè)撞試驗(yàn)中使用的是ES-2型側(cè)撞假人，對(duì)比同樣車型中EUROSID-1 假人肋骨數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，ES-2 假人在試驗(yàn)中所發(fā)生的肋骨傾斜特性會(huì)稍有不同，表現(xiàn)為肋骨變形特性會(huì)稍圓，沒有表現(xiàn)出EUROSID-1 假人的肋骨峰值平緩特性。反映到粘性指數(shù)上，有可能出現(xiàn)兩個(gè)峰值，如圖8 中的上側(cè)肋骨粘性指數(shù)所示。世界范圍內(nèi)關(guān)于ES-2 和EUROSID-1 在整車試驗(yàn)中參數(shù)的研究也在繼續(xù)開展中，特別被關(guān)注的就是肋骨的變形和粘性指數(shù)的比較，更進(jìn)一步的分析還有待于更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累。

圖12 假人各部位響應(yīng)曲線

通過圖像分析系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，可以完成對(duì)序列圖像中多個(gè)特定目標(biāo)坐標(biāo)信息的自動(dòng)標(biāo)識(shí)和跟蹤，形成所有目標(biāo)的時(shí)間序列坐標(biāo)庫(kù)。這樣不僅可以方便的以點(diǎn)來(lái)表示目標(biāo)，自動(dòng)記錄其坐標(biāo)值，還可以方便的綜合利用點(diǎn)、線、平面和橢圓來(lái)概括抽象出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)及其環(huán)境的位移，自動(dòng)記錄其位移關(guān)系形成時(shí)間序列，這樣就可以對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)及其環(huán)境進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的分析。圖13 所示為碰撞開始后50ms 的被測(cè)車。跟蹤假人頭部的標(biāo)志橢圓可以看出在碰撞發(fā)生后50ms 左右，假人頭部撞擊到變形內(nèi)陷的B 柱。圖14 是跟蹤車身標(biāo)志點(diǎn)獲得的車速和加速度信息。圖14a）、14b）分別是移動(dòng)壁的位移和速度曲線，圖14c）、14d）分別是被測(cè)車的位移和速度曲線。

圖13 碰撞過程圖像運(yùn)動(dòng)分析(t=50ms 時(shí)刻)

圖14 圖像運(yùn)動(dòng)分析獲得的位移和速度曲線

根據(jù)圖像分析和實(shí)際測(cè)量的結(jié)果來(lái)看，移動(dòng)壁和被測(cè)車的運(yùn)動(dòng)方式不是理想化的完全非彈性碰撞，這一點(diǎn)可以從移動(dòng)壁和被測(cè)車速度變化中得到。如圖14 所示，碰撞結(jié)束后移動(dòng)壁和被測(cè)車以不同的速度運(yùn)動(dòng)，說明此時(shí)移動(dòng)壁已經(jīng)和被測(cè)車輛分離，而被測(cè)車在地面摩擦力作用下作勻減速運(yùn)動(dòng)。通過圖像運(yùn)動(dòng)分析，我們獲得了移動(dòng)壁和被測(cè)車更確切的運(yùn)動(dòng)信息。圖像運(yùn)動(dòng)分析也提供了電測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法采集的信息，是電測(cè)量數(shù)據(jù)的有力補(bǔ)充，有助于我們更詳細(xì)的了解整個(gè)碰撞過程并開展研究。

4 總結(jié)

本文根據(jù)CMVDR 295 的規(guī)定，對(duì)汽車側(cè)面碰撞進(jìn)行了一系列研究工作。以某某國(guó)產(chǎn)轎車的汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)為背景，通過電測(cè)量，圖像運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)對(duì)碰撞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析研究。這些技術(shù)手段不僅提供了汽車碰撞檢測(cè)結(jié)果，也為今后進(jìn)一步的研究，如側(cè)面碰撞模擬計(jì)算的開展奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，試驗(yàn)室根據(jù)法規(guī)中對(duì)汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)中使用的吸能結(jié)構(gòu)的規(guī)定，對(duì)鋁蜂窩材料和多種吸能材料的力學(xué)特性進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，提出了多種材料組合結(jié)構(gòu)的替代方案。

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