第35卷第1O期 文章编号:1006—9348(2018)10—0198—05 计算机仿真 2018年10月 基于不同重合率客车追尾碰撞的仿真研究 田金鑫 .申福林 (1.南京航空航天大学,江苏南京210016; 2.长安大学,陕西西安710064) 摘要:为了研究不同重合率对客车追尾碰撞车身后部结构和车内乘员安全性的影响,建立了6127型客车40%偏置碰撞和 100%重合率客车追尾碰撞有限元模型,分别进行追尾碰撞有限元的仿真计算,对比分析在两种重合率追尾碰撞下车身后部 结构的变形、座椅头枕处的加速度、车内假人颈部的损伤值Nkm和后排座椅的位移变化量,发现40%偏置追尾碰撞时的强 度小于100%重合率碰撞强度,但40%偏置追尾碰撞导致客车后部的车身变形相对较大,建议用来评价客车车身结构的安 全性;100%重合率追尾碰撞可用来评价车内乘员颈部损伤程度,两种碰撞方式不可相互替代。 关键词:客车;碰撞重合率;追尾碰撞;计算机仿真 中图分类号:U462 文献标识码:B Simulation Study of Passenger Car Based On Collision 0f Different Coinsidence Rate TIAN Jin—xin .SHEN Fu—lin (1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing Jiangsu 210016,China; 2.Changhn University,Xihn Shanxi 710064,China) ABSTRACT:In order to research the extent of the impact OU the rear of vehicle structure and passenger safety, which based on different coincidence rates in the case of bus rear—end collision.the paper established a finite ele— ment model with coincidence rate of 100%and 40%of the 6127一Type bus.and simulated the rear—end collision situation.Based on the following data,such as the degree of deformation of the rear of the body,the different accel— erations of the seat headrest,the damage value Nkm of dummy’S neck and the displacement change of rear seat,the simulation resuhs show that,in the case of rear collision,the collision strength of 100%collision rate is greater than that of 40%collision rate,and the degree of deformation of the rear of the body of 40%collision rate is larger than that of 100%collision rate.It confirms that the two collisions cannot be substituted for each other. KEYWORDS:Coach;Coincidence rate of collision;Rear—end collision;Computer simulation 合率追尾碰撞对客车安全性的影响,笔者建立6127型客车 1 引言 针对汽车正面碰撞的安全性,欧洲采用与实际交通事故 40%偏置和100%重合率的追尾碰撞模型,对比分析碰撞重 合率在客车追尾碰撞试验中对车身后围结构及车内乘员安 全性的影响。 形态最接近的40%偏置变形壁障试验,并于1998年修订 ECE R94使用40%偏置变形壁障试验 J。然而,目前国内部 分高校及汽车厂家进行汽车追尾碰撞方面的研究时,进行追 尾碰撞研究时大多为100%重合率的碰撞分析 J。现有的 研究表明40%偏置变形壁障碰撞试验和100%重合率的碰 2有限元模型的建立 2.1显示有限元算法及理论基础 汽车碰撞的过程非常短,是一个复杂的物理变化过程, 具有几何非线性和材料非线性等多重非线性。本文中追尾 撞试验对整个车身的后围结构变形、乘员的颈部损伤和座椅 头枕处的加速度的影响不尽相同。为了进一步确定不同重 收稿日期:2017—06—17 ~碰撞模拟仿真是以显示非线性有限元理论作为理论基础。 对于非线性问题,若弹性系统的刚度系数k为位移 的函 数,可得其运动方程为 l98一 m +c五+k(“) =P(t) (1) 2.2车身结构几何模型的建立 式中,五为加速度; 为速度;u为位移;P(1)为外力。 进行有限元求解,式(1)的矩阵形式为 建立几何模型是进行仿真分析的首要条件,为了保证仿 真计算的准确性,在建立实体模型时,应尽量细化实车的各 个重要部件,但为了有效快速的建立几何模型,应当对实车 模型进行适当的简化 l。图1为建立的整车三维实体 模型。 M6+ciJ+KU:JP(t) 式中,M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵。 (2) 进行时间积分时采用显式中心差分法,当已知0,……, tn时间步解时,求tn+l时间步的解,得出的运动方程为 MU(t )=P(t )一 (t )+H(t )一CU(t ) (3) 式中,P(t )为外力向量列阵;F…‘(t )为内力矢量,(F ‘(t, ) =∑fB d1)+ “)为单元力和接触力之和; (£ )为 n 沙漏阻力。 使用显式中心差分法计算时需满足条件稳定,可利用简 单的线性弹簧系统来说明,求出的运动方程为 MO+KU:0 假设 为特征向量矩阵,那么 咖 + K4,U=0 (5) 图1某6127型客车三维实体模型 (4) 2.2.1 网格划分及单元类型选择 客车车身骨架由矩形钢管组焊而成,故在进行有限元网 因为 动方程为 =,, = , 为圆频率,所以tn时刻运 (6) 格划分时,采用壳单元较为合理。有限元网格的密度分布和 单元的尺寸大小对仿真计算结果有重要影响,由于追尾碰撞 仿真研究的重点是客车后嗣结构及乘员的安全性,故在划分 时使用后小前大的网格单元 ‘。客车构件之间采用共节点 的方式连接,其余的连接方式使用无质量焊接形式。 U(t )+∞ U(t ):0 若时间积分采用中心差分法,则 = (7) 2.2.2材料模型 )= 止 (8) 该客车骨架的材料大多为16Mn和Q345,故在仿真中材 料模型选用多线性弹塑性材料模型;在追尾碰撞中客车后部 式中,△f为时间步长。把U(t )代入运动方程(6),则 U(t +I)一(2一cEJ At )U(t )+U(t 一1)=0 (9) 是主要的碰撞接触变形区,发动机、变速器、传动轴等部件的 材料模型选用塑性随动模型来模拟;车轮的材料模型选用弹 性材料。 设U(t )=A ,代人方程(9),差分方程就变为下面的多项式 方程 A 一(2一 At )A+1=0 (10) 2.2.3各总成质量的加载 为了保证仿真的准确性,使所建模型质量与实际质量相 符,可通过适当调整客车发动机和变速器总成的材料密度来 当n— 时,若U(t )是有界函数时.该方程就可以得到稳定 解,但这时要求l A l≤1,即满足稳定条件的临界时间步长 △f为 At≤At = (11) 实现,并将乘员、空调等部件以刚性连接集中质量点的方式 加载到车身骨架附近的节点上,图2为某6l27型客车加载 质量后的有限元模型。 式中, …为有限元网格的最大自然角频率。 在线性的两节点单元中可以表示为 =4c /l (12) 刚 式中,c为声波在介质中的传播速度,z为单元长度。 根据式(12)可知,为了保证在仿真中使其不穿透最小单 元,其积分步长应足够小。对于常用的线性弹性材料,往往 其临界时间步长是由最小单元的尺寸、模型的材料密度和弹 性特性决定的。 因此,有限元仿真分析计算中,有限元网格中的最小单 图2某6127型客车质量加载后的有限元模型 元尺寸决定着计算的时间步长,网格尺寸越小,最终使△l越 小,仿真的计算时间变长。故进行有限元网格划分时,应尽 量避免单元尺寸过小导致仿真计算时间急剧增加_4 。 2.3乘员约束系统有限元模型的建立 2.3.1 碰撞假人有限元模型的导入 假人是汽车碰撞试验中的一个重要检测工具,现在主要 一199— 采用Hybidm、EuroSID和BioRID lI假人模型 J。本文中选 用Hybrid1]150th男性假人来模拟车内乘员,为了真实反映车 它们之间的动、静摩擦系数分圳为0.3、0.2 内乘员的情况,适当调整假人模型的H点和坐姿。 2.3.2安全带有限元模型的建立 汽车座椅安全带按固定形式分为两点式安全带、三点式 安全带和全背式安全带 J。考虑到客车座椅的结构、安装安 全带的位置等原因,仿真中选用两点式腰带(如图3所示), 建立的有限元模型如图4所示。 a)40%偏置碰撞模型 (b)100%重合牢碰撞模删 图5两种重合率追尾碰撞有限元模型 2.6仿真参数的设置 图3 某客车乘客区两点式安全带实物图 根据实际交通事故中统计的客车追尾碰撞及发生事故 时的运行速度,仿真中将有效碰撞速度设置为40km/h;为提 高仿真的准确性,对整个模型施加的重力加速度为9.8m/s ; 由于碰撞过程中的接触面不容易确定,故将模型的碰撞接触 和客车轮胎与地面的接触都设置为自动单面接触;据统汁车 式腰带 辆追尾碰撞过程持续时间约为120~l50ms,将求解时间没置 为130ms;将沙漏系数OH设为0.05,并选用Ls—D5 NA程 序中的第5项沙漏控制类型…。 3仿真结果分析 图4假人、安全带和座椅的有限元模型 3.1后围结构的变形对比 图6所示为某6127型客车进行40%偏置和loo%蓖合 2.3.3座椅有限元模型的建立 在建立座倚有限元模型时,座椅骨架使用实体单元代 替,并与坐垫使用共接点的方式进行连接。在有限元仿真中 座椅骨架采用刚性材料模型,坐垫和靠背使用低密度泡沫材 料模型。 2.4碰撞车辆有限元模型的建立 在客车追尾碰撞仿真中,碰撞车辆的外形尺寸、质心位 率追尾碰撞后客车车身后部结构的变形 。发现40%偏置 碰撞时,车尾碰撞接触侧的结构变形较严重,该客车发动机、 变速器都后置,碰撞后会对其造成严重损坏.导致车辆无法 行驶,另外由于客车后部车身变形较大,车内后部乘员的生 存空间会受到侵入,严重侵害乘员的生命安全;与40%偏置 碰撞相比,100%重合率的追尾碰撞车身后部碰撞接触区域 大,车身后部结构在碰撞时吸收能量多,造成的客车后部结 构变形相对较小,车内后部乘员的牛存空问受侵人小,对乘 员造成的伤害相对有限。 3.2座椅头枕处的加速度对比 置及两车碰撞时的碰撞点等因素都会影响仿真的精度和准 确性 J。故本文参照GB/20071—2006、FMVSS203和FM— VSS204等法规要求,按照某重卡的实际模型,设置其质量与 被撞客车的质量相当(17t),图5所示为最终建立的40%偏 置和100%重合率的追尾碰撞有限元模型。 2.5约束条件 图7和图8所示为40%偏置碰撞、100%重合率追尾碰 撞时座椅头枕处的加速度曲线。在40%偏置碰撞时,由于客 在建立有限元模型时,设置车轮与地面、整车骨架之间 的自接触类型为自动单面接触,设置车轮与地面的动、静摩 擦系数分别为0.6和0.7l 。由于建立座椅有限元模型时,l 碰撞假人和座椅的位置已经确定,将安全带和假人之间的接 触以及假人和座椅之间的接触设置为自动面面接触,并设置 ...——车后部车身结构的刚度较小,碰撞接触 域小,客车后部车 身结构变形比较大,在一定程度上起到缓冲吸能作用,故在 追尾碰撞中其后排乘员座椅头枕处的加速度峰值相对较小, 其值相当于100%重合率追尾碰撞时乘员座椅头枕处加速度 峰值的58%,但因其后部车身结构变形严重,容易侵入乘员 200...—— a)40%偏 (}1)1( %- 合呻: 图6车身后部结构变形图 的,仁仔空 ,导敛4i内后邴乘员受伤严 l()()%重合半 追建碰掩时,南于碰撞接触 域面积较人,追 蚋l撞过 -fI 的能最变化较大,致使牟内乘员庸椅头枕处的JJ【1速度值较 高,奔埸造成年内乘员颈部损伤 r夫I此,为了哇!好的 价车 内乘员的安全性建议采Hj l()0%重合率追 碰捕,当评价 身结构安令性时可采』仃409b偏置追尾碰掩,币点号虑客车后 部 身结构的变形 大小 图7 4O%偏置的座椅头枕处的加速度曲线 图8 100%重合率的座椅头枕处的加速度曲线 3.3假人颈部损伤分析 为 观评价客乍迹 捕『f1乘员的颁部拟f,j情况,存 人1j BC(后排r… )、BR(后排仃侧)干¨BI (后排左侧) 个不 同位置放入假人模 ,进行40%偏 迫尾碰撞和100%重合 苷追尾碰撞仿真汁算 ,表l所爪为提取的三个位置假人预 郎损伤值Nkm 、 9是在40c/c偏置和100%重合率追尾 m掩时乘员预部损伤平均值的对比 、 表1 两种重合率碰撞下假人颈部损伤对比 1 O·8 茎 三o.4 囡 Oo 2 O 札 BR 假人他黄 图9不同重合率乘员颈部损伤值对比 由表1可以行…:40%偏置追尾碰撞时,除_r Nfa指标大 一I:1.0以外,其余评价参数平均位郁小1 1.0,基本满足碰撞 埘车内乘员安全性的要求,由r碰撞rf】的能量大部分被 1 身接触 域发乍变形时吸收,J}致BR位置处假人颈部 的损伤值大于 它l儿j处位置似人预部的损伤值 而100%雨 介丰追尾碰撞坩1 内 处位置乘员颁邪的损伤除Nfa和Nep 两项指标大于1.0外,其余评价参数甲均值郜小于1.0,卡f{比 40%偏置碰撞,Hfj 任碰撞巾能量变化较大,客 后部结 卡勾变形较4""f"tie,吸收 多的碰撞能 ,敝造成的假人硕部损 伤程度比较严蕊 … 9叮看¨;40%偏置追尾碰撞时对乍 内乘员颈部损伤的平均值整体小r 100%重合率追尾碰撞, 故100%重合牢追 碰撞整体强度要大干40%偏置追尾碰 掩,埘车内乘 的颈部损伤造成的危害较大。 3.4后排座椅位移量对比 l0所示为两种匝合率碰撞下乍辆后排座椅的位移 变化曲线 从 r{1【 lJ.以看出,40%偏越碰撞由于碰撞接触侧 收r{碰撞中的大部分碰撞能璇,且后部车身结构的刚度较 小,客车后部结构变形较大,后排鹰椅向前的位移变化量约 为l24ram;而100%厦合率追尾碰撞『f1 j:碰撞时接触 域较 大.客车后部结构的变形较小,所造成的后排座椅最大位移 为26.5II]1]],两种蕾合率追尾碰撞形势下客车后排座倚的 化移量变化差别较大 201— [2] 崔淑娟,陈可明.某车型小重叠碰撞仿真及车体结构优化[J]. 汽车安全与节能学报,2014,5(2):139—144 [3] 杨超,等.一类非耗散的显示时间积分方法[J].振动工程学 报,2015—3:44l一448. E [4] 田金鑫.客车追尾碰撞及载货汽车驾驶室后尾穿透结构安全 性仿真研究[D].长安大学,2012. [5] 张金换,杜汇良,马春生.汽车碰撞安全性设计[M].北京:清 华大学出版社,2010—2. [6] 杨振亮.大型客车追尾碰撞中乘员颈部安全性的影响因素研 究[D].长安大学,2010. [7] Kai—Uwe Schmitt and Markus Muser.HOW to calculate the NKm ∈ 蹬 图l0两种重合率追尾碰撞后排座椅位移量变化曲线 『[J].Working Group on Accident Mechanics 2nd Revision,2003. chanies and Passive Safety Research[c].International Research Council on the Biomechanies of Impact,2006. 8] Pete Thomas,et a1.Future Research Directions in Injury Biome— 4结论 本文通过建立6l27型客车40%偏置和100%重合率两 [9] 赵锋,等.追尾碰撞的车辆稳定性分析与控制[J].重庆理工 大学学报.2016—5. 种形式下的追尾碰撞有限元模型,进行了客车追尾碰撞的有 限元仿真研究,得m两种重合率追尾碰撞时对客车车身后部 结构的影响以及车内乘员颈部损伤的程度大小,由仿真结果 可知:两种追尾碰撞形式不可相互替代,0)4o ̄偏置追尾碰 撞由于在碰撞时接触侧吸收大部分碰撞能量,且车身后部结 构刚度较小,导致车身后部结构的变形较大,建议用来评价 [10] Devendra Gendar.Virtual Testing For Survival Space Require— ment of Commecial Truck[c].Altair Users Conference,Banga— lors,August 3—5.2006. 李林峰,等.基于25%正面碰撞的某乘用车前端结构改进设 计‘[J],中国机械工程,2015,26(17):2400—2405 [12] 彭宇.车与车追尾碰撞的驾驶室颈部损伤研究[Dj.湖南大 学,2016. 客车车身结构的安全性;②100%重合率的追尾碰撞强度大 于40%偏置追尾碰撞,其对车内乘员的颈部损伤危害较大, 建议用来评价车内乘员颈部损伤程度,也可作为验证车内座 椅和吸能装置好坏的有效手段。 [作者简介] 田金鑫(1983一),男(汉族),河南省项城市人,博 士生在读,主要研究领域为结构振动与噪声控制、 参考文献: [1] 崔崇桢.多种典型T况下的汽车正面碰撞性能协同优化[D] 湖南大学,20l4. 车身结构安全性研究。 申福林(1951一),男(汉族),四川省蓬溪人,教授, 硕士研究生导师,主要研究领域为公路高速客车、 (上接第157页) [7] 章萌,袁海文.基于ARM--DSP的嵌入式配电终端设计[J]. 业仪表与自动化装置,2007,(5):62—65. [作者简介] 张竞(1963一),男(汉族),陕两武功人,硕f:,副 教授,研究方向:网络安全。 [8] 丛伟,等.智能配电终端及其标准化建模[J].电力系统自动 化,2013,37(10):6—12. [9] 胡航帆.配电自动化系统中配电终端配置数量规划[J].中国 新技术新产品,2Ol5,(21):5—5. [10] 李金灿,陈皓勇.关于电力系统远程监控优化配置设计[J]. 计算机仿真,20I6,33(3):389—394. 202...——