英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于台车测试程序的车辆侧面碰撞中非碰撞测乘员的动力学分析

摘要：侧面碰撞事故中，距离车辆碰撞测较远一侧的成员也会受到40%的伤害，全球现行的法规标准中也未对车辆碰撞非碰撞侧成员的伤害限制做出具体的规定。现今的非碰撞侧乘员研究都集中在仅仅一种碰撞模式的作用上，但此项研究表明其他碰撞模式也很重要。 通过碰撞测试和有限元仿真获得由侧面碰撞，拐角碰撞和狭窄的正面偏移碰撞引起的非碰撞侧乘员碰撞脉冲。 通过使用MADYMO软件对碰撞事件的脉冲和偏航进行建模并捕获非碰撞侧乘员的运动。 通过开发台车测试，得到非碰撞侧乘员在碰撞发生后直到与车辆内部发生碰撞这一“关键时刻”的运动数据。 台车测试脉冲模型为正弦波，其正弦波有着与实际的碰撞测试相同的速度增量。将仪表板等其他实验条件设置到在碰撞测试仿真的“关键时刻”所处的位置。 然后改变碰撞测试的角度和脉冲，直到台车测试乘员的运动学和损伤响应与碰撞测试乘员的运动学和伤害响应一致为止。

这种研究方法说明了，台车实验可以在广泛的碰撞环境（包括车辆明显旋转的情况）下复制非碰撞侧乘员的运动过程。 对美国国家汽车采样系统/耐撞性数据系统（NASS / CDS）的分析表明，该研究中采用的碰撞模式占非碰撞侧乘员总碰撞事故的44%，以及MAIS3 非碰撞侧乘员受伤事故的56%。既然已经证明了使用台车实验模拟非碰撞侧乘员伤害的可行性，建议将未来的研究着重于提高碰撞假人的生物保真度，以用来设计和规范非碰撞侧乘员约束系统。

关键词：非碰撞侧，台车测试，乘员动力学，MADYMO，简明损伤定级

注释：

a 加速度

t 时间

T 碰撞脉冲持续时间

pi; 圆周率

Delta;V 速度增量

研究现状

非碰撞侧乘员被定义为坐在车辆未碰撞侧的乘员。这些非碰撞侧乘员的碰撞环境与坐在车辆碰撞侧的乘员的碰撞环境大不相同。造成这种差异的各种因素包括事故发生时的约束设计和乘员在车辆内的相对运动。这导致非碰撞侧伤害机制与近侧伤害机制不同，并且需要采取与当前针对近侧乘员不同的对策。

联邦安全标准要求进行碰撞测试，以证明安全系统在正面碰撞时能限制乘员的运动。 但是，没有具体的标准来限制非碰撞侧碰撞时的运动数据。已有文献证明，在远处碰撞时，安全带经常从肩部滑出，在这种情况下，乘员的运动仅受腰部安全带的约束。这些观察结果有助于解释为什么车辆非碰撞侧乘员的肩部安全带脱落是造成侧撞事故中乘员严重受伤的主要原因。

Gabler（2005）使用1993-2002年间的国家汽车采样系统/耐撞性数据系统（NASS / CDS）对碰撞中的非碰撞侧乘员伤害进行了全面分析。 这项研究发现，非碰撞侧乘员头部伤害的20％是直接接触的车辆内表面的结果，并且皮带或带扣是86%AIS2 腹部受伤的来源。这些来源与前面提到的非碰撞侧测试相关，并表明当前的约束系统无法为碰撞中的非碰撞侧乘员提供最佳保护。总体而言，研究发现，在发生侧面碰撞时，重伤者中有43％来自非碰撞侧乘员。侧面事故中有50％涉及非碰撞侧乘客，并且重伤者多达40％。但是，当前政府的研究和法规均未注意保护坐在车辆非碰撞侧的乘员。

速度增量是研究人员和专家经常用来定义碰撞严重程度并确定伤害原因的依据，大量研究分析了车辆速度增量，乘员速度增量和乘员伤害之间的关系。当车辆旋转可忽略不计时，乘员速度增量与车辆速度增量相似。但是，如果考虑车辆旋转时，则要计算角速度和角位移的变化，必须为车辆中的每个位置计算出另一个速度增量。考虑到旋转分量就意味着将减少车辆一侧乘员的总增量，同时增加车辆另一侧乘员的总增量。这个现象与理解近端和非碰撞侧乘员在碰撞环境方面的差异有关。

另一个需要考虑的重要因素是，近侧乘员在初次撞击后50毫秒内接触车辆内部，而非碰撞侧乘员在撞击后180毫秒内撞击车内部。这在侧面碰撞中尤其重要。 近侧乘客通常会受到侵入车身的撞击，而非碰撞侧乘客则具有足够的内部空间，以允许更多的碰撞能量在与车辆内部发生接触之前被约束系统吸收。 另外，对于非碰撞侧乘员而言，更长的运动时间允许旋转的车辆相对于乘员有更多的时间运动。 因此，对于远方乘员而言，其运动和受车身侵入的影响将有所不同。

如果有评估安全性能的测试程序，应鼓励汽车制造商为坐在非碰撞侧的乘客制定对策。 迄今为止，还没有针对非碰撞侧乘员的台车测试程序，并且在碰撞的非碰撞侧进行的假人碰撞测试很少。 这项研究的主要目的是开发一种台车测试，以仿真几种碰撞环境中非碰撞侧乘员的运动。 选定的测试包括经历复杂碰撞过程的车辆，这些被测车辆在事件期间发生重大偏移。 在这些碰撞中乘员动作的成功仿真将证明，台车测试是一种有效的，具有经济效益的手段，它可以为非碰撞侧乘员制定安全策略。

研究目的

这项研究的目的是开发一种台车测试程序配置，该配置将仿真参与拐角碰撞事故的非碰撞侧乘员的动作。拐角冲击引起车辆偏航旋转，它们可能影响乘员相对于车辆的运动。 由于此碰撞测试具有相应测试规范，因此也包含了SNCAP测试。 本研究对以下碰撞测试进行了规定：

SNCAP碰撞测试

Y轴损坏碰撞测试

50％重叠0°碰撞测试

50％重叠30°碰撞测试

60°侧面碰撞测试

50％重叠30°角碰撞有限元仿真

50％重叠45°角碰撞有限元仿真

50％重叠60°角碰撞有限元仿真

50％重叠90°角碰撞有限元仿真

研究方法

NASS / CDS数据库的分析表明，拐角处的撞击对参与非碰撞侧的乘员构成了重大伤害风险。非碰撞侧乘员受到拐角撞击的运动在很大程度上尚不清楚。在美国政府进行的有关消费者信息和相关标准的测试中，并没有将碰撞测试假人放置在车辆的非碰撞侧。 此外，美国政府的研究还没有对导致非碰撞侧伤害的碰撞模式进行碰撞测试。 因此，必须确定在碰撞测试配置中的非碰撞侧乘员运动，以便针对每种情况设计台车测试。 本研究中选择的案例基于五个全尺寸碰撞试验和四个有限元仿真，这些仿真与NASS / CDS角度碰撞测试中使用的碰撞角度（PDOF）和碰撞位置相匹配。 这5个测试中没有一个在车辆的非碰撞侧放置假人。 下面的流程图概述了解决该问题的方法（图1）。

图 1

NASS / CDS数据用于确定要研究的台车测试配置的优先级。 测试车辆在每个碰撞测试和有限元模型中所经历的加速度和偏移被用于为MADYMO模型创建加速环境，以确定非碰撞侧乘员在每种碰撞模式下将经历的运动过程。 选择MADYMO进行这些仿真是因为它最初是为研究汽车碰撞中的乘员运动而设计的，其有效性先前已由Alonso证明。 然后，将非碰撞侧乘员运动与也将在MADYMO中运行的台车测试模型的响应进行比较。 更改台车测试模型的输入变量，直到乘员的运动与碰撞脉冲模型的运动匹配为止。 评估乘员运动的参考条件是乘员仅受腰带约束。 目的是使头部的轨迹与碰撞脉冲模型中的乘员头部的轨迹尽可能接近。 选择了腰带约束，以最大程度地增加乘员头部不受阻碍地运动的距离。 在比较三点式安全带乘员的运动轨迹时，轨迹可能将由于更长的行驶距离而加剧变化。 因此需要多次仿真找到适当的配置，并与理想三点式安全带约束乘员进行比较。 然后，可以在实际的台车测试中使用最终的台车测试配置，以仿真暴露于原始碰撞环境的非碰撞侧乘员的乘员运动。

NASS / CDS数据分析

NASS / CDS数据分析的非碰撞侧乘员所受伤害由损坏的总面积（GAD），特定纵向位置（SHL1）和PDOF进行量化。 SHL1是字母代码，用于指定车辆前，后或侧面的损坏位置。 在图2中，数字是PDOF时钟方向，字母是SHL1，用于选择损坏位置并且来表示预计会导致车辆旋转的碰撞模式。 此外，还对数据进行了过滤，仅包括16岁及以上与车辆平面碰撞有关的乘员。 然后，将非碰撞侧规定为驾驶员暴露在以下所示的PDOF 1、2和3点钟方向或乘客暴露在以下所示的PDOF 9、10和11点钟方向。

图 2

表1总结了NASS / CDS分析的结果。大约23％的MAIS 3 拐角碰撞发生在正面损伤中。 与最多人受伤相关的碰撞伤害是“ Side-Y”模式。 这种模式约占严重伤害的60％。 这些结果表明，需要仿真模拟会产生正面角度偏移的侧面碰撞模式和影响车辆前三分之二部分的侧面碰撞模式。

表格 1

3.2MADYMO模型建立

NHWA / NHTSA国家碰撞分析中心的车辆建模实验室创建了一个包含14个车辆有限元模型的库，这些库可供公共下载和使用。 该数据库包含3种轿车模型，其中最详细的是2001年福特Taurus。 之所以选择该模型进行MADYMO仿真，是因为5次实际碰撞测试中有4次是使用轿车进行的。 在本研究中，使用单个车辆几何模型为每个碰撞模式建模，以避免台车角度对乘员运动的影响。 为了消除由于不同的车辆内部几何形状引起的差异，此简化允许在碰撞测试之间进行比较。

Taurus模型被简化为在测试过程中将与乘员交互的组件，以最大程度地减少仿真时间。 一旦将模型简化为必要的组件，便会进行一些简单的仿真，并确定200 ms的碰撞仿真将需要两个多小时才能完成。 通过使用较大的元素来捕获车辆的内部几何形状，进一步简化了模型。 这将单元数量从75675个单元减少到4089个，从而将仿真时间减少到大约7分钟。

图 3

根据2000年福特Taurus SNCAP NHTSA测试报告确定了假人模型的座椅位置。 一旦将假人正确放置，就可以在假人下方对座椅进行建模。 该技术考虑了假人的体重导致的任何座椅偏斜。 应该注意的是，对于所有仿真，乘员都位于前排乘客座位位置。 尽管乘员在驾驶员座位位置发生了更多的非碰撞侧事故，但在与车辆仪表板作用之前，选择乘客的位置以允许更大的运动距离。

选择人面模型是由于其脊椎和颈部的灵活性。 这种灵活性要求进行预仿真，以便确定模型在所需座位位置的初始平衡位置。如果未确定该平衡位置，因为头部和脊椎向其平衡点移动，仿真结果将包含初始加速度。然后，使用XMADgic v5.1中的工具菜单下的import INITIAL.JOINT.POS选项将平衡位置导入MADYMO模型。 该工具在每个时刻从JNTPOS文件中导入JOINT_DOF卡定义的关节位置。 然后，用户可以选择放置模型的所需时间[12]。 对于该模型，在大约700毫秒处达到平衡位置。

3.3碰撞脉冲仿真

MADYMO碰撞模型中通常使用两种技术。 在一种情况下，将加速度场施加到乘员，而另一种技术将加速度场或位置-时间函数施加到车辆。 在这项研究中，碰撞脉冲仿真是应用了车辆在碰撞测试和有限元模型中所经历的加速度场或碰撞脉冲，该加速度场或碰撞脉冲与人面模型相反。 当目标车辆具有初始速度以满足对车辆惯性特性的要求时，该技术可用于MADYMO模型。 尽管并非所有建模测试都具有初始速度，但所有碰撞都以这种方式建模，从而在整个研究过程中保持一致。

下一步是确定在实际碰撞测试中每辆车是否存在明显的偏航旋转分量。 对于此分析，通过在Movias Pro 1.62运动分析软件中分析顶部视频来测量每个碰撞测试视频的偏航与时间的关系。 使用LS-Prepost 2.1中的“测量Z轴旋转”功能来测量有限元模型的偏航与时间的关系。 在分析过程中还确定了每辆车的旋转中心，以供将来建模时使用。 此时，仅在模型上应用线性加速度场，以确定乘员与车厢之间的初始接触时间。 然后将接触时间与偏航曲线和测试视频进行比较，以确定车辆偏航是否影响了车辆和乘员之间的相对运动。

查看SNCAP碰撞测试和50％重叠的0°正面碰撞测试的仿真结果，发现接触时间分别为90毫秒和119毫秒。 对这些测试中的每一个顶部视频进行分析，视频中此时都没有可见的旋转。 应该注意的是，在50％重叠0°正面碰撞测试中出现了明显的旋转，但是直到大约125毫秒车辆才开始旋转。 下图显示了其余测试的偏航数值。 可以看出，每次测试的旋转角度均大于5度，并且已证明此旋转会极大地影响乘员相对于车辆内部的运动。

其余仿真的偏航通过使用MOTION.JOINT.POS将偏航与时间曲线应用于车辆旋转中心来建模。 当乘员由于加速度场而移动时，该设置使乘员下方的静止车辆旋转。 在确保将正确的碰撞脉冲和偏航数据应用于模型后，每种碰撞模式均在乘员被约束在三点式安全带和仅靠腰带的情况下进行。

3.4 台车测试仿真

先前的研究表明，在数值仿真中，脉冲形状与乘员响应之间存在直接相关性。 脉冲通常由其形状，幅度和持续时间定义。 许多因素会影响碰撞脉冲的特性，包括车辆形状，车辆结构，车辆质量和碰撞模式。 因此，在此分析中考虑了两个脉冲形状：Haversine（sine2）和Sine函数。 选择Haversine和Sine函数是因为它们本质上相对简单，几乎可以由所有台车测试设备进行。本文提出的结果的准确性只应随着台车碰撞脉冲复杂度的增加而增加。由于在汽车安全领域和事故调查中经常使用速度增量，因此在本研究中将以速度增量定义脉冲。 Haversine脉冲通过以下公式定义

在这项研究中使用的第二个脉冲是正弦模型，并由等式2定义

公式[1]和[2]以Delta;V和脉冲的持续时间定义了脉冲。 为了确定在每个仿真中使用的基准值，将x分量，y分量和结果加速度（图4）进行了积分，以建立可以准确仿真每次碰撞的脉冲增量V值的范围（图4）。

图 4

将所得的Delta;V选择为每次分析的起始值。 然后改变碰撞脉冲的持续时间，直到脉冲delta;-V的斜率近似等于所得曲线的斜率。 图3显示了在NHTSA 4660 30°角冲击测试中使用的第一个Haversine和Sine脉冲。

在这项研究中，台车角度定义为在碰撞脉冲测试中，传感器相对于其

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[234313]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word