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车辆正面碰撞加速度波形特征参数与乘员伤害研究

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2010中国汽车工程学会年会优秀论文 车辆正面碰撞加速度波形特征参数与乘员伤害研究 朱海涛 王季峰 李 充 仲衍慧 (中国汽车技术研究中心) 【摘要】针对在车辆的正面碰撞中,车身加速度波形无序、复杂、对乘员伤害的影响不易研究等特点,以尖顶等效 方波(TESW)为试验输入、假人伤害指标为试验输出,研究车身加速度与人体伤害之间的关系。运用统计方法确定了 “平均车型”的TESW基本特征参量,通过试验设计法确定试验方案,并在三菱液压式台车上实施。通过对试验数据 的对比分析.得出了TESW模型下特征参数对人体各部位伤害的影响。 主题词:TESW特征参数试验设计人体伤害 中图分类号:U461.91文献标识码:A文章编号:1000—3703(2010)00—0000—00 Study On the Correlation between Vehicle Frontal Impact Acceleration Waveforms(TESW)Characteristic Parameters and Occupant Injury Zhu Haitao,Wang Jifeng,Li Chong,Zhong Yanhui (China Automotive Technology&Research Center) 【Abstract]In the front impact of vehicle,since the vehicle acceleration waveforiB is complex and in disorder,which makes the effect on occupant injury dificult to research,the paper takes steepletop equivalent square wave 0 ̄sw)as test input and dummy injury index as test output to research the correlation between body acceleration nd human abody injury. It uses statistic method to determine TESW basic characteristic pammeters of”average model”,uses test design method to identify test plan,and implements it on a Mitsubishi hydraulic jumbo.By comparison and analysis of he ttest data,the effect of characterisitc p ̄ameter of TESW model on human body injury. Key words: I'ESW,Characteristic parameters,Test design,Body injury 频率等级为60(CFC60)的低通滤波器滤波后的曲 线,折线为相应的TESW曲线。TESW曲线的特征参 数共有4个.分别为汽车减速阶段加速度初状态P 1前言 实车正面碰撞加速度波形各不相同.难以直接 应用于乘员响应规律的分析.因此有必要建立一套 能够代替实车波形的简化模型.以保证从本质上表 征碰撞强度变化特点.保证车辆的位移和速度接近 (0)、汽车减速阶段加速度末状态P(tm)、汽车减速阶 段加速度历程t 碰撞总时间历程t,。TESW模型的 有效性已经得到验证[21.因而文中以TESW为基础 原始波形.TESW(尖顶等效方波)正是能够满足上 述要求的基本模型【lJ,它具有简单、仿真程度高的优 点。TESW可通过确定特征参数、判断车体响应状 曲线研究特征参数对乘员伤害的影响 况.从而分析车辆碰撞加速度变化对乘员伤害的影 响。对于在同一类型约束系统下乘员伤害值对不同 rIESW特征参数的敏感程度.以及对于同一TESW 特征参数在不同约束系统中对乘员伤害响应的研究 是有意义的。本文主要研究同一约束系统下TESW 特征参数变化对乘员伤害的影响情况 时间/ms 2 TESW模型及特征参数 TESW波形由Matthew Huang最先提出.图1 图1典型TESW曲线 3 TESW试验设计 为获得TESW曲线特征参数变化对假人伤害 汽车技术 中虚线代表一典型实车正面碰撞车体加速度经滤波 一34一 2010中国汽车工程学会年会优秀论文 值响应的影响及变化规律.如采用单因素轮换法.任 取一个特征参数,按照减小、保持、增大进行变化,同 时保持其它特征参数大小不变.共要进行27次试 4 TESW试验实施 试验在三菱液压加速式模拟台车上进行.该台 车的最大搭乘质量为2 000 kg,模拟加速度范围为 验.计算量较大且非必要.因此本文采用正交试验设 计方法。 3.1因子及水平的选择 0~80 ,最大打出速度为90 km/h,加速度精度最大 误差在±9%以内或小于O.5 g 根据表l所选因子和 在TESW的4个参数中,假设P(0)、p(t )、t 起 主导作用.通过这3个参数能够确定加速度特性 为了保证试验结果的可比性.试验的前提条件是保 证每次碰撞速度变化量不变(AV=40 km/h).反映到 水平的数量,选取L9(33)正交表。考虑到试验设计 本身和加速式台车的性能要求.对模型的部分参数 进行微调,参数设计如表2所列。表2中1、2、3分 别代表试验设计对应的水平.水平1为“下降”,水平 TESW曲线上为两条折线与坐标轴围成图形的面积 保持不变,因此£ 只是起到保持面积恒定的作用,即 将P(0)、p(t )、t 定为试验设计因子,每个因子具有 3个水平.根据要求.在本次设计中选取的因子及其 对应水平如表1所列 表1试验设计对应因子及水平 因子 水平 A(P(0)) B(f ) C(p(t )) 1 减小 减小 减小 2 保持 保持 保持 3 增大 增大 增大 3.2基本参量的确定 TESW基础模型必须具有一定的代表性.为此 对C—NCAP 2008~2009年度26个车型的TESW模 型进行相关参数统计 统计发现这些车型均为上 升型曲线,结果见图2,P(O)/tfp(tm)平均值为10.5 65.8 ms/33.5g,主要区间分布在(0,20)、(50,80)、 (20,45),而且不同车型间的P(0)变化幅值比P(t ) 大:TESW模型基本参量的变化应能囊括下降型、 水平型和上升型3种基本形状.它们分别表征由 剧烈逐渐减缓、稳定碰撞和由轻微逐渐加剧这3 种典型碰撞过程 基于上述考虑确定TESW基本 波形(AV=55 km/h)为:p(0)ItJp(t )为20.6 52 ms/20.6 g的水平型曲线,转化为AV=40 km/h、p(0)/ (t )为l5.45 58 ms/15.45 g的水平型曲线,P (0)的变化幅值为50%,P( )为30%,tm按15%幅 值递增 80 72 464 56 图2 26个车型的TESW基本参数 2010年第7期 2为“水平”.水平3为“上升” 试验对象为某车型的 白车身,白车身上装配了座椅、普通三点式安全带、 转向管柱及转向盘 将一个HIII 50%的男性假人放 置在驾驶员位置。假人的头部、胸部、大腿和小腿处 放置了传感器来采集相应位置处的碰撞信号。 表2基于加速式台车TESW参数的确定 参数 A 曰 C 空列 试验方案 系列1 1(7.90) 1(58.50) 1(15.45) 1(121.95) A1 lCl 系列2 1(7.90) 2(49.50) 2(10.82) 2(178.63) 1曰2c2 系列3 1(7.90) 3(67.50) 3(20.09) 3(91.43) AlB3C3 系列4 2(15.50) l(58.50) 2(20.09) 3(72.90) A2 lC2 系列5 2(15.50) 2(49.50) 3(15.45) 1(102.27) 2日2c3 系列6 2(15.50) 3(67.50) 1(10.80) 2(1 18.24) A2曰3Cl 系列7 3(23.20) 1(58.50) 3(10.82) 2(89.31) 3 1C3 系列8 3(23.20) 2(49.50) 1(20.09) 3(60.78) A3B2C1 系列9 3(23.20) 3(65.70) 2(15-45) 1(71.56) 3 3c2 5 TESW试验结果分析 5.1头部伤害 头部伤害指标HIC值通过头部合成加速度积 分获得,不应超过1 000.具体计算方法为: =、/ mc—s {[ )} 式中. 是假人头部质心合成加速度,用重力加速度 g(9.8 m/s )的倍数表示;t。,t2为碰撞过程中任意两点 的时间,t2-t1≤36 ms。 头部加速度通道的滤波等级为CFC1000 对应 表2中9种试验方案,表3是头部HIC 指标极差 计算结果。表3中,K 表示任一列上水平号为i时所 对应的试验结果之和,ki=Ki/s,其中s为任一列上各 水平出现的次数,k 表示任一列上因素取水平i时 2010中国汽车工程学会年会优秀论文 所得试验结果的算术平均值:R为极差,各列极差R 的不同.表明各因素的水平改变对试验结果的影响 不同。极差大。表明该列因素的数值在试验范围内 的变化会导致试验指标在数值上有更大变化oP(0)、 、p( )的极差分别为0.36、0.27、0.14,即3因子中 皇 影响HIC 程度最大的是P(0),其次是t ,最后是P ( );空列的极差达到0.3,仅次于P(0)的影响,说明 存在着对结果有重要影响的因素t ,它对头部伤害 时间/ms 指标的影响程度不可或缺 表3头部I-IIC36指标极差计算结果 试验号 A B C 空列t HIC36,100G 系列1 1 1 1 1 0.44 系列2 i 2 2 2 2I 系列3 1 3 3 3 0.68 系列4 2 l 2 3 0.51 系列5 2 2 3 l O.41 系列6 2 3 1 2 O.3l 系列7 3 1 3 2 0.55 系列8 3 2 1 3 0.66 系列9 3 3 2 1 1.11 I 1-33 1.50 1.41 1.96 1.23 1.28 1.83 1.07 2.32 2.1O I.64 1.85 kl 0.44 0.5O 0.47 0.65 2 0.41 0.43 0.61 0-36 3 O.77 0.70 0.55 O.62 极差 0.36 0.27 0.14 0.30 因素主次 P(O)…t t ,P(t ) 图3和图4是9次试验中头部Jjf向和Z向的 加速度曲线.从曲线上能够发现: a.头部加速度零响应时间由p(0)值决定,P(0)值 越大。响应越快。 b.头部加速度峰值出现的时间由P(0)和 t 共同决定,P(0)值大、t 值小会导致峰值出现的时 间早。 c‘ 值及 值的大小共同决定头部加速 度峰值大小。 d_ 当£ 值相同时,由 <1的下降型、 =1的水平型及 >1的上升型波形对比可 知.下降型波形导致头部加速度峰值出现的时间最 早,其次是水平型。最后是上升型。 一36一 图3头部 向加速度曲线 一系列l 一~一・系列2 系列3 …一系列4 …一’捌 系列5 ——系列6 一系列7 ~系列8 一系列9 时同/ms 图4头部Z向加速度曲线 5.2胸部伤害 胸部评价指标包括胸部3 ms加速度和胸部压 缩量 其中胸部压缩量由假人胸部安装的电位计传 感器测量,并且根据CFC180进行滤波.以75 Inm为 限值:胸部3 ms加速度是指在上胸部质心处作用时 间为3 ms或更长时间的线性加速度最大值.以60g 为限值。对于胸部压缩量,P(0)、tm.p(t )、t 的R值 依次为0.06、0.08、0.05、0.1l,按从大到小排序为空 列f 、fm、P(O)、p(t );对于胸部3 ms加速度,P(0)、tm、 P(t )、t 的 值依次为0.19、0.1、0.03、0.2,从大到小 排序为空列 、p(0)、 、p( )。可见,整个碰撞过程的 时间历程t 对胸部伤害指标影响最大,p(£ )值对其 影响很/J、 图5是9次试验中胸部压缩量曲线.图6是胸 部 向加速度曲线,从曲线特性对比得出: a.胸部位移零响应及加速度峰值出现的时刻 与P(0)有关,P(0)大时胸部位移零响应快,峰值出 现的时刻早 b.胸部位置零响应与峰值间没有相关性。 c.从试验2和试验5能够看出,爱 值对胸 部压缩量峰值的影响大于P(O)及p(tm)值对胸部压 缩量的影响 d.在t 相同的前提下, 下降型波形导致胸 部位移峰值出现的时间早,其次是水平型,最后是 上升型。 e.对于胸部的 向加速度.从系列l到系列 汽车技术 2010中国汽车工程学会年会优秀论文 9,响应时间后移,下降型波形导致的加速度峰值大, 上升型波形引起的加速度响应迟滞,而且峰值小。 时间/ms 图5胸部压缩量 系列 系列 系列 系列 系列 系列 皇 系列 系列 系列 时间/ms 图6胸部X向加速度 5.3大腿伤害 大腿伤害评价指标主要指大腿的轴向压缩力. 这里以10 kN为最大限值 由于不同的车身加速度 波形对左、右大腿轴向力的影响趋势相同,这里仅以 左腿轴向力为例进行分析,P(0)、tm、p( )这3个因 素极差尺值近似.它们对大腿力指标的影响相当。 图7是大腿轴向力变化曲线 ——系列 一系列 Z 系列 系列 婚 ——系列 一系列 .叵 ——系列 暴 一系列 ——系列 时In'q/ms 图7大腿轴向力变化曲线 从图7中能够看出: .P(0)越大,大腿轴向力峰值越大,同时峰值 出现的时间提前 b.在本组试验中大腿压缩力指标均较小.远 远小于1O kN.但不同次试验中指标差异较大,如系 列2和系列8的峰值比达到2 5.4小腿伤害 在正面碰撞试验中关于小腿的评价指标有小腿 轴向压缩力 、纵向及横向弯矩、由压缩力和弯矩指 标计算得到的 。一般而言,同一条小腿的上、下轴 向力波形和峰值出现的时间基本相同.因此以驾驶 员左小腿轴向压缩力 进行分析,规定小腿轴向力 最大限值为8 kN。P(0)、tm、P(t )、 的尺值依次为 2010年第7期 0.2、0.03、0.02、0.07,因素影响的主次顺序为P(0)> tr>t ̄>p(t )。图8是此组试验中 变化曲线。 系列1 系列2 Z 系列3 系列4 婷 系列5 系列6 匠 系列7 暴 系列8 系列9 时I ̄/ms 图8小腿轴向力变化曲线 从图8中能够看出: a.上升型曲线导致小腿 曲线响应延时。 b.伴随着下降型到上升型的过渡, 曲线的 峰值逐渐减小.趋势走向明显。 5.5综合评价指标WIC 为了综合评价乘员所受的伤害程度.采用加权 乘员伤害指标WIC。 wIc_00(.6 )+0 .35( +啬)/2+ 0.05(研 )/20.0 式中,HIC 为头部伤害值;C3为胸部减速度3ms 指标值;cc为胸部压缩量; 和 为左、右大腿轴 向力。 WIC越小.说明约束系统的保护性能越好。WIC 指标中P(0)、tm、p(t )、t 的R值依次为0.25、O.19、 0.1 1、0.21。P(0)所在列极差最大,其次是tm,P(t )所 在列的极差最小.所以影响假人WIC综合指标因素 从主到次的顺序为P(0)、tm、p(t )。 6结果分析 a. 一般轿车以50km/h的速度碰撞时.车身加 速度曲线多为上升型 b.从头部、胸部、大腿、小腿、WIC伤害指标的 极差分析结果看.TESW模型中对这些指标影响从 主到次的因素分别为P(0)、tm、p(£ );同时,t 是对头 部、胸部影响不可或缺的因素(表4)。 表4 TESW中因素对伤害指标影响 伤害指标 影响因素 WIC P(0)>t。 (t ) 头部HIC36 P(0)>£r>f ( ) 胸部压缩量 zm>P(0) (z ) 胸部 胸部加速度 tr>尸(0)>f (t ) 大腿压缩力 各因素影响相当 小腿压缩力 P(O)>tm>p(t ) 2010中国汽车工程学会年会优秀论文 c.P(O)是对伤害指标影响最大的因素,主要 表现在伤害指标曲线零响应和峰值出现的时间 上;影响伤害曲线峰值大小的主要因素是P( )与 P(0)的比值,即由车身加速度波型变化趋势决定 (表5)。 d.当t 相同时,下降型曲线导致头部、胸部伤 表5 TESW中因素对伤害部位影响 参数 零响应 头部 p(0)大,零响应快 胸部 P(0)大,零响应快 大腿 小腿 上升型导致小腿 响应延时 峰值时刻 p(0)大,t 小,峰值出现,时刻早 峰值大小 p(tm) (O)及 共同决定 由P(0)决定 的影响大于p(t )、 P(0)中单一指标影响 p(0)大,峰值 出现时刻早 P(O)大,峰值 从下降型到上升型. 出现时刻早 指标减小趋势明显 头部加速度受车身加速度 胸部位移量受车身加速度波形影响程度从大 t 影响 波形影响,在下降型、水平型、 到小:下降型、水平型、上升型; 向加速度受车 (相同时) 上升型”波形下.头部加峰值 身加速度波形影响程度:下降型导致峰值大.上 出现的时刻由早至晚 升型导致响应慢、峰值小 害更恶劣,其次是水平型,最后是上升型(表5)。 参 考 文 献 The senenth international form of automotive tl'a ̄c safety. 217 ̄221. I 王大志.基于乘员保护的汽车正面碰撞结构设计与变形控 (责任编辑修改稿收到日期为2010年5月17日。 帘青) 制研究:[学位论文】.北京:清华大学. 2李冲.朱海涛.正面碰撞车身加速度与乘员胸部损伤研究. (上接第19页) 行相关性分析是可行的: b.该相关性研究为该车门的结构改进与优化 近于试验模态的频率和振型。优化前、后模型频率 对比见表5所列,可知频率值变化不大。 表5优化前、后模型频率对比 设计提供了可靠的模态参数.通过模态修正提高了 仿真模型的精度.并为进一步动力学响应分析提供 了可靠的模型依据 参 考 文 献 0.9 O.O3 优化前模型频率,Hz 优化后模型频率,I{z 频率变化百分比 5 6 50.7 55.9 5 6 51.2 55.7 1刘东.廖日东 左正兴.分析,试验模型相关及修正技术若 干问题.强度与环境,2003,30(1) 7 8 9 67.5 76.5 88.O 7 8 9 64.1 75.3 87.1 5.0 1.57 1.0 2孙庆鸿,杨莉.吴明.张炳军.轻型客车白车身动力学建 模与模型修正.江苏大学学报(自然科学版),2005,26 (6):472-475. 3李德葆.陆秋海.实验模态分析及其应用.北京:科学出版 5结束语 本文以某车型车门的模态分析/试验相关性分 析为例.验证了LMS Virtua1.Lab Correlation模块在 相关性分析中的有效性.综合以上分析结果所得结 论如下: 社.2001. 4孙久厚,张方.振动试验模型的动力学映射技术研究:r学位 论文1.南京:南京航空航天大学,2004. 5陈德成,魏震松,曲广吉,等.有限元模型修正技术的工程 应用.中国工程科学。2001,3(10). 6 Chen J C and Garba J A.AnMyticM model improvement a.在本文的算例中.通过相关性分析及灵敏 度计算修正了仿真模型.将其模态置信度由最低的 0.4提高到了0.8以上.使仿真结果更接近于试验结 using modal test results.AIAAJ.,1978,16(3). 7 Guyan R J.Reduction of Stifness and Mass Matrix。AI从 Journal,1965,3(2). 果,提高了仿真模型的可信度。实践表明,在工程实 际中使用LMS Virtua1.Lab中的Correlation模块进 一(责任编辑修改稿收到日期为2010年6月21日。 汽学林) 38一 车技术 

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