有效加速度在车辆刚性正面碰撞性能开发中的应用研究_终稿

有效加速度在车辆刚性正面碰撞性能开发中的应用研究黄迎秋，刘伟，黄荣军北京汽车股份有限公司汽车工程研究院，北京，100021，[e-mail]摘要：本文引入“有效加速度”作为车辆正面碰撞结构耐撞性能的一个评价指标。并对多款不同星级车型应用有效加速度作为指标进行评价，以验证“有效加速度”作为车辆正面结构耐撞性能评价指标的可靠性。关键词：正面碰撞；有效加速度；碰撞波型评价指标ApplicationofEffectiveAccelerationinFrontalImpactPerformanceEvaluationHuangYingqiu,LiuWei,HuangrongjunAutomotiveEngineeringResearchInstitute,BeijingAutomotiveGroupCo.,Ltd.,Beijing,100021,[e-mail]:ThispaperintroducesanEffectiveAccelerationconcepttoevaluatethefrontalimpactperformance.AvarietyofvehiclesfromUS-NCAPtestdatabasewithdifferentstarratingsarestudied,andthevalidityandtheusefulnessoftheEffectiveAccelerationasaseverityindexoftheimpactpulseareverified.Keywords:FrontalImpact;EffectiveAcceleration;PulseEvaluationCriteria1引言在US-NCAP车辆刚性壁障正面碰撞试验中，一般考察人的头部伤害指数、胸部加速度。这些考察指标反映了车身的结构耐撞性、乘员约束系统特性及两者相匹配这三个方面的综合性能。对于车身结构耐撞性，刚性壁障正面碰撞通常以加速度峰值、速度零穿越时间、最大压溃量做为评价指标。但这些评价指标仅考虑了加速度波形的某个方面，并不能完全表征碰撞波形的严重程度，且容易被其他因素所影响。本文将引入“有效加速度”作为评价指标，以能够更准确、完备地评价刚性壁障正面碰撞性能。2有效加速度理论2．1正面碰撞车体速度特征车辆正面碰撞时，变形主要产生在车辆前端，B柱以后及中央通道在整个碰撞过程中几乎不变形[1]，因此通常用B柱或中央通道上采集到的减速度信号来描述车体的运动，进行相关的分析。从乘员保护的角度出发，整车正面碰撞过程中的理想状态是车体持续做匀减速运动，其速度曲线如图1中虚线所示。实际碰撞过程中，车身的结构设计，很难使得车辆保持匀减速运动状态。碰撞的前期，随着碰撞盒和纵梁等部件逐渐发生压溃和折弯，实际速度要高于理想速度。而在碰撞后期，随着前端结构被压实，刚度增大，实际速度会低于理想速度，实际速度曲线如图1中实线所示。图1正面碰撞中理想与实际整车运动速度曲线的比较2．2有效加速度定义有效加速度是评价汽车正面碰撞结构耐撞性的一个综合评定指标。它是根据汽车正面碰撞时的整车速度提取出来的一个数值。2．3有效加速度的计算将测得的整车加速度曲线积分，会得到速度曲线，找到最大的反弹速度值，删除其后的部分，沿水平方向将曲线延长，处理后的曲线如图2a所示。连接速度曲线的初始点（0，vi）和中值点（tc,，（vi+vr）/2），作一条直线，交于曲线的延长线于点tf，见图2a。设该直线与原曲线围成的两部分面积分别为A、B。过中值点（tc,，（vi+vr）/2）再作一条直线MN，它与过初始点vi和终点tf的水平线分别交于点M和N，记直线MN与先前直线围成的两部分面积为C和D，则曲线MN的斜率可由以下的关系确定：A+B=C+D，如图2b所示，直线MN的斜率即为从试验加速度曲线中提取的有效加速度。ab图2有效加速度计算示意图3有效加速度的应用以下基于公开的NHTSAUS-NCAP数据库，通过具体的应用实例，确定了有效加速度与碰撞安全性能星级目标之间的联系，从而验证了有效加速度作为结构耐撞性评价指标的合理性。3．1NHTSA评价标准的简介NHTSA是美国高速公路安全管理局的简称，是美国政府部门汽车安全的最高主管机关。作为美国政府部门车辆安全监管的权威性机构，承担着确保各类车辆必须符合机动车安全法规要求的重要职责。NHTSA主要是通过测定模拟人所承受的全面双向（正面和侧面）撞击，进行车辆安全性五颗星级的评定。NHTSA刚性壁障正面碰撞程序规定，测试车辆以56km/h的速度正面撞向一个固定刚性障壁。车辆驾驶员和副驾驶位置放置两个50%混三男性假人，提取假人伤害值进行评分。通常情况下，在评价中获得的星级越高表明车辆越安全，而五星是评价体系中的最高评级。3．2部分车型NHTSA测试数据统计从NHTSA网站下载车型的加速度波形曲线[2]，根据2.3节中所述的方法，计算对应的有效加速度，同时，提取加速度峰值、速度零穿越时间、最大压溃量等评价指标，结合车型的星级评定和乘员伤害指标进行分析，数据统计如表1所示。表1中CPI为表征乘员伤害程度的综合指标，联合采用假人的头部伤害指数与胸部伤害指数计算得到，是NHTSA星级评价的基础。当CPI11%时，该车型正面碰撞性能星级评定为五星；当11%CPI21%时，该车型星级为四星；当CPI21%时，该车型星级则为三星或更低。表1部分车型NHTSA数据统计表车型NHTSA星级CPI(%)胸部压缩量(mm)有效加速度(g)加速度峰值(g)速度零穿越时间(ms)最大压溃量(mm)A4★★★★★729.024.336.372.7658ACCORD★★★★★826.224.734.875.3596CIVIC★★★★★932.126.436.973.1530CAMRY★★★★★922.824.832.875.8576ES350★★★★★824.528.642.966.5431AVENGER★★★★★827.324.533.270.3508FIT★★★★★732.227.840.672.1524ELANTRA★★★★★728.027.537.768.2514CTS★★★★1230.028.053.163.3450COROLLA★★★★1326.130.040.266.2532AZERO★★★★1541.327.057.760.5478COOPER★★★★1227.126.746.249.0402VERSA★★★★1134.830.246.467.6581S2000★★★★1534.325.037.070.7545DISCOVERYII★★★★1238.422.436.882.2615SX4★★★★1933.933.845.459.6498PRIUS★★★★1121.032.548.459.9454YARIS★★★★1325.034.948.361.1546MONTERO★★★2124.436.635.669.9460VERONA★★★2643.535.754.064.0550TRAILBLAZER★★★2545.331.245.975.8548注：以上数据均来自NHTSA官方网站，选取部分车型某一年的试验数据。3．3各评价指标相关程度分析R2，也称为决定系数，是评价拟合程度的指标，它的数值大小可以反映趋势线的估计值与对应的实际数据之间的拟合程度，拟合程度越高，趋势线的可靠性就越高。R2的取值范围在（0，1）之间，当R2等于1或接近于1时，其可靠性最高，反之则可靠性较低。根据表1中的数据，绘制出各评价指标与CPI之间的XY散点图，并对其线性拟合，并求解R2。图3~6分别描述了有效加速度、加速度峰值、速度零穿越时间、最大压溃量与CPI之间的关系。有效加速度&CPIR2=0.4405101520253020222426283032343638有效加速度(g)CPI(%)图3有效加速度与CPI关系加速度峰值&CPIR2=0.2005101520253030354045505560加速度峰值(g)CPI(%)图4加速度峰值与CPI关系速度零穿越时间&CPIR2=0.02051015202530455055606570758085速度零穿越时间(ms)CPI(%)图5速度零穿越时间与CPI关系最大压溃量&CPIR2=0.01051015202530400450500550600650700最大压溃量(mm)CPI(%)图6最大压溃量与CPI关系通过对各评价指标与CPI之间的线性拟合，可以计算出各评价指标与CPI之间的相关系数，其对比图如图7所示。00.10.20.30.40.5有效加速度加速度峰值速度零穿越时间最大压溃量图7各评价指标与CPI线性相关系数对比图由图7可以看出，在有效加速度、加速度峰值、速度零穿越时间、整车最大压溃量这4个评价指标中，有效加速度与NHTSA星级的相关程度最高。通过图3中的曲线，我们也可以看出，有效加速度与CPI大致呈线性关系，即有效加速度越高，CPI值越大，NHTSA星级越低。通常5星级车辆，其有效加速度均小于27g；四星级及三星级车辆的有效加速度均大于27g。所以，有效加速度越低，星级越高，整车正面全宽碰撞性能越好。3．4有效加速度与胸部压缩量的相关度分析US-NCAP中，胸部压缩量（ChestDisp.）并不作为星级评价的基础指标，然而C-NCAP中，胸部压缩量同样作为胸部伤害的一个重要的考察指标。因此，着眼于有效加速度在C-NCAP碰撞安全性能开发中的应用，有必要考察该指标与有效加速度的相关性，如图8所示。胸部压缩量&有效加速度R2=0.0011051015202530354020253035404550胸部压缩量(mm)有效加速度(g)图8胸部压缩量与有效加速度的线性关系图从图8可以看出，胸部压缩量与有效加速度的R2仅为0.0011，所以这一指标，与有效加速度几乎不相关。经过以上分析，可以得出，表征乘员伤害综合评价指标的CPI与作为车身结构性能评价指标的有效加速度具有很好的相关性；但就于胸部压缩量等单个乘员伤害指标而言，有效加速度与其的相关性并不强。4结论根据有效加速度的理论，可以将实车正面碰撞的速度曲线通过计算得出有效加速度的数值。通过文中的具体论证，在整车正面碰撞中以有效加速度作为正面碰撞评价指标是比较可靠的。但是有效加速度还不能够全面地评价刚性壁障正面碰撞性能，例如与胸部压缩量的相关性就较差。对于胸部压缩量的相关性指标，有待后续研究。参考文献[1]马志雄,朱西产.台车试验中采用等效双梯形减速度曲线的模拟研究.汽车工程,2008,30(5):411-415.[2][3]黄世霖,张金焕等.汽车碰撞与安全[M].北京：清华大学出版社,2000.