汽車安全性研究
1.1汽車被動(dòng)安全性研究的意義與現(xiàn)狀
1.1.1研究的意義
     近年來(lái)我國(guó)的汽車工業(yè)飛速發(fā)展，汽車保有量迅速增加，這同時(shí)也導(dǎo)致了與汽車相關(guān)的各種事故的迅猛增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)局發(fā)布的全國(guó)安全生產(chǎn)形勢(shì)通報(bào)，2002年全國(guó)共發(fā)生各類安全事故107. 3萬(wàn)起，死亡13. 9萬(wàn)人。其中，道路交通事故77. 3萬(wàn)起，占全部的72%，死亡10. 9萬(wàn)人，占全部的78% , 56. 2萬(wàn)人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失33. 2億元。2003年我國(guó)一共發(fā)生交通事故607507起，總傷亡人數(shù)為598546人，其中側(cè)面碰撞占32％ ，因側(cè)面碰撞而造成的人員傷亡占31.1％。2006年，全國(guó)共發(fā)生道路交通事故378781起，造成89455人死亡、431139人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失14.9億元。與2005年相比，事故450254起，死亡人數(shù)98783人，受傷人數(shù)469911人，直接財(cái)產(chǎn)損失18.9億元。汽車交通安全已經(jīng)成為公共安全問(wèn)題中舉足輕重的部分。從世界范圍來(lái)看，我國(guó)汽車保有量只占全世界的1.9%，但我國(guó)交通事故死亡人數(shù)卻占全世界的15%左右?？梢娖嚢踩匝芯吭谖覈?guó)的重要性。大量交通事故的發(fā)生，無(wú)數(shù)生命的代價(jià)換來(lái)民眾、生產(chǎn)廠商和政府部門對(duì)汽車安全性的重視并開始采取各種措施來(lái)減少人員及車輛的損失。通過(guò)提高汽車安全性能，達(dá)到事故無(wú)法避免時(shí)“車毀人不亡，車損人不傷”。^[1]
汽車被動(dòng)安全性是汽車最為重要的一項(xiàng)整車性能指標(biāo)，人們一直致力于汽車安全性的研究和安全技術(shù)的開發(fā)。汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家如美國(guó)、日本，隨著汽車安全性研究的深入和安全法規(guī)的貫徹，雖然汽車保有量在增加，但交通事故的死亡率大大降低，成效十分顯著。這證明了先進(jìn)的安全技術(shù)可以降低交通事故的發(fā)生率及減少財(cái)產(chǎn)的損失。我國(guó)目前已進(jìn)入交通事故多發(fā)期，而且汽車安全水平落后，這已經(jīng)成為阻礙我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)和汽車工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的主要因素之一，因此開展汽車被動(dòng)安全性研究是十分必要和緊迫的。為了促進(jìn)這一領(lǐng)域的研究工作，中國(guó)汽車被動(dòng)安全技術(shù)專業(yè)委員會(huì)于1995年9月成立，標(biāo)志著我國(guó)汽車被動(dòng)安全性研究工作走上系統(tǒng)化和正規(guī)化的發(fā)展道路。而2000年1月1日，CMVDR 294《關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則》的實(shí)施則標(biāo)志著我國(guó)的碰撞法規(guī)正逐漸與國(guó)際接軌。
1.1.2研究現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)汽車被動(dòng)安全性的研究主要圍繞汽車抗撞性和乘員約束系統(tǒng)兩方面開展，具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：
1.1.2.1車身結(jié)構(gòu)抗撞性
車身結(jié)構(gòu)抗撞性研究提高汽車安全性，是汽車問(wèn)世以來(lái)最重要的研究課題之一。車身是安裝懸掛部件的基礎(chǔ)，其堅(jiān)固可靠可為行車安全提供必要的條件。在實(shí)際的新車開發(fā)中，應(yīng)以此為目標(biāo)，努力實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度化。然而，車身能夠直接發(fā)揮的最大作用還是提高整車的安全性。為此車身應(yīng)有如下功能：
（1）為了盡量緩解乘員受到的沖擊，必須盡可能緩和吸收車輛和乘員的運(yùn)動(dòng)能量。
（2）在確保乘員的有效生存空間的同時(shí)，還必須保證碰撞后乘員易于逃脫和容易進(jìn)行車外救護(hù)。
電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使得人們采用數(shù)學(xué)模擬方法來(lái)研究車身結(jié)構(gòu)的抗撞性成為可能。隨著 Cray 等巨型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，基于顯式積分的有限元方法在 80 年代初有了很大的發(fā)展，使人們可以對(duì)大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)有限元分析，車身結(jié)構(gòu)的抗撞性研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)期。從工程角度出發(fā)，在概念設(shè)計(jì)階段，可在用彈簧質(zhì)量模型進(jìn)行分析，而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最后階段，則以采用整車有限元模型進(jìn)行定量分析。
1.1.2.2安全帶和安全氣囊的研究
汽車座椅安全帶是重要的乘員保護(hù)約束系統(tǒng)之一，在減輕碰撞事故中乘員傷害程度方面起著重要作用。汽車上使用的安全帶按固定方式分為兩點(diǎn)式、斜掛式、三點(diǎn)式和四點(diǎn)式4種，一般是由織帶、安裝固定件、卷收器和調(diào)節(jié)件等部件組成。安全帶在交通事故中，對(duì)駕駛員和乘員有著重要的保護(hù)作用，特別是在高速公路上行車時(shí)，其作用更加明顯。研究表明，使用安全帶能夠減少乘員在碰撞事故中50％的死亡率。
安全氣囊的研究起步于20世紀(jì)80年代后期，90年代開始得到迅速發(fā)展。安全氣囊與安全帶的配合使用大大降低了碰撞中乘員受傷的危險(xiǎn)。傳統(tǒng)安全氣囊的設(shè)計(jì)是在發(fā)生正面撞車事故時(shí)避免車內(nèi)乘員的頭部、頸部和胸部強(qiáng)烈撞擊在儀表盤、方向盤或擋風(fēng)玻璃上。在后面碰撞、翻車或大多數(shù)側(cè)面碰撞的情況下，它不會(huì)被引發(fā)而打開。隨著技術(shù)的發(fā)展，安全氣囊的保護(hù)范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，從現(xiàn)在的前排乘員前方保護(hù)擴(kuò)展到前排乘員的側(cè)面、膝部和后排乘員的前方與側(cè)面以及車外行人。側(cè)面安全氣囊、發(fā)動(dòng)機(jī)罩寬幅氣囊、車外氣囊等產(chǎn)品不斷推出。同時(shí)，安全氣囊已出現(xiàn)智能化，能識(shí)別乘員席有無(wú)乘員、有無(wú)逆向兒童座椅以及乘員身材大小、重量、坐姿、是否系戴安全帶等，并根據(jù)上述信息調(diào)整動(dòng)作，以求最大限度地減少失誤和保護(hù)乘員^[2]。
 
1.2汽車側(cè)面碰撞研究的意義和內(nèi)容
1.2.1汽車側(cè)面碰撞研究的意義
近十年的交通事故統(tǒng)計(jì)表明，側(cè)面碰撞引起的交通事故均高于正面碰撞，側(cè)面碰撞的致死率僅次于正面碰撞，而致傷率則居第一位。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)表明，國(guó)外交通事故死亡人數(shù)中，因正面碰撞而導(dǎo)致死亡的接近70%，因側(cè)面碰撞而導(dǎo)致死亡的接近30%，而在我國(guó)由于交通法規(guī)執(zhí)行情況及道路使用狀況的特殊性，由側(cè)面碰撞而導(dǎo)致死亡的比例高于國(guó)外；數(shù)據(jù)表明，我國(guó)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%，都僅次于正面碰撞事故。同時(shí)考慮碰撞造成的乘員傷害及財(cái)產(chǎn)損失時(shí)，側(cè)面碰撞達(dá)到了一個(gè)相對(duì)較高的水平,其所造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失和給上千萬(wàn)個(gè)家庭帶來(lái)的災(zāi)難及殘疾人口增長(zhǎng)引發(fā)的社會(huì)問(wèn)題是非常嚴(yán)重的。在這種形勢(shì)下，改善汽車安全性，降低乘員和行人的傷亡率以及減少交通事故所造成的經(jīng)濟(jì)損失的重要性顯得尤為重要。
汽車側(cè)面是車體中強(qiáng)度較薄弱的部位，尤其是對(duì)于轎車而言，其側(cè)面強(qiáng)度更為薄弱； 同時(shí)車內(nèi)乘員同強(qiáng)烈貫穿的撞擊物之間僅隔著車門和20-30cm的空間，這意味著一旦受到來(lái)自側(cè)面的撞擊，不可能有像汽車的前部及后部那樣，有足夠空間發(fā)生結(jié)構(gòu)變形及吸收碰撞能量，轎車側(cè)面的可變形空間小,很有可能在撞擊過(guò)程中，乘員受到擠壓，同時(shí)左側(cè)的乘員頭部也有可能與車身發(fā)生碰撞，造成昏迷狀態(tài)，使得不能自救，這就是側(cè)面碰撞對(duì)乘員的傷害較其他類型的碰撞要嚴(yán)重的原因。在斜坡上或在轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生的側(cè)面碰撞，還有可能引起被撞汽車翻傾，可能導(dǎo)致車門框變形使車門不能開啟，影響乘員離開危險(xiǎn)地帶及對(duì)乘員的救援。因此與正面、后部碰撞相比，側(cè)面碰撞對(duì)乘員可能造成的傷害更大。因此開展側(cè)面碰撞安全性研究已成為汽車被動(dòng)安全領(lǐng)域研究的一個(gè)新熱點(diǎn)。
 
1.2.2汽車側(cè)面碰撞研究的內(nèi)容
國(guó)外對(duì)于側(cè)碰的研究則是從上個(gè)世紀(jì)八十年代才開始真正興起，主要集中于以下幾個(gè)方面:側(cè)面碰撞試驗(yàn)臺(tái)的研究，計(jì)算機(jī)模擬側(cè)碰的研究，側(cè)碰中乘員響應(yīng)及傷害指標(biāo)的研究，側(cè)碰假人的研究及側(cè)面碰撞試驗(yàn)法規(guī)的研究等。
(一)側(cè)面碰撞試驗(yàn)臺(tái)的研究
    側(cè)面碰撞試驗(yàn)臺(tái)經(jīng)歷了一個(gè)不斷發(fā)展與完善的過(guò)程，大致分為兩種類型:第一類只有一個(gè)臺(tái)車的試驗(yàn)臺(tái)，Heidelberg^[3]型是其中比較典型的一個(gè)，原理是假人置于座椅上，座椅固定于能水平側(cè)向移動(dòng)的滑車，初始狀態(tài)為假人與滑車一起加速至碰撞速度，然后滑車在短時(shí)間內(nèi)速度減到零，慣性作用下假人在座椅上作側(cè)向移動(dòng)，與固定在座椅上的側(cè)壁障發(fā)生碰撞。此類型的試驗(yàn)臺(tái)其實(shí)更適合于模擬二次碰撞對(duì)乘員的傷害，對(duì)于側(cè)面碰撞而言車門、B柱等發(fā)生側(cè)向變形和位移直接與乘員接觸造成乘員的傷害，因而它不能很好地模擬側(cè)面碰撞中車門與乘員之間相互作用以及能量的轉(zhuǎn)移，對(duì)于研究車門內(nèi)飾和緩沖材料還比較合適。^[4]
    第二類試驗(yàn)臺(tái)，即兩個(gè)臺(tái)車的試驗(yàn)臺(tái)，其中L.M.Morrie.Shaw設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)能夠較好的重現(xiàn)側(cè)面碰撞，基本原理是一運(yùn)動(dòng)的撞擊滑車撞向一靜止的目標(biāo)滑車，座椅及假人固定在目標(biāo)滑車上，連接側(cè)門與目標(biāo)滑車的吸能器用來(lái)模擬側(cè)面碰撞中能量的轉(zhuǎn)移；另一種Douglas .Stein^[5]設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)能比較準(zhǔn)確的模擬真實(shí)碰撞中車門、座椅與假人之間的位置關(guān)系(這對(duì)于研究側(cè)撞氣囊的安裝和打開至關(guān)重要)。第二類試驗(yàn)臺(tái)能很好的模擬了真實(shí)的側(cè)撞情形，對(duì)于研究側(cè)面碰撞乘員約束系統(tǒng)配置尤其是側(cè)撞氣囊的安裝有重要的指導(dǎo)意義。
(二)側(cè)面碰撞虛擬試驗(yàn)技術(shù)的研究
    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬在汽車碰撞安全性的研究中得到廣泛應(yīng)用。顯式有限元方法的成熟標(biāo)志著汽車碰撞安全性研究進(jìn)入了試驗(yàn)和理論研究并重的階段。由于有限元技術(shù)本身的特點(diǎn)，它能夠很好地處理異常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和邊界條件，而且其適用面廣、精度高，因此，該方法一出現(xiàn)就顯示其強(qiáng)大的生命力。各種用于碰撞仿真分析的商用軟件如LS-DYNA,PAM-CRASH,MSC/DYTRAN, NASTRAN, RADIOSS, MADYMO等相繼問(wèn)世^[6]，這些軟件不僅可以在汽車碰撞的有限元仿真中處理結(jié)構(gòu)的大變形問(wèn)題，而且對(duì)碰撞過(guò)程中乘員的仿真分析也有相應(yīng)的處理方法。
    國(guó)外從事側(cè)面碰撞計(jì)算機(jī)模擬研究的工作重點(diǎn)放在了各種數(shù)值模型的建立以及乘員響應(yīng)的研究方面。David J. Segal等人采用集中質(zhì)量模型與CAL-3D軟件建立了15個(gè)剛體的多體模型，研究了側(cè)碰中不同類型的緩沖材料對(duì)身材不同尺寸乘員的傷害程度，認(rèn)為緩沖材料對(duì)乘員損傷的影響較大，而且對(duì)于小身材乘員的影響更大。
(三)側(cè)面碰撞中乘員響應(yīng)及傷害指標(biāo)的研究   
乘員響應(yīng)的研究主要集中在頭部、頸部、胸部、腹部及骨盆等在側(cè)碰中最易受傷的人體部位，這些是進(jìn)行乘員保護(hù)研究的基礎(chǔ)，以對(duì)于乘員約束系統(tǒng)如側(cè)撞氣囊的研究，車體側(cè)圍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如車門剛度、內(nèi)飾板材料特性、座椅尺寸及形狀等都有指導(dǎo)意義。^[7]
    在研究乘員損傷的各種評(píng)價(jià)指標(biāo)方面，美國(guó)韋恩州立大學(xué)的J.Cavanaugh等人做了大量工作，他們?cè)谝幌盗腥梭w死尸試驗(yàn)基礎(chǔ)上研究乘員損傷機(jī)理及承受極限，并運(yùn)用工程軟件MADYMO及PAM-CRASH建立相應(yīng)數(shù)值模型，進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究，以探討側(cè)碰中乘員的保護(hù)。
1.3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在側(cè)面碰撞中的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用狀況
近幾十年來(lái)，計(jì)算機(jī)仿真碰撞技術(shù)迅速發(fā)展，在安全性車身的開發(fā)、乘員保護(hù)措施的優(yōu)化、人體生物力學(xué)、碰撞用假人的開發(fā)等領(lǐng)域中發(fā)揮了重大作用。盡管計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)還不能完全取代昂貴的實(shí)車碰撞試驗(yàn)，但是在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段、樣車的試制、試驗(yàn)次數(shù)的減少、開發(fā)費(fèi)用及周期的降低等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且可重復(fù)性強(qiáng)、結(jié)果信息全面。同時(shí)計(jì)算機(jī)模擬研究的適用面廣、精度高，可以處理很多異常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變形等問(wèn)題，還可以設(shè)定模型的邊界條件和其它特定條件等，因此顯示出強(qiáng)大的生命力。
隨著牛頓矢量力學(xué)、拉格朗日分析力學(xué)、多剛(柔)體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、生物力學(xué)、碰撞理論、材料理論、有限元理論、數(shù)值方法以及計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的不斷提高，汽車碰撞計(jì)算機(jī)模擬理論和方法得到了不斷發(fā)展和完善，涌現(xiàn)出各種用于碰撞仿真分析的商用軟件，如MADYMO、LS-DYNA、PAM-CRASH、MSC/DYTRAN等，其中采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建模的軟件可以模擬碰撞事故中乘員與環(huán)境的相互作用，能很好地再現(xiàn)事故過(guò)程，而采用顯式有限元理論建模的軟件可以用來(lái)描述車身結(jié)構(gòu)的抗撞性，處理很多異常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)大變形問(wèn)題。這些軟件的模擬結(jié)果能與實(shí)車碰撞結(jié)果大致吻合，尤其是對(duì)于車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，可以使用這些軟件和算法在短時(shí)間內(nèi)對(duì)多種方案作出比較，得到滿意的改進(jìn)方案。
國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，對(duì)汽車碰撞過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，不僅能較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)碰撞過(guò)程中乘員的響應(yīng)與傷害程度，同時(shí)還能預(yù)測(cè)汽車結(jié)構(gòu)本身的耐碰撞性能，評(píng)價(jià)汽車耐撞結(jié)構(gòu)的好壞，并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，從而可以經(jīng)濟(jì)快速的評(píng)價(jià)多種設(shè)計(jì)方案，淘汰不合理的設(shè)計(jì)，使技術(shù)人員在車輛開發(fā)早期進(jìn)程就能有效預(yù)測(cè)其被動(dòng)安全性能，加快新車型開發(fā)速度。同時(shí)還可以省去不必要的試錯(cuò)過(guò)程，將碰撞試驗(yàn)的費(fèi)用減少到最低。
 
1.3.1國(guó)外狀況
國(guó)外對(duì)整車碰撞的計(jì)算機(jī)模擬研究始于上世紀(jì)六十年代，但一直受限于計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和算法理論的發(fā)展，真正的突破始于1986年LS-DYNA首次成功地模擬了整車大變形，從此之后，基于動(dòng)態(tài)顯式非線性有限元技術(shù)的計(jì)算機(jī)仿真方法在國(guó)外開始得到廣泛使用。  
在有關(guān)側(cè)面碰撞的計(jì)算機(jī)模擬研究中，國(guó)外從事汽車安全研究的技術(shù)人員已做了大量的工作，其工作重點(diǎn)放在汽車結(jié)構(gòu)本身的耐碰撞性能研究和乘員的響應(yīng)研究方面。Seyer等人^[8]通過(guò)研究不同的MDB與汽車的側(cè)面碰撞，以及汽車與汽車之間的側(cè)面碰撞，得出了以下幾個(gè)結(jié)論：①汽車或者M(jìn)DB的剛度大小決定了碰撞載荷的起始時(shí)刻；②剛度越大，載荷作用在汽車和假人身上的時(shí)刻越早。
Mangala M.Jayasuriya應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，立足于移動(dòng)變形壁障(MDB)與汽車碰撞時(shí)刻之間的相互作用力，研究了IIHS MDB，EuroNCAP MDB,LINCAP MDB對(duì)2車門轎車側(cè)面性能的影響，得出下面的結(jié)論：LINCAP MDB產(chǎn)生的相互作用力是最大的，并且汽車車身后部侵入量最大； IIHS MDB對(duì)車門腰部的侵入量最大。^[9]
乘員響應(yīng)的研究主要涉及頭部、頸部、胸部、腹部及骨盆等部位損傷機(jī)理的研究。因?yàn)檫@些部位不僅是人體最重要的部位，也是碰撞中容易受損傷的部位。這些研究是進(jìn)行乘員保護(hù)研究的基礎(chǔ)，對(duì)車輛的設(shè)計(jì)參數(shù)(如車門的剛度、內(nèi)飾板的材料特性、座椅的形狀與尺寸等)、乘員約束系統(tǒng)(如側(cè)碰氣囊)等的研究都有指導(dǎo)作用。
David J .Sega111^[10]采用集中質(zhì)量模型和CAL-3D軟件所建的包括15個(gè)剛體，并由14個(gè)鉸鏈聯(lián)接的多剛體模型，研究了在側(cè)碰中不同類型的緩沖材料與各種不同尺寸的乘員間搭配的損傷程度，其認(rèn)為:緩沖材料對(duì)乘員損傷的影響較大，且對(duì)小尺寸乘員比對(duì)大尺寸乘員的影響程度更大。
美國(guó)韋恩州立大學(xué)的J.Cavanaugh等人基于一系列人體死尸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的研究工作^{[11. 12. 13. 14. 15. 16]}。內(nèi)容涉及緩沖材料的性能對(duì)乘員的保護(hù)作用;側(cè)面碰撞下乘員損傷的各種評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究；利用工程軟件如MADYMO及PAM-CRASH建立相應(yīng)的數(shù)值模型，并進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)研究，以探討側(cè)面碰撞時(shí)乘員的保護(hù)。
T Zeguer^[17]運(yùn)用有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行了側(cè)碰氣囊的開發(fā)，此種方法已被JAGUAR汽車公司用于實(shí)際的側(cè)面氣囊的研發(fā)中。側(cè)面碰撞下，對(duì)緩沖材料的研究也是工作的重點(diǎn)之一。Michael W .Monk^[18]等人對(duì)用于側(cè)面碰撞的緩沖材料的一般特性進(jìn)行了研究，從減小乘員損傷這個(gè)角度定性地分析了材料所須具備的特性。Hung-Hsu Chen^[19]等人利用集中質(zhì)量法建立了材料與乘員腳部的集中質(zhì)量模型，并用此模型初步探討了材料的特性對(duì)胸部損傷的影響。
還有一部分工作放在對(duì)人體替代物的研究之上。目前，在試驗(yàn)中被廣泛采用的是EuroSID、 BioSID、 USSIDDG三種側(cè)碰假人。Adrian Khan^[20]用有限元軟件RADIOSS建立了BioSID側(cè)碰假人的完整的有限元模型，描述了建立此種模型的步驟及建模過(guò)程中應(yīng)該注意的一些問(wèn)題。Chinmoy Pal^[21]等人也運(yùn)用RADIOSS軟件建立了EuroSID側(cè)碰假人的有限元模型，主要介紹了假人各個(gè)部位的標(biāo)定即確定其形狀、材料等特征的過(guò)程。Emmanuel Lizee等人^[22]收集了大量第50百分位成年男性的身體數(shù)據(jù)，并在一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了相應(yīng)的人體有限元數(shù)值模型。
1.3.2國(guó)內(nèi)狀況
 我國(guó)已經(jīng)開展了側(cè)面碰撞的計(jì)算機(jī)仿真研究。國(guó)內(nèi)現(xiàn)已出現(xiàn)了關(guān)于側(cè)面碰撞計(jì)算機(jī)仿真的文獻(xiàn)。
侯飛等人^[23][24]研究了3種側(cè)門防撞桿結(jié)構(gòu)對(duì)某車型的FMVSS214性能的影響,并提出了相應(yīng)的側(cè)門防撞桿優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。吳毅等人針對(duì)國(guó)內(nèi)某SUV車型，同樣對(duì)側(cè)門防撞桿進(jìn)行了優(yōu)化^[25]。
游國(guó)忠等^[26]人模擬分析了車門結(jié)構(gòu)的側(cè)面抗撞性能，得出結(jié)論：車門防撞桿截面形狀和材料特性將會(huì)對(duì)車門結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剛度的影響；車門內(nèi)增設(shè)吸能泡沫能夠吸收側(cè)面撞擊時(shí)很大的能量；車門內(nèi)飾件材料和形狀直接影響側(cè)面碰撞中能量的吸收，材料的彈性模量越大，吸能效果越好。在文獻(xiàn)[27]中，作者對(duì)B柱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，其提出了B柱的有限元模型邊界約束條件的確定必須以整車仿真數(shù)據(jù)為基礎(chǔ);優(yōu)化中正確地設(shè)定對(duì)B柱有較大影響的邊界條件是非常重要的環(huán)節(jié)。
陳曉東等按照ECER95法規(guī)對(duì)移動(dòng)變形壁障性能的要求及驗(yàn)證試驗(yàn)的方法,建立了移動(dòng)變形壁障的有限元模型，并對(duì)移動(dòng)變形壁障模型的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，并且按照ECER95,對(duì)某國(guó)產(chǎn)轎車進(jìn)行了汽車側(cè)面碰撞計(jì)算機(jī)模擬仿真，得到了與試驗(yàn)結(jié)果基本一致的仿真結(jié)果^[28][29]。
李發(fā)宗等人^[30]分析汽車側(cè)面碰撞仿真過(guò)程參數(shù)設(shè)置對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，簡(jiǎn)單的介紹了Belytschko-Tsay(BT)單元與S/R co-rotational Hughes-Liu(S/R HL)單元兩者之間的差別，BＴ單元的計(jì)算效率高，但是其不能有效的控制　沙漏變形以及單元的過(guò)度翹曲；S/R HL單元計(jì)算速度比BT單元慢8.84，但是該單元能夠較好的控制沙漏變形以及翹曲情況。在沙漏方面，提出了采用粘性沙漏控制方法。關(guān)于這兩個(gè)方面，作者僅從理論上作了分析和對(duì)比，并沒(méi)有通過(guò)實(shí)際的分析來(lái)驗(yàn)證。
高衛(wèi)民、王宏雁，徐敦舸等對(duì)于車身焊點(diǎn)提出了碰撞模擬中常用的模擬方法，提出在碰撞模擬中必須考慮焊點(diǎn)斷裂特性，否則將大大降低碰撞模擬的精度^[31]。薛量等人探討了各種連接方式的不同約束條件和失效準(zhǔn)則。分析了連接失效對(duì)載荷――位移曲線和碰撞吸能特性的影響，結(jié)果表明焊點(diǎn)的強(qiáng)度對(duì)薄壁梁結(jié)構(gòu)的折曲模式有很大的影響，其吸能性能隨焊點(diǎn)的失效而降低^[32]。
張君媛、張敏等人針對(duì)某轎車建立了基于多剛體理論的側(cè)面碰撞乘員約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模型的有效性驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)乘員側(cè)面碰撞傷害指標(biāo)的分析，提出了包含乘員多輸出目標(biāo)值的綜合傷害評(píng)估值。
向晉乾等人以汽車側(cè)面碰撞下的乘員骨盆響應(yīng)為研究對(duì)象，以多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，建立了用于模擬側(cè)面碰撞的多體數(shù)值仿真模型，分析側(cè)面碰撞時(shí)緩沖材料特性參數(shù)和乘員與車門側(cè)面碰撞參數(shù)對(duì)乘員骨盆響應(yīng)的影響 ^[33]。
   綜上所述，在側(cè)面碰撞分析研究方面前人已作了大量的研究工作，為后人鋪平了道路，但是：（1）側(cè)面碰撞計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)性研究的工作還是不夠，在關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定，如單元類型和密度、沙漏控制等方面很少有可借鑒的資源；（2）移動(dòng)變形壁障是側(cè)面碰撞仿真中不可缺少的工具模型，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在對(duì)關(guān)于它的開發(fā)和參數(shù)驗(yàn)證的文獻(xiàn)很少，還沒(méi)有形成一套行之有效的處理方法或處理原則；（3）對(duì)Euro-SID II 假人的驗(yàn)證和修改的文獻(xiàn)很少，特別是關(guān)于全方位的改進(jìn)假人的文獻(xiàn)。本論文針對(duì)其中的一些問(wèn)題，對(duì)側(cè)面碰撞計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車的安全性方面的應(yīng)用做更進(jìn)一步的研究，為計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在我國(guó)安全性設(shè)計(jì)方面的更好的應(yīng)用做出努力。
1.4本課題研究背景和研究?jī)?nèi)容
汽車安全性的研究成為汽車領(lǐng)域一項(xiàng)主要的研究?jī)?nèi)容.實(shí)車的碰撞試驗(yàn)，需要耗費(fèi)大量的資金、人力、物力，數(shù)據(jù)采集困難、破壞性大，因此，汽車碰撞的研究也就受到了很大的限制。在這種情況下就應(yīng)運(yùn)而生了用計(jì)算機(jī)模擬的研究方法，其優(yōu)點(diǎn)在于:不必等新產(chǎn)品制造出來(lái)，在其初期的設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)產(chǎn)品的安全性做出初步的評(píng)價(jià)，可盡早的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，因此極大的降低了開發(fā)的費(fèi)用和縮短了開發(fā)的周期；采用模擬計(jì)算方法可根據(jù)實(shí)車結(jié)構(gòu)作多方案修改，存儲(chǔ)信息量大，而且還可將汽車沿任意斷面剖開，觀察關(guān)鍵零件的變形情況。
LS-DYNA3D是一個(gè)以顯式為主，隱式為輔的通用非線性動(dòng)力分析有限元程序，可以求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性問(wèn)題。用這個(gè)軟件包LS-DYNA建立的殼單元、實(shí)體單元可以構(gòu)造出完整的汽車模型，也可以選用金屬、玻璃、塑料、橡膠等各種材料來(lái)構(gòu)造汽車模型。程序的Automatic-Single-Surface接觸功能可以保證汽車全部構(gòu)件內(nèi)外表面與假人、氣囊、安全帶之間，以及外部障礙物表面相互接觸時(shí)不穿透，可以相對(duì)滑動(dòng)，考慮摩擦，實(shí)現(xiàn)汽車高速碰撞時(shí)全過(guò)程的數(shù)值模擬和有關(guān)數(shù)據(jù)的輸出。該軟件包的眾多優(yōu)點(diǎn)為本課題的順利完成提供了十分有利的條件。
本課題的主要目的是對(duì)微型轎車側(cè)面碰撞計(jì)算仿真應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究，深入其中的一個(gè)環(huán)節(jié)或細(xì)節(jié)，力求掌握其中關(guān)鍵技術(shù)，得到微型轎車側(cè)面碰撞的計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)分析。研究的內(nèi)容歸納為以下幾個(gè)方面：
①對(duì)汽車側(cè)面碰撞計(jì)算機(jī)仿真相關(guān)理論進(jìn)行深入、系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，深入領(lǐng)會(huì)其中具有代表意義的非線性動(dòng)態(tài)有限元法、有限單元類型、單元算法等理論。
②對(duì)微型轎車側(cè)面碰撞計(jì)算的有效性進(jìn)行基礎(chǔ)性研究，重點(diǎn)探討單元類型、單元尺寸以及積分點(diǎn)的選取，分析不同沙漏控制對(duì)計(jì)算精度的影響關(guān)系。
③按照法規(guī)對(duì)移動(dòng)變形壁障性能的要求建立了移動(dòng)變形避障模型。
④建立了某微型轎車的整車模型，對(duì)汽車側(cè)面碰撞虛擬試驗(yàn)中仿真過(guò)程參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與控制，最后對(duì)汽車側(cè)面碰撞進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。分析了仿真的結(jié)果，并對(duì)仿真結(jié)果作出了客觀的評(píng)價(jià)。
 

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