文献综述_综述性文献
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文献综述
一、摘要
随着汽车工业不断发展，汽车作为现代化社会发展和进步的一个重要工具，己经成为我们这个世界上高速发展不可或缺的基本因素。汽车工业高速发展的同时又给我们带来了不容忽视的安全问题。自从世界上第一辆汽车诞生之日，随着汽车保有量的不断增加，因汽车交通安全事故而造成的人员伤亡、财产损失日趋严重。根据事故统计，在交通事故死亡人数中，因正面碰撞导致死亡的接近70%，因侧面碰撞导致死亡的接近30%。在我国交通环境中，道路路口以平面交叉为主，实际生活中由侧面碰撞导致死亡的比例还略高。由此可见，侧面碰撞是我国发生频次较高、造成严重受伤人数较多的交通事故。提高我国汽车产品的侧面碰撞安全性能，对改善我国道路交通安全具有重大意义。
二、研究背景
世界上的汽车工业发达国家早在80年代初就开始了汽车侧面碰撞的试验研究，并开始制定相应的法规。我国于80年代后期也开始对汽车被动安全性进行研究，己在碰撞数据采集和数据处理方面积累了一定的经验，并开展了模拟碰撞试验和实车正面碰撞的试验研究，但在汽车侧面碰撞试验研究方面起步较晚。近年来国外在汽车侧面碰撞机理和车体结构碰撞性能方面己经研究的较为透彻，而我国目前重点进行的还是正面碰撞机理和正面车体结构碰撞性能的研究工作，关于汽车侧面碰撞研究的还不够，有待进一步深入。
汽车安全与节能和环保问题己成为当今汽车工程领域三大具有重要社会、经济意义的研究热点，并得到了有关政府部门的高度重视。汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性两大类，其中主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力}5-0。主动安全性包括行使安全性、环境安全性、感觉安全性和操作安全性。汽车的行使安全性是指汽车的装备保证汽车运行安全，同时具有最佳的动态性能的能力，也就是通常说的良好的制动性能、操纵稳定性、动力性和通过性。被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或车外行人进行保护，以免发生伤害或使伤害降低到最低程度的性能。对应于汽车的主动安全性和被动安全性，汽车安全性研究也分为主动安全性研究和被动安全性研究。总的来说汽车被动安全性研究可分为: 1.车体结构性能研究[fgl:主要研究汽车车体结构在各种碰撞模式下的变形形态和能量吸收水平，确定各主要吸能部件的能量吸收比例，实现能量管理。寻找碰撞载荷有效的传递路径改善车体结构的耐撞性能，在保证乘员生存空间的基础上使车体结构吸收能量最大，而传递给乘员的碰撞能量为最小。2.乘员约束系统研究:主要研究如何避免或减轻车内乘员与车内部件发生二次碰撞(汽车与障碍物的碰撞为一次碰撞)，从而使乘员所受到的伤害降低到最小。主要的研究部件有安全带、安全气囊、安全座椅、转向装置、吸能式内饰等。
3.人体损伤生物力学研究:研究人体在碰撞中的伤害机理、力学响应和承受极限，是关于生物和力学的边缘学科，它试图用物理和力学的方法解释医学物体。其研究基础是力学的基本定律和动物组织的本构方程。
三、国内外研究现状
1、国外研究现状
汽车的碰撞安全性问题是世界汽车工业面临的一大难题，国外对于侧碰的研究则是从上个世纪八十年代才开始真正兴起，主要集中在以下几个方面:侧面碰撞试验台的研究、计算机模拟侧碰研究、侧碰中乘员响应及伤害指标的研究、侧碰假人的研究及侧面碰撞试验法规的研究等。
1）侧面碰撞试验台的研究
侧面碰撞试验台大致分为两种类型: 第一类只有一个台车的试验台，Heidelberg型是其中比较典型的一个。其原理是假人置于座椅上，座椅固定于能水平侧向移动的滑车，初始状态为假人与滑车一起加速至碰撞速度，然后滑车在短时间内速度减到零，惯性作用下假人在座椅上作侧向移动，与固定在座椅上的侧壁障发生碰撞。此类型的试验台其实更适合于模拟二次碰撞对乘员的伤害，对于侧面碰撞而言，车门、B柱等发生侧向变形和位移直接与乘员接触造成乘员的伤害，因而它不能很好地模拟侧面碰撞中车门与乘员之间相互作用以及能量的转移。第二类试验台，即两个台车的试验台。其中L.M.Morrie.Shaw设计的试验台能够较好的重现侧面碰撞，基本原理是一运动的撞击滑车撞向静止的目标滑车，座椅及假人固定在目标滑车上，连接车门与目标滑车的吸能器用来模拟侧面碰撞中能量的转移;另一种Douglas.Stein设计的试验台能比较准确的模拟真实碰撞中车、座椅与假人之间的位置关系。此类试验台都能很好的模拟真实的侧撞情形，对于研究侧面碰撞乘员约束系统配置尤其是侧撞气囊的安装有重要的指导意义。
2）侧面碰撞计算机模拟技术的研究
国外从事侧面碰撞计算机模拟研究的工作重点放在了各种数值模型的建立以及乘员响应的研究方面。David J.Segal等人[13〕采用集中质量模型与CAL-3D软件建立了15个刚体的多体模型，研究了侧碰中不同类型的缓冲材料对身材不同尺寸乘员的伤害程度，认为缓冲材料对乘员损伤的影响较大，而且对于小身材乘员的影响更大。3）侧面碰撞试验法规的研究
对于汽车侧面碰撞的研究及相应法规的制定己成为被动安全性研究的热点。在目前的侧面碰撞领域，主要形成了美国的FMVSS和欧洲的ECE两大法规体系。
2、国内研究现状
1989年清华大学汽车系首先建立了国内第一个简易的实车碰撞试验台并进行了一些探索性的车辆碰撞试验研究，取得了较好的效果，在国内汽车工业界造成了一定的影响。随后，中国汽车技术研究中心、清华大学汽车碰撞试验室、一汽长春汽车研究所、二汽襄樊汽车试验研究所、国家交通部公路交通工程综合试验场，上海汽车检测所等单位也先后建立了汽车碰撞试验设施，国内的汽车碰撞试验研究工作蓬勃开展起来，尤其是在政府部门制定了强制性的汽车碰撞安全法规后，各汽车生产厂家更是加紧了对汽车碰撞安全性的设计与改进的研究工作。
对于侧面碰撞试验法规的研究，目前我国颁布和执行正面碰撞法规《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》(CMVDR 294)[3],《汽车侧面碰撞的乘员保护》(CMVDR 295),《乘用车后碰撞燃油系统安全要求》、《汽车内饰材料的燃烧特性》等强制性国家标准己于2006年1月18日批准发布，从2006年7月1日起，我国已经正式实施汽车侧面碰撞标准。另外为促进汽车安全性能的提高，中国汽车技术研究中心于2006年6月正式推出C-NCAP(中国新车安全评价规程)。
四、国内外汽车侧面碰撞试验技术法规综述
1、国外汽车侧面碰撞试验技术法规综述
为了提高汽车的碰撞安全性，欧美各发达国家先后制定和实施了相应的技术法规，通过汽车安全法规的强制实施，促进汽车厂家切实改进产品安全性。但目前国际上侧面碰撞法规还没有统一，主要有美国的FMVSS214和欧洲ECER95两种碰撞方式。美国与欧洲现有的侧面碰撞法规试验，几乎完全不同，差异很大，主要表现在：移动变形壁障的质量、尺寸、形状及刚度特性不同；碰撞形态不同，如图
1、图2所示；试验所用假人不同；碰撞速度不同；碰撞位置不同；乘员伤害指标不同。其中，美国侧面碰撞法规试验中碰撞形式为27°碰撞角（即台车纵轴线与台车运动方向之间的夹角）；而欧洲ECER95中规定，碰撞形式为0°碰撞角（即移动变形壁障台车纵轴线与被试验车辆纵轴线垂直）。在汽车安全法规的约束下，美国、欧洲等国家和地区的汽车，特别是轿车安全性达到很高的技术水平。但是欧美之间所实施的法规内容不同，给国与国之间贸易造成一定壁垒。所以在世界范围内将碰撞法规统一已引起各国高度重视，并已开始进行协调与统一的研究工作。此外，还应该指出，目前实施的标准还在不断修改、完善，其技术指标有不断提高的趋势。
2、我国汽车侧面碰撞技术法规综述
目前，我国实施的汽车产品认证制度基本上与欧洲相同，并且我国的强制性标准体系正向ECE靠拢。为了将来便于与国际接轨，我国在制定汽车侧面碰撞标准时是以欧洲相关法规（即ECER95）为蓝本。但是中国人体形与欧美国家人体形相差较大且小型车较多，在制定侧碰标准时又参考了日本相关法规。从2006年7月1日起，我国已经正式实施汽车侧面碰撞标准。另外为促进汽车安全性能的提高，中国汽车技术研究中心于2006年6月正式推出C-NCAP(中国新车安全评价规程)
五、侧碰中乘员响应及伤害指标的研究
乘员响应的研究主要集中在头部、颈部、胸部、腹部及骨盆等在侧碰中最易受伤的人体部位，这些是进行乘员保护研究的基础，对于乘员约束系统如侧撞气囊的研究，车体侧围结构的设计如车门刚度、内饰板材料特性、座椅尺寸及形状等都有指导意义。在研究乘员损伤的各种评价指标方面，美国韦恩州立大学的J.Cavanaugh等人做了大量工作，他们在一系列人体死尸试验基础上研究乘员损伤机理及承受极限，并运用工程软件MADYMO及PAM-CRASH建立相应数值模型，进行评价指标的研究，以探讨在侧碰中如何进行乘员的保护。
汽车乘员约束系统性能的优劣直接关系到汽车碰撞过程中乘员的生命安全，如何对约束系统性能进行评价一直都倍受关注，相应制定了不少评价准则。为了统一这些准则，一些国家相继颁布了汽车碰撞安全法规，其中乘员伤害指标是法规检验的核心内容。
侧面碰撞过程中，碰撞能量转化为两部分:一部分被车门、B柱、门槛等的变形，及车门内饰与座椅侧边结构等缓冲材料消耗，另一部分被乘员身体吸收转化为运动能量，这是乘员受伤的直接原因，其大小取决于乘员与车门等侧围部件之间的相互复杂作用。统计数据表明在侧面碰撞中导致致命或人体严重损伤的主要部位依次是头部、胸部、颈部、脊椎、腹部、骨盆及下肢。受伤的原因在于碰撞中车门、B柱等相对乘员的塌陷侵入和直接冲击，在人体各个部位产生的生物力学响应。为了达到最终对乘员的安全保护作用，有必要对这些部位的伤害做进一步研究。由人体生物力学响应所定义的伤害准则更适合于评价人体伤害，这些指标的峰值表明了伤害程度，它们通常由乘员的生物力学响应计算而来，包括加速度、速度、位移和力等。评价侧面碰撞乘员伤害目前广泛使用的有以下指标: 1.头部性能指标(HIC-Head Injury Criterion)目前国际上常用的评价头部伤害程度的指标是头部伤害指数HIC。HIC由头部合成的加速度响应在一定时间内积分得到。当发生头部接触时，头部性能指标包括从初始接触到最后接触的整个接触过程的计算。HIC应小于或等于1000，当没有发生头部接触时，则不必测量或计算HIC值，只记录“无头部接触”。
式中，a(t)是假人头部重心的合成加速度(m/s2)，用重力加速度g(9.81 m/s2)的倍数表示，记录加速度一时间的通道频率等级为1000Hz;t1和t2是碰撞中从初始接触到最后接触过程中的任意两个时刻。通常把最大的积分时间取为3 6ms，既要求t2-t1
胸部性能指数包括肋骨变形指数和胸部粘性指数，其中肋骨变形指数由实际测量得到，胸部粘性指数是计算结果。目前胸部粘性指数不作为考核指标，只作参考。a)肋骨变形指数(RDC一Rib Deflection Criteria)胸部肋骨变形量定义了躯干和肋骨的最大侧向压缩量，它反映了胸部骨折的伤害程度。欧洲ECE R95法规中采用此项指标评价乘员胸部伤害，认为肋骨骨折是胸部最普遍的伤害，而且通常程度会比较严重。胸部变形峰值是胸部位移传感器测得的任一肋骨的变形最大值，通道频率滤波等级为180Hz o RDC应小于或等于42mm o b)粘性指标(VC一Viscous Injury Response)大量的动物实验表明，胸骨的挤压变形量指标不能很好的反应较高速度碰撞造成的伤害的可能性。碰撞能量相同的碰撞试验表明，不同碰撞速度是造成的最大挤压变形几乎是相同的，但随着碰撞速度的提高用简略伤害分级AIS衡量的伤害却在增加。在碰撞速度小于3 m/s时，挤压变形指标是比较合适的，当速度高达3 Om/s，则必须同时考虑挤压变形量和挤压变形速度。
粘性指标VC是变形速度V(t)和相对挤压变形量C(t}的乘积。变形速度V(t)由变形量D(t}差分计算获得，V(t}=d（D(t)）/dt；相对挤压变形C(t}=D(t}/D ,D是躯干的初始厚度。试验结果表明胸部侧向碰撞伤害容忍限度为lm/S，其胸部伤害粘性指标最大值Vcmax 为lm / S，若大于lm/s乘员将受到严重伤害。c)胸部创伤评价指标(TTI一Thoracic Trauma Index)基于人尸体侧面碰撞试验下的胸部肋骨和脊椎加速度参数提出来的胸部创伤指标TTI，可由下式计算: TTI=1.4xAGE+0.5(RIBY+T12Y}x(MASS/Mstd} 式中，TTI一胸部伤害指数，g;AGE一乘员的年纪，岁;RIBY一被撞侧的第四或第八根肋骨的最大侧向加速度值，g;T12Y一胸椎第12处的最大侧向加速度值，g;MASS一乘员的体重，kg;Mstd一标准参考质量(75kg)o 美国FMVSS 214法规要求，对于四门轿车而言TTl的值不能超过85g;对于两门轿车而言TTl的值不能超过90g。若超过此极限值乘员会受到严重伤害。3.腹部受力伤害指标(APF-Abdomen Peak Force)欧洲ECE R95法规中提出了乘员腹部受力伤害指标，规定腹部内力不超过
2.SKN，相当于4.SKN外力，否则乘员伤害将达到严重的程度。它是由安装在假人碰撞侧腹部表面下39mm处的三个力传感器测得的力，经过600Hz滤波后累加所得的最大值。4.骨盆耻骨受力伤害评价指标(PSPF一Pubic Symphysis Peak Force)ECE R95法规中对于骨盆伤害评价应用耻骨受力指标，要求小于6KN，否则骨盆会发生骨折，同时伴有严重的软组织受伤。由安装在假人骨盆耻骨位置的力传感器输出经600Hz滤波后得到。
六、汽车侧面碰撞假人分析
美国和欧洲在侧面碰撞试验中所用的侧面碰撞假人分别为ＵＳ－ＳＩＤ假人和ＥｕｒｏＳＩＤ－Ｉ假人。2个假人都是模拟50百分位乘员男性的。虽然二者都是在Ｈｙｂｒｉｄ－ＩＩＩ（正面碰撞假人）的基础上进行并采用了Ｈｙｂｒｉｄ－ＩＩＩ的一些部件，但它们在构造上存在很大差异。由于这2种假人构造上的差异导致二者在碰撞伤害值评定方面不一样。美国是以假人胸部加速度为基础的，欧洲ＥｕｒｏＳＩＤ－Ｉ是以胸部变形的大小评价的。欧洲ＥｕｒｏＳＩＤ－Ｉ假人较符合中国的人体特征，故我国现在进行侧面碰撞试验时采用的侧面碰撞假人都是欧洲的ＥｕｒｏＳＩＤ－Ｉ假人。除美国，绝大多数国家都采用欧洲的侧面碰撞假人。目前侧面碰撞用假人的体态特征主要是通过西方国家的人体特征来模拟的，而且我国采用的试验假人也都是进口的，这里面有一个全球标准统一的问题。
当然ＥｕｒｏＳＩＤ－Ｉ的机械结构方面存在以下缺点：1）肋骨位移曲线出现“平顶”现象，无法达到其规定的量程；2）突出的背板容易嵌入座椅靠背；3）骨盆内塑料制的髂骨易弯曲变形；4）大腿与耻骨负荷传感器发生接触；5）锁骨与肩总成捆绑在一起；６）腰脊柱发出声响；7）因膝盖之间的碰撞导致耻骨负荷传感器波形出现尖峰。同时，用户还提出对腹部传感器的更新，并认为腹部和骨盆的标定试验要求太高。
七、乘员保护安全性研究
乘员保护安全性研究，从乘员保护的观点出发，以交通事故再现的方式，来分析车辆碰撞前后的乘员与车辆运动状况及损伤状况，并以此为依据来改进车辆结构安全性设计，增设或改进车内乘员保护装置。乘员保护可以从两个方面考虑，一是要有合理的车体构造，以保证车体在事故中产生变形后仍能确保乘员的生存空间;二是要有性能良好的乘员约束装置，以减轻二次碰撞。
1、汽车侧面防撞能力改进与提高
轿车主要吸能结构件的碰撞属于薄壁直梁构件和钣金件的压塌、失稳、撕裂、弯曲失效等非线性大变形吸能过程。对于轿车而言 , 由于其侧面的碰撞缓冲区较小 ,发生碰撞时变形空间较小 ,而且被碰撞部位与乘员距离较近 , 对乘员的伤害较其它类型的碰撞要严重得多 ,所以对于侧面碰撞而言 ,缓冲吸能结构的设计是一项挑战 , 其中最大的问题是 , 即使有足够好的材料来制作缓冲吸能结构 ,但能用于缓冲吸能的空间却十分有限。从理论上讲 , 现在的绝大多数汽车结构设计都难以提供能与前撞和追尾碰撞相比的耐侧撞性能。改进汽车性能 , 加强交通管理 ,减少车祸发生是汽车行业和交通安全部门的重要任务。常用的改进耐撞性能的方法主要包括两个方面 : 增加缓冲吸能区两侧的厚度和加大缓冲吸能区两侧的内部刚度 ,并将碰撞力有效传递到具有保护和吸能作用的梁、柱、地板、车顶和其它部件 ,使撞击力被分散吸收 , 并最大限度地把可能造成的损害降低到最小程度。一般而言可以采用以下措施 : 1)增加车门强度。采用的具体方法有 : ①增加板厚 ,这种方法会使车重增加太多;②增加防撞杆 ,这种方法广泛应用。
2)增加侧围物件的强度 , 包括增大 A 柱、B 柱、C 柱的截面尺寸及板厚 , 以及局部加强侧围与门加强物件的接触部位、立柱与门槛梁和车顶纵梁连接的部件 ,保证侧碰力有效地传递到整个车身。
3)增加门槛梁的强度。在发生侧面碰撞事故时 , 门槛梁并不直接受到撞击 ,但是加强门槛梁 ,可以保证将撞击力有效地分散给地板等重要承力物件。增强措施包括增加承载面积 , 在梁内增加加强板 ,以及填充发泡树脂等。
4)在车身两 B 立柱之间安装横梁系统 ,在仪表板下面以及后风窗下面安装加强横梁。5)合理设计门锁及铰链 ,既要防止汽车发生侧面碰撞时车门自动打开 , 又要保证碰撞后车门能够容易开启 ,以利于乘员的车外救护。同时 ,加强车门铰链 ,有利于将车门所受的撞击力有效地传给立柱。
此外 ,还可以采用新材料、新工艺。比如采用铝合金车体 ,铝质材料的单位质量吸能率高于相应的钢质材料 , 重量为后者的37 %的铝质管可以吸收与钢管相同的能量。由于制造工艺水平的提高 ,整体侧围冲压、轻质合金铸造、激光焊接等工艺越来越多地采用 ,这些方法不但从整体上提高了被动安全性能 ,而且在局部也改善了焊接的连接强度 ,从而最大限度地提高了整车的综合安全性能。当然还可以加装侧面安全气囊 ,在侧碰时 , 也能有效地减少乘员胸、腹、骨盆等部位所受的伤害。
2、侧面安全气囊的匹配与应用
在侧面乘员约束系统中，对假人的自由度采用三点式安全带进行约束。但是有研究表明，安全带对乘员的保护作用没有产生预期的效果。至少在碰撞的主要阶段不明显。因此，在原有乘员约束系统上，通过匹配侧面胸腹部安全气囊来提高乘员保护性能。许多测试项目和实践表明，安全气囊的保护作用是十分显著的，它能够在汽车碰撞时大大减轻乘员受到的伤害，其单独使用可以减少18%的死亡率，而与安全带配合使用时则可以减少47%的死亡率。
1）安全气囊系统的组成及工作原理
汽车安全气囊的基本思想是:在发生一次碰撞后、二次碰撞前，迅速在乘员和汽车内部结构之间打开一个充满气体的袋子，让乘员扑在气袋上。通过气袋的排气节流阻尼吸收乘员的动能，使猛烈的二次碰撞得以缓冲。以达到保护乘员的目的。安全气囊系统主要由传感器、控制器、气体发生器和气袋等组成。其工作原理:传感器感受汽车碰撞强度并将其传给控制器，控制器接收并处理传感器的信号，由控制器判断有必要打开气囊时，立即发出点火信号触发气体发生器，气体发生器点火后迅速产生大量气体，在乘员和汽车内部结构之间展开一个充满气体的气袋，使得在发生碰撞事故时、乘员能够与比较柔软的气袋相接触，而不是与坚硬的汽车结构猛烈碰撞，从而达到减少伤害、保护乘员生命安全的目的。现在美国、欧洲等先进国家除了在方向盘上、仪表板安装前碰撞气袋外，还在后排座椅配备前碰撞安全气袋;在座椅侧面或车身上配备侧碰撞气袋;在汽车顶部配备滚翻气袋，这样汽车一旦发生了碰撞事故，如正面碰撞、侧撞以及汽车的翻滚等，能够全方位的起到保护乘员的作用。
2）侧面气囊的类型
侧面气囊主要包括:头部保护气囊、胸腔保护气囊、胸腹保护气囊和头部及胸部保护气囊，头部保护气囊主要是保护受到撞击一侧的乘员头部以及颈部的，其中又包括两种类型，一是气帘气，另一类是管状气囊，这些都是用来保护乘员头部的。胸腔保护气囊及胸腹保护气囊则最主要保护肋骨、腹部可能还包括骨盆，这主要看气囊的尺寸大小而定，其中按照安装位置不同也有几种不同的类型。头部及胸部保护气囊是同时保护头部、胸部和腹部的，是一种集成式的安全气囊。
3）侧面气囊的设计与优化
建立侧面安全气囊有限元模型，对侧面气囊模型进行CAE对标，验证气囊模型的有效性。选定好气囊初始参数，比如形状、大小、体积等，然后在catia中建立气囊形状，导入hypermesh中划分网格，导入madymo进行仿真实验。
然后对侧面安全气囊设计参数优化。比如气体质量流率、起爆时间、气囊排气孔系数、气囊体积、材料泄气常数、喷气时间等。最后设定每个变量的变化范围和水平，通过正交实验筛选出对乘员保护效果影响最大的几个参数，对这几个参数进行响应面优化得到最优参数组合。
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