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原文传递乘用车的翻滚碰撞特性及防护措施研究

论文题名：	乘用车的翻滚碰撞特性及防护措施研究
关键词：	汽车翻滚;事故分析;碰撞特性;动态响应;乘员损伤;计算机仿真
摘要：	各国和各地区的事故统计数据显示,翻滚事故虽然在所有发生事故中所占的比例并不大,但是它在致死事故中所占的比例非常高。因此,降低翻滚事故中的损伤具有重要的经济和社会意义。然而,汽车在翻滚过程中通常都同时具有相对于其自身局部坐标系上的多个方向的平移和旋转运动,这也导致了非常复杂的汽车和乘员的空间运动,给人们预测和研究翻滚事故带来了极大的困难。目前,汽车翻滚安全性研究领域中仍旧存在事故分析结果相互矛盾、损伤机理和人体承受极限不明确、相关试验法规缺乏、相关试验假人缺乏和相关仿真模型缺乏等问题。本文在大量的文献研究基础上,对翻滚过程的研究方法、翻滚事故中的乘员损伤因素和乘员保护措施进行了研究。研究工作主要内容及结论如下: 　　1.结合HVE、LS-DYNA、MADYMO和MADYMO Coupling等软件的特点,提出了一个可以对翻滚事故全过程进行仿真研究的方法。通过该方法将汽车和乘员在翻滚事故不同阶段中的动态响应联系起来,建立了一组可用于研究翻滚事故全过程的仿真模型,并运用该组模型进行了仿真分析,证明了该方法的可行性。根据实际的操作过程可以发现,该仿真研究方法可以将翻滚事故中预翻、起翻和翻滚三个阶段之间的相互影响联系在一起研究,这对正确了解翻滚碰撞事故中的汽车和乘员动态响应有着积极的作用。　　2.利用翻滚侧滑阶段的仿真模型对侧滑阶段中的汽车和乘员动态响应进行了研究。汽车动态响应的研究结果表明,在翻滚事故的侧滑阶段中,汽车的侧滑运行轨迹基本可以被视为一条曲线,汽车初始速度的变化会影响侧滑运动轨迹的曲率。其中,汽车的初始速度越小,汽车沿运动轨迹切线方向上的线速度就越小,从侧滑到翻滚所需要的时间就越长,汽车行驶轨迹的曲率也越大。当汽车绕支点翻转时,汽车初始速度的变化会影响汽车从开始翻转到落地这段过程中汽车被抛出的距离。其中,汽车初始速度越大,汽车被抛出的距离也就越远,这也导致汽车被抛出轨迹的曲率越大。　　侧滑阶段乘员动态响应的研究结果显示,在侧滑阶段中,乘员主要受自身重力、汽车转向产生的离心力和汽车翻转产生的离心力的共同作用,在这些力的作用下乘员在汽车侧滑阶段中有着向汽车前端方向和靠近汽车车顶方向移动的趋势,同时乘员还会因为离心力的运动有向外侧(被抛出车体的方向)移动的趋势。当汽车初始速度减小时,汽车转向和翻转时的运动轨迹的曲率增大,由汽车转向和翻转所产生的离心力也增大。因此,远端乘员会有更大的向外侧和前侧的位移,而近端乘员虽然仍旧受重力的主要作用而向外侧和前侧移动,但其最终位移的大小也因为更大的离心力而变小。　　3.运用美国国家碰撞分析中心(National Crash Analysis Center,NCAC)建立的2003款福特探索者整车有限元模型建立了一个详细的乔丹翻滚试验系统(Jordan Rollover System,JRS)有限元模型。运用MADYMO耦合软件将整车有限元模型与MADYMO多面体乘员模型耦合起来,建立了完整的JRS试验仿真模型,并结合2000款探索者的JRS试验图片结果、实际事故案例中的损伤结果和实际翻滚碰撞(Ijnconstrained Real Rollover,URR)仿真的结果验证了该模型的有效性。然后,运用该模型研究了JRS试验中车体首尾两端的约束对翻滚碰撞结果的影响。结果表明,虽然约束对碰撞中的汽车动态响应有一定的影响,但大部分情况下影响不超过10%,因此,该JRS仿真模型基本能够反映URR.事故中的汽车动态响应和从副驾驶员侧开始翻滚的URR事故中的乘员损伤响应。　　4.选取不同的初始碰撞参数数值进行仿真,研究了每个初始碰撞参数的变化对翻滚碰撞中的汽车动态响应和乘员损伤响应的影响。结果显示,翻滚中跌落高度、翻转速度和倾斜角度对汽车的动态响应有着明显的影响趋势。因此,在设计汽车动态翻滚试验时,需重点考虑跌落高度、翻转角度和倾斜角度对汽车动态结果的影响。研究结果还表明,假人模型的损伤响应只与跌落高度有着显著性的关联,而人体模型的损伤响应则与跌落高度、翻转速度和偏转角度存在着明显的关联。因此,在进行将假人作为研究对象的翻滚试验时,跌落高度是需要特别注意的参数;而在设计将尸体作为研究对象的翻滚试验时,跌落高度、翻转速度和偏转角度都是要重点考虑的设计参数。　　5.对比分析了翻滚中假人模型和人体模型之间的动态响应和损伤响应的区别。结果表明,在翻滚碰撞中,由于假人躯体的刚度要比人体躯体的刚度更硬,现有的假人无法准确反映翻滚中人体的损伤响应,其具体表现在假人的头部损伤要比人体的头部损伤更轻微,而假人的颈部损伤和胸部损伤则比人体的相应损伤更严重。因此,如何使假人在翻滚碰撞中的动态响应变得更软是未来制作翻滚试验假人的首要任务。同时,颈部是在翻滚试验假人设计或者现有混Ⅲ假人改进中最需要优先考虑的部件。另外,翻滚中人体要比假人对初始碰撞参数的变化更为敏感,所以,在设计使用尸体的翻滚试验时要比设计使用假人的翻滚试验考虑更多的初始碰撞参数。　　6.通过查阅相关文献和运用计算机仿真指出了锁紧式安全带插扣对翻滚碰撞中的乘员保护有着积极的作用。针对这个结论开发设计了两种具有结构简单、成本低廉、适用范围广等优点的新型安全带锁紧装置,并对该装置进行了有效性试验。试验结果表明该锁紧装置能够在翻滚事故中有效锁止安全带,使肩带不能穿过锁扣进入腰带,从而减少乘员的窜动,实现减少乘员损伤的目的。同时,采用增大材料屈服极限、增加板厚和添加加强板三种方法来提高车顶的强度,并运用仿真方法探讨了不同车顶强度加强方式对乘员损伤的影响。
作者：	颜凌波
专业：	车辆工程
导师：	曹立波
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文