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汽車翻滾安全性研究及試驗概覽

文檔作者：曹立波,顏凌波文檔來源：湖南大學(xué)汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月08日
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第2卷第4期
汽車工程學(xué)報
 Vol.2 No.4
2012年7月
 Chinese Journal of Automotive Engineering
 July 2012
汽車翻滾安全性研究及試驗概覽
曹立波,顏凌波
(湖南大學(xué)汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室,湖南,長沙410082)
摘要:各國和各地區(qū)的事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,翻滾事故雖然在所有交通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。通過歸納總結(jié)翻滾碰撞事故的基本特性,從事故數(shù)據(jù)分析、損傷機理和損傷源、物理試驗、仿
真分析和乘員保護這5個方面概括闡述了國內(nèi)外翻滾碰撞安全性的研究現(xiàn)狀,提出了未來在翻滾碰撞安全性研究上需
要解決的一些問題。
關(guān)鍵詞:翻滾碰撞:翻滾試驗:汽車安全:綜述
中圖分類號:U461.91文獻標(biāo)志碼:Ado:10.3969issn20295-1469.2012.04.01
 Overview of Rollover Associated Safety Studies and Tests
 Cao Libo, Yan Lingbo
 (State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body.
 Hunan University, Changsha, Hunan 410082, China)
 Abstract: According to the statistic data in different countries and regions, the proportion which rollover
 accident accounts for is very low in all vehicle crashes but very high in vehicle occupant fatalities. Based on the
 review of literatures, the characteristics of rollover were introduced and the state of the art of the rollover
 safety studies was summarized. The overview was conducted from five aspects, such as the analysis of statistic
 data, the injury mechanism and injury source, the physical test, the computer simulation and the occupant
 protection. The needs of future research were ultimately proposed in the current paper.
 Keywords: rollover crash rollover test vehicle safety overview
根據(jù)各國和各地區(qū)的事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,翻亡人數(shù)的33%3,而且每年因為翻滾事故中人員傷
滾事故雖然在所有交通事故中所占的比例并不大,亡而導(dǎo)致的各方面損失達到了500億美元4。在
但是它在致死事故中所占的比例非常高。在澳大我國,翻滾事故所占比例隨著正面碰撞、側(cè)面碰
利亞,翻滾事故導(dǎo)致了每年27%的交通事故死亡撞事故所占比例的逐漸降低而呈現(xiàn)逐漸增多的趨
人數(shù):在歐洲,因車輛翻滾造成的死亡人數(shù)占勢,同時,我國的翻滾事故還呈現(xiàn)出群死群傷的
所有交通事故死亡人數(shù)的20%2在美國,翻滾事重特大事故特點,其社會影響極為惡劣因此,
故在所有交通事故中所占的比例雖然只有24%,研究翻滾事故安全性、降低翻滾事故中的損傷具
但翻滾事故中的死亡人數(shù)卻占了全部交通事故死有重要的經(jīng)濟和社會意義。
收稿日期:2012-05-25
基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目資助(20121802)
236
汽車工程學(xué)報
第2卷
1翻滾碰撞事故的基本特性
碰撞階段主要是指汽車車頂與地面開始接觸后的
過程。絆翻事故碰撞階段開始時汽車和乘員的初
1.1翻滾碰撞事故的分類
始動態(tài)對最終乘員損傷的程度有著直接的影響,
翻滾是指汽車?yán)@其縱軸或橫軸旋轉(zhuǎn)90°或而這些初始動態(tài)則非碰撞階段中汽車和乘員的
90°以上的運動6。由此可見,翻滾事故從形態(tài)動態(tài)來決定。
上來說基本可以分為汽車?yán)@自身縱軸旋轉(zhuǎn)的翻滾
和汽車?yán)@自身橫軸旋轉(zhuǎn)的翻滾兩個大類。而根據(jù)
表1翻滾事故類型的定義及其所占比例
美國事故樣本數(shù)據(jù)一碰撞事故數(shù)據(jù)系統(tǒng)(National
所占比例/
翻滾類型
乘用車輕型貨車
 Automotive Sampling System -National Automotive
 Sampling System,Nass-Cs)中結(jié)合事故外因
絆翻:汽車的側(cè)向運動被突
然減速或停止而引起的翻
而進行的定義,翻滾可分為絆翻(Trip-over)、拋
滾。該翻滾可能由路緣、坑56851.2
用(Flip-over)、爬翻(Climb--over)、轉(zhuǎn)翻(Turn-
洞、軟地面或爆胎引起。
over)、墜翻(Fall-over)、彈翻(Bounce--over)、
拋翻:汽車因與坡狀物接觸
空翻(End-over-end)、與汽車相撞引起的翻滾
而引起的繞其軸旋轉(zhuǎn)的翻11
滾。該坡狀物可以是護欄端
15.4
(Collision with other vehicle)和其它翻車引發(fā)類型
部或壕溝的背坡等
 Other rollover initiation type)共9種不同的事故
爬翻:汽車爬上或越過固定
形式。其中絆翻、拋翻、爬翻、轉(zhuǎn)翻、墜翻、
障礙物而引起的翻滾。汽車1.5
0.9
彈翻以及與汽車相撞引起的翻滾都屬于汽車?yán)@其
一般沿著其接觸物體方向的
反向翻滾。
自身縱軸旋轉(zhuǎn)的翻滾,而空翻則屬于汽車?yán)@其自
轉(zhuǎn)翻:由高速轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的離
身橫軸旋轉(zhuǎn)的翻滾。表1列出了NASS中各種事心力或轉(zhuǎn)彎時的地面摩擦力5.29.7
故類型的文字定義及在全部事故中所占比例7。
造成的翻滾。
由表1可知,無論是對乘用車還是輕型貨車而言,
翻:汽車在行駛方向上沿
絆翻是所有翻滾事故中最為常見的一種類型,其
著下坡運動,從而使重心離12.9
15.4
開車輪支撐而引起的翻滾。
次是墜翻。圖1顯示了各種翻滾類型的定義。
1.2翻滾碰撞事故的主要階段
彈翻:汽車因與固定物接觸8.4
反彈而引起的翻滾
76
由表1可知,無論對于乘用車還是輕型貨車,
空翻:汽車?yán)@其橫軸的翻滾。0.6
0.1
超過一半的翻滾事故類型為絆翻事故。因此,絆與汽車相撞引起的翻滾237.3
翻事故的研究是翻滾碰撞事故研究的主要內(nèi)容。
其它翻車引發(fā)類型
0.7
0.3
而絆翻事故的主要過程基本可以分為碰撞階段和
非碰撞階段。絆翻事故的非碰撞階段主要是指汽
車失控開始到汽車車頂與地面開始接觸的這段過
程。在這個階段中,汽車首先由于駕駛員誤操作
絆翻轉(zhuǎn)翻爬翻拋翻彈翻
等原因從正常行駛狀態(tài)變?yōu)槭Э貭顟B(tài),汽車會具
有一個顯著的偏轉(zhuǎn)角度。當(dāng)汽車碰到路肩等障礙
物或者地面摩擦力足夠大時,汽車會開始翻滾并
墜翻
空翻與汽車碰撞引起的翻滾
導(dǎo)致汽車車頂與地面發(fā)生碰撞接觸。絆翻事故的
圖NS-CD中翻滾類型的定義
第4期
曹立波等:汽車翻滾安全性研究及試驗概覽
237
部分學(xué)者將非碰撞階段進一步細(xì)分,從而把在x軸方向上的平移運動通常都不是很大,所以
絆翻事故的主要過程劃分為3個階段5.8。其中汽可以忽略該方向上的平移運動。
車側(cè)滑到汽車一側(cè)輪胎或兩側(cè)輪胎離開地面的過
2翻滾碰撞安全性研究進展
程為絆翻事故的初始階段;汽車離開地面后在空
中翻滾的過程為空中階段:汽車空中翻滾后汽車2.1事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果
與地面接觸的過程為接觸階段。
目前,在交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析研究中較普
1.3汽車翻滾碰撞的主要影響參數(shù)
遍的結(jié)論主要有:
(1)翻滾中離翻滾側(cè)較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)端乘員的損傷
圖2顯示了汽車在正常情況下所處的整體和
風(fēng)險要大于離翻滾側(cè)較近的近端乘員1-1。
局部坐標(biāo)系。在翻滾中,汽車開始碰撞的初始
(2)絆翻是所有翻滾事故類型中最為常見的
條件通常由3個狀態(tài)參數(shù)和3個運動參數(shù)共6個
一種
初始碰撞參數(shù)來決定。因此,這6個初始碰撞參
(3)大部分翻滾事故只包含1輛汽車121
數(shù)也決定了翻滾碰撞中汽車怎么翻、翻多少圈、
(4)翻滾事故中車輛翻滾圈數(shù)一般不超過兩
變形程度等動態(tài)響應(yīng)結(jié)果,而這些汽車的動態(tài)響
圈13-14
應(yīng)也直接影響到了汽車內(nèi)乘員的動態(tài)和損傷狀況。
(5)安全帶對翻滾中的乘員拋出有較大的正
面影響10-1117
表2翻滾中與乘員損傷程度相關(guān)的因素
相關(guān)因素
1.車輛翻滾90°的次數(shù)nm
圖2整體坐標(biāo)系與汽車局部坐標(biāo)系
2.車頂與地面接觸的次數(shù)
3.翻滾事故類型
汽車在翻滾碰撞中具有的3個狀態(tài)參數(shù)分別
4.乘員頭部與車頂之間的距離2
翻翻滾事故中的
為偏轉(zhuǎn)角度、傾斜角度和旋轉(zhuǎn)角度。其中偏轉(zhuǎn)角
乘員損傷5.平均車頂變形量2
6.車頂側(cè)梁和B柱的侵入量
度表示汽車?yán)@其局部坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)的角度:傾
7.安全帶的使用情況
斜角度表示汽車?yán)@其局部坐標(biāo)系Y軸旋轉(zhuǎn)的角度
8乘員的拋出情況
翻滾角度是指汽車?yán)@其局部坐標(biāo)系X軸旋轉(zhuǎn)的角
9.乘員的年齡和性別2
度。而3個運動參數(shù)則反映了翻滾中汽車沿整體
坐標(biāo)系中兩個坐標(biāo)軸的平移運動和繞其自身縱軸
除此之外,不少事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計研究還指出了
的旋轉(zhuǎn)運動。其中旋轉(zhuǎn)速度反映汽車?yán)@其自身縱很多與翻滾中乘員損傷程度相關(guān)的因素。表2則
軸所做的旋轉(zhuǎn)運動平移速度反映了汽車沿著整詳細(xì)給出了這些相關(guān)因素。
體坐標(biāo)系Y軸所做的平移運動;跌落速度則反映
在翻滾事故中,乘員頭部和面部損傷的主要
了汽車沿整體坐標(biāo)系Z軸的垂直運動,由于汽車影響因素是翻滾類型和車頂側(cè)向最大變形,而乘
跌落通常是自由落體運動,因此跌落速度也可以員頸部損傷的主要影響因素包括乘員年齡、體重、
用跌落高度來表示。由于在翻滾過程中,汽車失車輛翻滾90°的次數(shù)和車頂豎直方向上的最大變
控前在X軸方向上平移所產(chǎn)生的大部分動能都轉(zhuǎn)形。在未被拋出的所有乘員中,未系安全帶的乘
化成了汽車翻轉(zhuǎn)運動的動能,因此,翻滾時汽車員比系安全帶的乘員有著更高的頭部、面部和頸
238
汽車工程學(xué)報
第2卷
部(Head, Face and Neck,HFN)損傷風(fēng)險;同時2.2.2翻滾事故中的損傷源及相關(guān)爭議
系和未系安全帶的乘員之間有著不同的HFN損傷
通常情況下,車頂往往被認(rèn)為是非拋出乘員
影響因素。表3指明了系和未系安全帶的乘員在頭部和頸部損傷的主要損傷源(01426對于系
翻滾中其HFN損傷的主要影響因素23。
了安全帶的乘員來說,胸部損傷的主要損傷源是
但是,由于翻滾碰撞自身的復(fù)雜性和各類研車體內(nèi)部飾件,而對于未系安全帶的乘員來說,
究中數(shù)據(jù)處理方法和分析方法的不同,目前即使其胸部損傷的主要損傷源是轉(zhuǎn)向柱026然而,
使用類似數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)所分析的結(jié)果也可能會不一由于翻滾碰撞中車體和人體復(fù)雜的動態(tài)響應(yīng)以及
樣。例如,有些研究表明頸部不是翻滾事故中人人們所采用的不同的分析方法和數(shù)據(jù)處理方法,
體最常見的損傷部位之44,而有些研究則顯翻滾事故中車頂?shù)膲鹤冃闻c乘員損傷之間的因
示頸部在翻滾事故中發(fā)生損傷的頻率在所有人體果關(guān)系存在著明顯的爭議。
部位中可排入前3位7.24-25)。因此,需要一種更
直觀來看,車頂壓潰變形的增大會減少乘員
嚴(yán)謹(jǐn)可靠的方法來研究事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
的生存空間從而增大乘員頭部和頸部的損傷風(fēng)險。
表3系和未系安全帶的乘員HFN損傷的重要影響因素在0世紀(jì)50年代初,車頂強度被認(rèn)為在翻滾事
故乘員安全中有非常重要的作用,即車頂強度越
系安全帶乘員未系安全帶乘員
年齡
年齡
強,乘員也就越安全。之后一些學(xué)者也通過分析實
翻滾類型
翻滾方向
際翻滾事故得出類似的結(jié)論支持了這個觀點2
重要影A柱和B柱的變形擋風(fēng)玻璃頂端變形
然而,在1975年, Moffatt提出翻滾碰撞中車頂?shù)?
響因素車輛翻滾90的次數(shù)
壓變形與乘員的頭、頸部損傷沒有因果聯(lián)系的假
靠近乘員一側(cè)的車頂側(cè)
設(shè)。他指出翻滾碰撞中乘員的損傷是由乘員與車體
向最大變形
內(nèi)飾的接觸造成,并非是由車頂?shù)膲簼⒃斐?增加
2.2損傷機理和損傷源
車頂強度雖然可以減小車頂?shù)膲簼⒊潭?但是不一
2.2.1翻滾事故中的損傷形式
定能減少或消除乘員與車體內(nèi)飾之間的接觸,因此
很多研究表明頭部、頸部和胸部是翻滾事故
翻滾碰撞中車頂?shù)膲簼⒆冃闻c乘員的損傷沒有直
中最容易發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的人體部位16.2在接的因果聯(lián)系2不少學(xué)者也通過運用交通事故
翻滾事故中,腦損傷要比頭骨骨折發(fā)生得更為頻數(shù)據(jù)分2-和驗.-32等各種方法驗證
繁,而頸椎骨折則是最常見的頸部損傷2。表4了這一假設(shè)盡管如此,仍舊有很多學(xué)者認(rèn)為車頂
顯示了翻滾條件下人體頭部、胸部、肩部、頸部
的壓潰變形是造成乘員損傷的直接原因,并通過交
和腹部最常見的損傷形式4
通事故數(shù)據(jù)分析2.3-3,重新檢查 Malibu試驗
5-39等各種方法來驗證他們的觀點。
表4翻滾中人體各部位最常見的損傷形式
實際上,車頂剛度對每一款車型應(yīng)該有一個
合理的大小。剛度太大盡管可以減少車頂?shù)膲簼?
人體區(qū)域
損傷形式
頭部
蛛網(wǎng)膜下腔出血
變形,但會增加翻滾碰撞中的碰撞加速度,使乘
胸部
單邊肺部挫傷
員與車內(nèi)的二次碰撞速度增加,從而導(dǎo)致乘員的
肩部
鎖骨骨折
損傷加劇。剛度太小,可能使車頂在翻滾碰撞中
頸部
沒有脊髓損傷的頸椎骨折
產(chǎn)生過大的壓潰變形,直接對乘員頭頸部產(chǎn)生傷
腹部
肝或脾破裂
害。因此,車頂?shù)膭偠燃炔灰颂笠膊灰颂　?
第4期
曹立波等:汽車翻滾安全性研究及試驗概覽
239
2.3物理試驗
除了上述法規(guī)試驗以外,目前翻滾試驗研究
1934年,通用汽車公司進行了第1個汽車翻領(lǐng)域內(nèi)還有不少其它的翻滾試驗,如斜坡/螺旋城
滾試驗,該試驗的方法是將汽車從一個小山坡的翻滾試驗(Ram/《Ramp7CorkcrcwtcstD《轉(zhuǎn)向盤引
頂端翻滾下去40。在此之后的幾十年中,人們發(fā)導(dǎo)的翻滾試驗(Steer-induced- rollover test)6-8
明了各種各樣的整車動態(tài)翻滾試驗,這些試驗包泥土絆翻試驗Soil trip test)-、路堤翻滾試
括使用減速臺車來協(xié)助汽車翻滾或使用專門設(shè)計驗(Embankment test路緣絆翻試驗(Curb trip
的支架結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)汽車翻轉(zhuǎn),其試驗方法越來越test)和壁障翻滾試驗Barrier rollover test)2
先進,試驗種類也越來越繁多。
等等。而在這些試驗中,控制翻滾碰撞系統(tǒng)試驗、
然而,由于翻滾碰撞事故的復(fù)雜性,目前喬丹翻滾系統(tǒng)試驗和動態(tài)翻滾試驗系統(tǒng)試驗是目
各國還沒有頒布一個強制執(zhí)行的法規(guī)試驗來直接前為數(shù)不多的可以重復(fù)實現(xiàn)翻滾試驗的整車試驗。
測試汽車整車翻滾安全性能。到目前為止,美國除此之外,目前翻滾試驗研究領(lǐng)域內(nèi)還存在一些
216號和226號聯(lián)邦機動車安全性法規(guī)(Federal專門用于某項研究的子系統(tǒng)試驗裝置,如頭部位
 Motor Vehicle Safety Standard, FMVSS)是與乘移試驗裝置3、翻滾約束系統(tǒng)測試裝置和
用車翻滾防撞性相關(guān)的強制法規(guī),而歐洲66號汽減速翻滾試驗系統(tǒng)等等
車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)(ECER66)則是與載客人數(shù)超過222.3.1控制翻滾碰撞試驗系統(tǒng)
人的大型客車的側(cè)翻安全性相關(guān)的強制法規(guī)。其
控制翻滾碰撞試驗系統(tǒng)(Controlled Rollover
中, FMVSS216法規(guī)采用剛性平板頂壓的方法進 Impact System,criss7是由美國 Exponent公
行車頂強度測試,其主要目的是為了降低翻滾中司開發(fā)的一套可控制可重復(fù)的試驗系統(tǒng)。該試驗
因汽車車頂壓潰變形侵入乘員艙造成的傷亡?？捎糜谠u價汽車翻滾中車頂與地面碰撞時的整車
而 FMVSS226法規(guī)是一種減少乘員拋出風(fēng)險的試結(jié)構(gòu)性能和乘員約束系統(tǒng)保護性能。如圖3所示,
驗,其主要目的是促進運用側(cè)面安全氣囊來降低在C試驗中,試驗車被連接在一輛拖車后部特
翻滾和側(cè)面碰撞中乘員完全或者部分地從側(cè)面車別設(shè)計的支架上。拖車可通過支架帶著試驗車向
窗被拋出的風(fēng)險42。ECER66法規(guī)則是采用側(cè)翻前行駛,從而給試驗車一個平移速度。在拖車行
的方法來測試大型客車的上部結(jié)構(gòu)強度,其主要駛的過程中,試驗車會一直保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)拖
目的是防止側(cè)翻中客車車頂結(jié)構(gòu)侵入生存空間4車行駛到碰撞區(qū)域時,試驗車脫離支架跌落至地
除此之外, FMVSS208法規(guī)44是唯一涉及乘用面發(fā)生碰撞碰撞接觸時的初始條件,如翻滾角度、
車的整車翻滾碰撞試驗法規(guī),然而,該試驗并未偏轉(zhuǎn)角度、傾斜角度、翻轉(zhuǎn)速度、平移速度和跌
被要求強制執(zhí)行,且有研究表明該試驗由于試驗落高度都可以通過該系統(tǒng)控制而且可在多次試驗
中的汽車損傷嚴(yán)重程度24和汽車初始翻滾角度中重復(fù)實現(xiàn)。美國通用汽車公司在2003年進行的
等原因只能反映實際中很少一部分的翻滾事故同一系列CRIS試驗進一步證明了CRIS試驗可重復(fù)
時,美國公路交通安全管理局(National Highway實現(xiàn)車頂與地面碰撞時的車體動態(tài)特性58。然而,
 Transportation Safety Administration, NHTSA)也CRIS試驗也存在一定的不足,如只能重復(fù)實現(xiàn)翻
認(rèn)為該試驗缺乏多次試驗之間的可重復(fù)性,不適滾碰撞中車體與地面的第1次碰撞,之后車體翻
合作為一個客觀評價結(jié)構(gòu)安全特性的法規(guī)試驗滾直至停止這段過程的車體動態(tài)CRIS試驗無法重
因此,該試驗對車輛翻滾安全性改進的指導(dǎo)意義復(fù)實現(xiàn):無法對翻滾中車體側(cè)滑等一些過程進
有限。
行模擬分析8
汽車工程學(xué)報
第2卷
2.3.3動態(tài)翻滾試驗系統(tǒng)
動態(tài)翻滾試驗系統(tǒng)( Dynamic Rollover Test
 System, DRoTS)是由美國維吉尼亞大學(xué)
( University of Virginia)于2011年研發(fā)完成的一
個翻滾試驗系統(tǒng),是目前全球唯一的由學(xué)校開發(fā)
的整車翻滾試驗系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)的設(shè)計思路基
圖3CRIS翻滾試驗系統(tǒng)
于JRS試驗系統(tǒng),試驗與JRS試驗一樣采用支架
連接被試驗車,并通過支架給車體施加旋轉(zhuǎn)速度
2.3.2喬丹翻滾試驗系統(tǒng)
和跌落速度,然后讓車體與移動平臺相碰從而實
喬丹翻滾系統(tǒng)(Jordan Rollover System,現(xiàn)翻滾中車頂與地面的接觸。盡管如此, DRoTS
JRS)59-6是由美國 Xprts公司開發(fā)的一套多用試驗系統(tǒng)相對JRS試驗系統(tǒng)有了較大的改進,例
途可重復(fù)的翻滾試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于評價汽如 DRoTS試驗可實現(xiàn)試驗參數(shù)的單獨指定和更大
車翻滾中的整車結(jié)構(gòu)安全性能和乘員約束系統(tǒng)保范圍的試驗初始條件,擁有更大的被試驗車輛的
護性能,同時它還可以用于研究翻滾過程中的假尺寸范圍,具備了進行尸體試驗的能力等等。圖5
人動態(tài)響應(yīng)。試驗中,試驗車的兩端與前后支架顯示了 DROTS試驗的基本結(jié)構(gòu)
上的鉸鏈連接,并通過鉸鏈控制在旋轉(zhuǎn)和下落的
同時與一個移動平臺發(fā)生碰撞接觸。與CRIS試驗
一樣,在JRS試驗中,碰撞時車體的動態(tài)初始條
起吊支架
試驗車
件都可以通過支架等控制,而且可在多次試驗中
重復(fù)實現(xiàn)。然而,JRS試驗由于設(shè)計中限制了車體
的側(cè)向位移以及去掉了車輪等部分部件也受到了
是否能真實反映實際翻滾的質(zhì)疑32同時,JRS
試驗也和CRIS試驗一樣無法分析翻滾中車體側(cè)滑
移動平臺
汽車支撐連接桿
和車體空中翻滾等一些過程中的車體動態(tài)和乘員
響應(yīng)另外, NHTSA指出目前JRS試驗中使
圖5 DRoTS試驗示意圖
用的初始參數(shù)大小還缺乏足夠的實際事故數(shù)據(jù)來2.4仿真分析
驗證,因此需要進一步的研究來決定合理的初始
參數(shù)大小JRS試驗的示意圖如圖4所示。
近年來,隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,計算
機仿真開始成為一個非常有效的研究翻滾碰撞的
方法。目前,很多研究人員利用計算機仿真模型
來研究翻滾中汽車和乘員的動態(tài),而這些模型可
以劃分為剛體模型和變形體模型兩個大類。Chou
等人將翻滾仿真模型分為簡單汽車二維剛體模型、
汽車剛體模型、車體結(jié)構(gòu)+假人+約束系統(tǒng)剛體
模型和有限元模型4種類型2,并對多種仿真模
型進行了歸納總結(jié)8,但是,總體上看這些模型
圖4JRS試驗系統(tǒng)裝置
仍然屬于剛體和變形體兩個大類。
第4期
曹立波等:汽車翻滾安全性研究及試驗概覽
241
2.4.1剛體模型
各個翻滾碰撞初始參數(shù)對翻滾中車體動態(tài)和乘
剛體模型主要是運用單個或多個剛體所建立員動態(tài)80.83的影響。
的用于研究車體或乘員動態(tài)的模型。通常情況下,
綜上所述可見,目前有很多計算機仿真軟件
剛體模型還可以進一步劃分為二維剛體模型和三可以用于翻滾碰撞安全的研究,但是,還沒有一
維剛體模型。
個軟件可以在不犧牲模擬準(zhǔn)確性的情況下完整地
二維剛體模型本質(zhì)上是從簡單汽車系統(tǒng)中導(dǎo)模擬包括翻滾觸發(fā)形式、汽車車體在與地面接觸
出的微分公式這些簡單的汽車系統(tǒng)可能由單個時的變形和乘員響應(yīng)等結(jié)果在內(nèi)的整個翻滾過程
剛體組成也可能由通過鉸鏈、彈簧和阻尼器表示因此,各類仿真軟件被單獨或者結(jié)合起來使用以
的懸架系統(tǒng)連接起來的兩個或3個剛體組成。二模擬某個特定的翻滾過程。例如, Digges等人運
維剛體模型主要用于評估汽車的翻滾特性和汽車用HVE軟件重建了翻滾事故的汽車運動特性,并
之間相對的安全特性63,確認(rèn)汽車翻滾穩(wěn)定性標(biāo)將其作為 MADYMO模型的輸入 Gopal等人
準(zhǔn)和開發(fā)翻滾檢測系統(tǒng),模擬各種翻滾試驗來將C- -Crash和 MADYMO結(jié)合來模擬和研究各
理解各種試驗參數(shù)下的汽車動態(tài)響應(yīng)5-67。
種翻滾試驗: Ootani和Pal提出了一種方法將
三維剛體基礎(chǔ)模型主要是指通過三維事故pc -Crash-和A方法結(jié)合來模擬路緣絆翻試驗
重建軟件或者純運動學(xué)模擬軟件所建立的剛體和泥土絆翻試驗: Parent等人將ls-dyna與
模型。這些軟件主要包括HVE(Human Vehicle MADYMO結(jié)合使用來研究不同翻滾碰撞參數(shù)對車
 Environment)-cas ATBArticu體動態(tài)響應(yīng)和乘員損傷結(jié)果的影響yan等
 lated Total Body)7-以及 MADYM75-80等等。人同樣通過結(jié)合LS-dynA和 MADYMO研究了
其中HVE和PC- -Crash通常用于三維翻滾事故的翻滾中假人損傷響應(yīng)和人體損傷響應(yīng)的不同3
重建,而ATB和 MADYMO則常用于翻滾時汽車
表5列出了目前翻滾碰撞安全性仿真研究
和乘員的動態(tài)研究。然而,這些軟件都無法精確
領(lǐng)域的幾個主要軟件在用于翻滾仿真研究時的
模擬翻滾碰撞過程中汽車車頂?shù)淖冃?這也給準(zhǔn)優(yōu)缺點。
確了解翻滾碰撞中變形對乘員的損傷帶來了一定2.5乘員保護
的局限性。
目前,專門用于翻滾碰撞中的被動乘員保護
2.4.2變形體模型
措施并不像正面碰撞和側(cè)面碰撞中的被動乘員保
變形體模型主要是指運用有限元方法來研究護措施那么普遍。較為受關(guān)注的設(shè)計是運用充氣
翻滾事故中汽車變形的有限元模型。目前,有限裝置86,車頂安全氣囊就是其中之一。車頂安全
元方法雖已廣泛用于正面碰撞和側(cè)面碰撞的研究氣囊主要用于降低翻滾中乘員頭部和頸部的載荷。
中,但是由于其較長的計算時間,有限元方法還翻滾臺車試驗結(jié)果表明,當(dāng)車頂安全氣囊打開時,
很少用于翻滾碰撞的研究中。Ni等人在199年假人的頭部和頸部載荷有明顯降低87。除了車頂
運用一個大客車的有限元模型進行了較短的碰撞安全氣囊外,側(cè)面安全氣囊也是一種有效的被動
仿真,這也是2006年之前唯一在文獻中發(fā)表乘員保護措施,它可以有效降低翻滾中乘員的頭
的翻滾有限元仿真模型。之后,隨著計算機技部位移。在2011年3月, NHTSA專門發(fā)布了
術(shù)的快速發(fā)展,有限元模型也越來越多地被用于最新的 FMVSS226法規(guī)。該法規(guī)的主要目的就是
各種翻滾碰撞安全性研究其中包括SAEJ2114運用側(cè)面安全氣囊等防護措施來降低翻滾中乘員
臺車試驗和路緣絆翻試驗中假人響應(yīng)的研究2、完全或者部分從側(cè)面窗戶被拋出的風(fēng)險然而,
242
汽車工程學(xué)報
第2卷
表5各軟件在用于翻滾仿真研究時的優(yōu)缺點
仿真軟件
優(yōu)點
缺點
可對翻滾事故進行良好的重建
無法模擬翻滾時車體的變形
 HVE
可以準(zhǔn)確模擬翻滾側(cè)滑過程中詳細(xì)的汽車動態(tài)能模擬翻滾時乘員動態(tài),但非常耗時,
效果不佳。
可以模擬汽車的運動軌跡和時刻、
翻滾圈數(shù)和大部分相關(guān)翻滾參數(shù)
無法模擬直接的接觸和詳細(xì)的變形
PC- -Crash可確定一定翻滾條件下的汽車穩(wěn)定性和
某些參數(shù)對翻滾的影響
預(yù)測性一般
可良好地進行A與B之間的橫向比較
無法模擬翻滾時乘員動態(tài)
可以模擬出實際事故中乘員損傷情況
無法準(zhǔn)確反映實際事故的詳細(xì)過程
 ATB
可以模擬翻滾中的汽車動態(tài)
無法模擬車體的變形
研究中的
可用于研究翻滾中的翻滾觸發(fā)形式、
乘員響應(yīng)和約束系統(tǒng)性能
可以很好地預(yù)測翻滾初始階段和空中翻滾階段無法模擬車體的變形,因此無法準(zhǔn)確
 MADYMO
的汽車動態(tài)和乘員動態(tài)
模擬翻滾中碰撞階段車體的動態(tài)
可用于研究翻滾中的翻滾觸發(fā)形式、
體形對品
乘員響應(yīng)和約束系統(tǒng)性能
無法模擬碰撞中車體變形對乘員響應(yīng)的影響
可以預(yù)測翻滾中詳細(xì)的汽車結(jié)構(gòu)的變形
雖然理論上可以實現(xiàn)所有翻滾過程的模擬,
但耗時太長。
LS-DyN可模擬翻滾中汽車與地面之間詳細(xì)的接觸過程
可模擬翻滾中的乘員響應(yīng)和約束系統(tǒng)性能
側(cè)面安全氣囊雖可以降低翻滾中乘員從側(cè)面窗戶滾中更好的乘員保護。
被拋出的風(fēng)險,但它對非拋出乘員的保護效果仍
在使用傳統(tǒng)3點式安全帶所進行的安全帶特
舊不清楚
性研究表明,安全帶腰帶與水平面之間的角度越
除了氣囊外,安全帶也是目前翻滾碰撞損傷大,腰帶長度越短,肩帶越靠近D環(huán)點,安全帶
防護中的一個主要措施。研究表明安全帶在降低降低乘員頭部位移的效果越好53。同時,使用預(yù)
非拋出乘員的損傷風(fēng)險方面作用較大系了安緊器3)和限制肩帶和腰帶之間的相互滑動22對
全帶的乘員所承受的損傷風(fēng)險低于未系安全帶的降低翻滾中乘員的位移也有著積極的作用。
乘員所承受的損傷風(fēng)險。安全帶可降低70%到95%
除了對現(xiàn)有3點式安全帶進行改進外,新型
的脊柱或頸部發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的頻率,同時還可降安全帶也是提供翻滾中更好乘員保護的一個安全
低55%的頭部發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的頻率和44%的胸部帶改進方向。各項研究表明,相比傳統(tǒng)3點式安
發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的頻率27。盡管如此,目前汽車中全帶,充氣式安全帶可更有效地降低假人垂直和
的安全帶是主要為正面碰撞所設(shè)計的,它雖可降橫向的位移,4點式安全帶則可降低乘員Z向垂直
低翻滾碰撞中一定的乘員損傷,但還是不能很好位移,但是增大了Y向的橫向位移13+2點式
地阻止翻滾中乘員頭部與車頂?shù)慕佑|6。研究還安全帶對降低翻滾中乘員頭部的位移基本沒有效
表明,乘員在翻滾中的總位移大概為35cm。而目果9293,但雙腰帶式安全帶在降低翻滾中乘員頭
前汽車中車頂?shù)揭粋€坐直的成年人的頭部的距離部位移方面效果明顯
90
大概在5cm到12.5cm之間。因此,有必要對
綜上所述,圖6給出了目前翻滾中一些乘員
安全帶系統(tǒng)進行更好的優(yōu)化或重新設(shè)計來提供翻保護措施的設(shè)計示意圖
第4期
曹立波等:汽車翻滾安全性研究及試驗概覽
243
整車有限元仿真研究主要集中在客車的側(cè)翻研究
上面,主要方法是通過建立某客車的有限元模型,
按照歐洲ECER66標(biāo)準(zhǔn)的要求模擬客車的側(cè)翻過
程,然后根據(jù)仿真結(jié)果提出客車側(cè)翻安全性的改
進方案。這些研究之間主要的區(qū)別只是有些模型
僅包含客車骨架模型97-10,而有些模型則在客車
骨架有限元模型的基礎(chǔ)上添加了蒙皮和擋風(fēng)玻璃
四點安全帶充氣式安全帶3+2式安全帶雙腰帶式安全帶
等子部件的模型02-104。何歡在2007年建立某乘
圖6翻滾碰撞中的乘員保護措施設(shè)計
用車的有限元模型,并按照美國 FMVSS208臺車
試驗法規(guī)程序模擬該車的翻滾過程,并根據(jù)仿真
3我國翻滾碰撞安全研究進展
結(jié)果對該車提出結(jié)構(gòu)改進方案(105。該研究也是目
由于我國汽車工業(yè)起步較晚,技術(shù)基礎(chǔ)仍舊前國內(nèi)為數(shù)不多的乘用車翻滾仿真研究。
薄弱,汽車研究機構(gòu)和企業(yè)在汽車安全方面的研
由此可見,目前國內(nèi)對翻滾中乘員的動態(tài)
究重點主要還是集中在提高汽車正面碰撞和側(cè)面和損傷響應(yīng)、乘用車的整車動態(tài)響應(yīng)和翻滾碰
碰撞兩個方面,關(guān)于翻滾碰撞安全性方面的研究撞影響參數(shù)等方面的研究還很少,有待進一步
基本只限于轎車和客車的仿真研究和客車的翻滾深入研究。
試驗等,其中,仿真研究又主要分為數(shù)學(xué)模型仿
真分析和客車有限元模型仿真分析兩部分。
4結(jié)論
3.1數(shù)學(xué)模型仿真分析
本文在大量文獻研究的基礎(chǔ)上,概括闡述了
目前國內(nèi)外翻滾碰撞安全性的研究現(xiàn)狀。通過以
汽車側(cè)面翻滾的穩(wěn)定性研究是目前國內(nèi)學(xué)者
上概述可以發(fā)現(xiàn),汽車在翻滾過程中通常都同時
進行數(shù)學(xué)模型仿真研究的主要內(nèi)容。其相關(guān)模型
具有多個方向的平移和旋轉(zhuǎn)運動,這也導(dǎo)致了非
主要包括雙軸汽車在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時側(cè)傾運動的數(shù)學(xué)
模型4、汽車側(cè)翻和滾翻的運動學(xué)和動力學(xué)模
常復(fù)雜的汽車和乘員的空間運動,給人們預(yù)測和
研究翻滾事故帶來了極大的困難。目前,汽車翻
型、綜合考慮懸架組合角剛度和輪胎垂向剛度
滾安全性研究領(lǐng)域中仍舊存在事故分析結(jié)果相互
的汽車靜態(tài)側(cè)翻模型以及與汽車絆翻相關(guān)的“推
矛盾、相關(guān)試驗法規(guī)缺乏和相關(guān)仿真模型缺乏等
箱”數(shù)學(xué)模型等等。這些模型被建立的主要目的
問題。因此,開發(fā)一個更嚴(yán)謹(jǐn)可靠的事故統(tǒng)計數(shù)
基本都是為了研究汽車側(cè)面翻滾相關(guān)的穩(wěn)定因素。
據(jù)研究方法,設(shè)計一套翻滾碰撞試驗法規(guī)以及建
3.2整車有限元仿真
立可完整研究翻滾全過程的仿真模型是未來翻滾
由于法規(guī)方面的匱乏,目前國內(nèi)關(guān)于翻滾的碰撞安全性研究領(lǐng)域中急需解決的一些問題。
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作者介紹
責(zé)任作者:曹立波(1964-),男,湖南
通訊作者:顏凌波(1984-),男,湖南
省長沙市人。湖南大學(xué)汽車車身先進設(shè)
省衡陽市人。湖南大學(xué)汽車車身先進設(shè)
計制造國家重點實驗室副主任,教授
計制造國家重點實驗室博士研究生,研
博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向為汽車
究方向為汽車碰撞安全。
車身設(shè)計及安全。
Tel:18273114818
tel:0731-888823715
 e-mail: milanylb@hotmail.com
 E-mail:hdclb@163.com

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