黄志刚 王立民 张山 闫肃军

摘  要：为研究侧面柱碰及侧面可变形壁障碰撞试验特点，选取某B级轿车分别进行了Euro-NCAP中侧面柱碰试验和C-NCAP侧面可变形壁障（AE-MDB）试验。分析了车身加速度以及假人伤害特点，结果表明：侧面柱碰撞相比可变形壁障碰撞对乘员有更大的损伤风险，车身加速度更大，车身侵入量更大、局部变形更严重。为减少侧面碰撞伤害，需要增加碰撞侧车身局部强度，避免小区域重叠刚性碰撞。

关键字：侧面柱碰；侧面可变形壁障碰撞；假人伤害；车身变形

中图分类号：F407.471      文献标志码：A     文章编号：1005-2550（2023）06-0064-07

Experimental Study on Side Pole Collision and Deformable Barrier Collision of Car

HUANG Zhi-gang， Wang Li-min， Zhang Shan， Yan Su-jun

（China Automotive Technology and Research Center Co.， Ltd， Tianjin 300300， China）

Abstract： In order to study the characteristics of side pole impact and side deformable barrier impact test， a B-class car is selected to carry out the side pole impact test in Euro-NCAP and side deformable barrier （AE-MDB） test in C-NCAP. The characteristics of body acceleration and dummy injury are analyzed. The results show that compared with the deformable barrier collision， the side pole collision has a greater risk of injury to passengers for vehicle body acceleration， at the same time， the intrusion is greater and local deformation is more serious. In order to reduce the side impact damage， it is necessary to increase the local strength of the body at the side of collision to avoid small area overlapping rigid collision.

Key Words： Side Pole Impact; AE-MDB; Dummy Injury; Vehicle Body Deformation

引    言

汽车保有量的增加导致了汽车碰撞事故的增加，在各类碰撞事故中，侧面碰撞占到了事故总数的36%[1]。由于汽车侧面结构刚度弱，缓冲吸能空间小，在受到较大冲击时势必将对乘员带来巨大损伤。侧面碰撞试验可分为侧面可变形壁障碰撞和侧面柱碰，近些年世界各国制定了一系列汽车侧面碰撞规程，包括ECER95、FMVSS214、NCAP等，2006年中国出台了侧面碰撞法规GB20071-2006，重点考察可变形壁障侧面碰撞中假人伤害，在侧面柱碰方面，C-NCAP 2021版中要求电动汽车强制进行側柱碰试验，同时侧柱碰试验已经成为国家标准中的推荐检测项目（GB/T 37337-2019）。侧面碰撞中的车身变形、能量耗散、假人伤害[2] [3]是研究重点，通过改变车身结构及运用新型材料可以有效降低乘员伤害[4] [5]。针对侧面碰撞的学术研究多基于数值仿真，杨济匡[6]通过数值模拟研究了轿车侧面柱碰中结构损伤和乘员伤害特点，还应用MADYMO软件建立了侧面碰撞中侧面碰撞中乘员约束系统模型并对其进行优化[7]，为减少侧面碰撞中乘员胸部伤害，杨济匡采用有限元分析模型、逐步回归代理模型和序列优化方法对头胸部气囊进行了优化设计[8]。Lilehkoohi[9]分析研究了车门和B柱板厚度对假人伤害的影响。Wang[10]通过运用非线性有限元软件LS-DYNA模拟两种碰撞试验形式并参考实车试验数据，对比了两种试验中车身结构的损伤特点。在实车碰撞试验研究上，张维刚[11]利用27组侧面碰撞试验数据，研究B柱侵入速度对假人伤害的影响。朱海涛[12]对Euro-NCAP、FMVSS201、FMVSS214中柱碰试验进行研究，分析在不同试验形式、不同类型假人下车身结构损伤和假人伤害。关于实车碰撞试验，学者较少对侧面柱碰撞和侧面可变形壁障碰撞试验特点和区别加以研究。侧面柱碰对碰撞车辆形变及乘员伤害的影响程度将影响今后国内车辆碰撞法规在侧面柱碰试验方面的发展和要求，有必要对侧面柱碰试验和国内现存侧面可变形壁障碰撞试验在乘员伤害、车辆变形方面特点及区别进行研究。

在本文的研究中，选取某B级轿车分别进行了Euro-NCAP侧面柱碰[13]和C-NCAP AE-MDB试验[14]，对比分析了两种试验中假人伤害特点和车身变形特征，按照规程，试验中均采用World-SID 50%假人，避免因假人类型不同造成的影响，研究结果可为车辆侧面碰撞设计提供参考。

1    试验形式

1.1   C-NCAP侧面可变形壁障（AE-MDB）碰撞

侧面可变形壁障碰撞是C-NCAP中重要组成部分，其试验形式如图1所示。试验台车速度不低于50km/h，其重量为1400kg，前端蜂窝铝类型为AE-MDB，台车碰撞中心线为前排座椅R点向后250mm，蜂窝铝下边缘距离地面400mm。试验车辆摆放位置与台车速度方向垂直，在驾驶员位置放置World-SID 50%假人，在车辆驾驶员后方位置放置SID-IIS女性假人。

按照C-NCAP侧面评价规程，车型评价时需要对前后排假人头部加速度、胸部肋骨位移、腹部肋骨位移、骨盆合力进行采集和分析。C-NCAP评分设定高性能指标限值和低性能指标限值，头部合成加速度指标区间为72g-80g，头部伤害指数指标区间为500-700；胸部变形量性能指标区间为28mm-50mm且胸部伤害指数VC小于1.0m/s，肩部侧向力小于3KN；腹部变形量指标区间为47mm-65mm；骨盆耻骨力性能区间为1.7KN-2.8KN。第二排女性假人头部伤害指标与前排假人相同，胸部变形量性能指标区间为31mm-41mm；腹部变形量性能指标区间为38-48mm，同时要满足胸部伤害指数VC小于1.0m/s；腹部压缩变形量指标区间为38mm-48mm；骨盆合力性能区间为3.5KN-5.5KN。

1.2   Euro-NCAP侧面柱碰撞

Euro-NCAP侧面柱碰试验形式如图2所示，车辆置于其下方滑行地板上，通过牵引系统，地板带动车辆与刚性圆柱碰撞，圆柱直径为254mm，车辆放置角度与速度方向夹角为75°，试验车辆速度为32km/h，试验时驾驶员位置放置World-SID 50%假人，图中虚线表示碰撞线，其位置为经过假人头部质心在车辆上的投影线。按照Euro-NCAP要求，侧面柱碰试验中同样要对假人的胸部及腹部肋骨位移、骨盆合力进行采集。

按照Euro-NCAP评价规則，侧面柱碰撞假人性能指标，头部伤害指数性能区间为500-700；头部合成加速度性能区间为72g-80g。胸部位移性能指标区间28mm-50mm，胸部粘性指数VC小于1m/s，肩部侧向力小于3KN；腹部位移性能指标区间47mm-65mm；骨盆耻骨力性能区间为1.7KN-2.8KN。

2    假人伤害分析

选取某B级轿车分别针对C-NCAP侧面可变形壁障碰撞及Euro-NCAP侧面柱碰进行试验，试验速度分别为50.3和32.3，车辆的整备质量为1858kg（前轴974kg/后轴884kg），两种类型试验驾驶员位置均采用World-SID 50%假人，保证了假人类型的一致性，本文对两种试验前排假人伤害分析，按照头、胸部、腹部、骨盆四个部位不同指标进行。

2.1   头部伤害分析

选取头部伤害指数（HIC）以及3ms合成加速度（G3ms）对头部伤害进行分析，HIC由假人头部合成加速度在一定时间内的积分得到，其按照公式（1）、（2）计算。

（1）

（2）

公式中， 为头部质心合成加速度，AX、AY 、 AZ分别为头部质心三个方向的加速度；试验中t2-t1≤15ms，计算碰撞过程中HIC15的最大值并进行评价。3ms合成加速度G3ms为累积时间达到3ms的头部合成加速度的最大值。侧面柱碰试验以及AE-MDB试验中的头部合成加速度曲线如图3所示，从曲线中可以看出，侧面柱碰试验中，t=58.5ms时，假人头部合成加速度达到最大值71.25g，而侧面可变形壁障碰撞中，当碰撞时刻t=53.35ms时，假人头部合成加速度达到最大值28.53g，此外在整个碰撞过程中，柱碰试验头部合成加速度数值均高于AE-MDB，此时头部受到影响更大。

经过计算，侧面柱碰和AE-MDB试验G3ms以及HIC15分别为：G3ms柱=70.4，HIC15柱=505，G3msAE-MDB=27.75g，HIC15AE-MDB=54。侧面柱碰试验相比AE-MDB试验G3ms和HIC15更大，刚性圆柱的高度高于AE-MDB试验侧碰台车，在竖直方向上撞击范围更广，因此侧面柱碰试验对头部的伤害更大。

2.2   胸部伤害分析

针对胸部，需要分析胸部各肋骨位移以及其粘性系数VC。VC用各肋骨变形速率与胸腔挤压变形率乘积表示：

（3）

式中，D（t）是胸腔厚度随时间变化的关系，D为初始胸腔厚度，VC的单位为m/s。图4-7分别为侧面柱碰和AE-MDB试验碰撞过程中假人胸部肋骨压缩量、粘性系数VC，对于侧面柱碰试验，三根胸部肋骨位移最大值为分别为31mm、24.2mm、28.8mm大于AE-MDB试验中对应肋骨位移25mm、23.1mm、20.75mm。

对胸部肋骨粘性指标VC进行分析，侧面柱碰试验中，胸部三根肋骨VC分别为0.200、0.181、0.294；AE-MDB对应VC值分别为0.203、0.224、0.149。侧面柱碰试验胸部肋骨VC的最大值要高于AE-MDB试验。同时在同一类型试验中不同胸部肋骨位移峰值也有一定的差距。分析其原因，首先，假人胸部不同肋骨相对门内饰距离不同，其次，AE-MDB试验与侧面柱碰试验碰撞角度和碰撞位置不同，侧面柱碰试验中车门相对胸部肋骨位置的侵入量更大，进而胸部伤害指标更大。由此，侧面柱碰试验对假人胸部肋骨冲击更大，导致胸部变形更加严重。

2.3   腹部伤害分析

类似胸部的分析方法，腹部同样对比肋骨位移和肋骨VC，图8-11分别为侧面柱碰撞和AE-MDB试验腹部肋骨位移和肋骨VC曲线。在侧面柱碰试验中，腹部处两根肋骨位移峰值分别为32.7mm和33.4mm大于AE-MDB试验中所对应的肋骨位移峰值26.4mm及24.5mm。同样对于粘性指标VC，侧面柱碰试验腹部肋骨所对应的VC峰值分别为0.285、0.276大于AE-MDB试验中VC峰值0.167、0.165。与胸肋骨不同，无论是侧面柱碰试验还是AE-MDB试验，腹部两根肋骨位移和VC几乎相同，所以这两种碰撞形式对假人腹部的损伤都比较均匀。从车门结构来说，与肋骨高度一致的门内饰与假人腹部肋骨距离几乎相同，由此碰撞时车辆侵入量也较为相近，伤害也近似相同。

2.4   骨盆伤害分析

在对骨盆伤害进行分析时，对比了侧面柱碰和AE-MDB试验中骨盆合力曲线即耻骨力如图12所示。从曲线中可以看出，AE-MDB试验中耻骨力峰值为1.44KN大于侧面柱碰试验中峰值0.82KN，在两个试验中，耻骨力达到峰值的时刻近似相同，此外，AE-MDB试验中耻骨力在达到峰值后相比侧柱碰试验衰减迅速。

分析上述特点原因，两种试验特点不同，撞击时，AE-MDB试验蜂窝铝垂直撞击试验车辆以及假人，而侧面柱碰试验中，试验车辆与刚性圆柱呈一定角度，且碰撞线为过假人头部质心的在车身上的投影线，此时，刚性圆柱与假人骨盆并非是沿速度方向的撞击，故其峰值相比AE-MDB来说较小。

此外，两种试验碰撞过程不同，对于AE-MDB试验，AE-MDB台车的初始能量将转化为碰撞车辆与地面摩擦力做功、假人动能、车辆变形能等。碰撞发生时车辆远离撞击区域一段距离，在其侧向滑动后很快停止，在这个过程中，假人自身由于碰撞造成的影响作用时间较短。与此不同，侧面柱碰试验中试验车辆携带假人以一定的速度撞击刚性圆柱，撞击后，碰撞能量将有大部分要由车辆的损伤变形消耗。在这个过程中，整个碰撞持续发生，所以假人的耻骨力曲线衰减较慢。

3    车身变形分析

在对试验车辆进行两种试验前后的车身变形测量时，选取碰撞侧前后车门某些特征点为测量点。如图13所示，红色水平线1-4和蓝色垂直线1-15划分碰撞侧前后车门，在建立车身坐标系时，以车辆前轴中心为坐标原点，其中水平线1-4的Z坐标分别为615、445、280、-4，垂直线1-15之间相距150mm，水平线与垂直线1-15交点依次为Node0、Node150...Node2100，横纵交错的虚线相交点为车身测量点。绘制侧面柱碰试验和AE-MDB试验中在某一水平线下的与各垂直线交点的变形曲线见图14、15。

从图14中可以看出，在侧面柱碰试验中，车门上不同高度上沿X方向位移变化趋势相同，曲线在虚线框内即Node900周围出现峰值，此区域为碰撞线位置，在侧面柱碰试验中，位移变化更加集中。

相反在图15中，AE-MDB试验车身同样位置的位移变化趋势不同，相比侧柱碰试验，位移变化较小，Node600以及Node1800周围位移较大，虚线框内即Node900至Node1200内位移较小。位移较大区域为车身前后门，而位移相对较小区域恰好为车辆B柱所在位置，该位置结构强度较大，AE-MDB蜂窝铝碰撞表面较为均匀，此区域能够更好地减小形变。

对于B柱位置，两种试验前后同样进行了位移测量，图16-17中为两种试验前后B柱内表面形状和位置變化，其直观的体现了侵入量的大小。AE-MDB试验中，B柱顶端未发生变形，试验前后整个B柱的变形较小；侧面柱碰试验中B柱顶端发生一定的位移且B柱变形更加严重。

B柱加速度曲线可以表征车辆运动和车身变形，图18-19为侧面柱碰和AE-MDB试验中碰撞侧和非碰撞侧的B柱加速度曲线，从曲线中可以看出，AE-MDB试验撞击侧B柱加速度曲线峰值大于侧面柱碰B柱加速度峰值；非撞击侧，侧柱碰B柱加速度曲线峰值大于AE-MDB试验峰值，且衰减较慢。故AE-MDB试验对碰撞车辆碰撞侧B柱局部加速度影响较大，而侧面柱碰试验对车身整体的运动有较大影响。

4    结论

通过对侧面柱碰试验和AE-MDB试验中假人伤害和车身变形进行分析，得到以下结论：

1. 侧面柱碰试验相比AE-MDB试验，假人头部伤害更加严重、胸部以及腹部肋骨位移、粘性指数VC更大；AE-MDB试验相比侧面柱碰试验门内饰相对假人骨盆侵入量大，AE-MDB试验骨盆合力相比侧面柱碰试验更大。

2. 针对车身变形，侧面柱碰试验碰撞区域集中，碰撞侧前后不同高度车门变形曲线趋势相同，峰值明显；AE-MDB试验车身变形曲线较平缓，前后门处位移较大，B柱处由于结构强度较强，位移较小。

3. 对于侧面柱碰和AE-MDB试验中B柱加速度曲线，在撞击侧，AE-MDB试验中加速度峰值更大；与此相反，非撞击侧柱碰加速度峰值更大，衰减较慢，撞击过程持续更久。

4. 侧面柱碰相比AE-MDB试验，对乘员伤害和车辆结构损伤更大，要避免侧面小区域刚性碰撞，同时要增强车身侧面局部强度以降低乘员伤害。

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[13]European Enhanced Vehicle-safety Committee （EEVG）. Euro-NCAP pole side impact testing protocol， Version 4.1. March 2004.

[14]中国汽车技术研究中心，CATARC. C-NCAP， Version 2018.

专家推荐语

屈新田

东风汽车集团有限公司技术中心

CAE专业副总师  高级工程师

本文基于试验数据，对同一款车型侧面柱碰和AEMDB碰撞数据进行了详细对比，总体逻辑清晰，数据充分，文字简洁易懂。本文研究内容对于侧面柱碰、侧面AEMDB碰撞两个工况下的乘员伤害值以及结构变形量分析，有一定参考价值。