陈鲁伟，郭世永，李宇吉

（266520 山东省 青岛市 青岛理工大学 机械与汽车工程学院）

0 引言

随着汽车行业的迅猛发展，我国汽车保有量实现快速增长[1]。截至2020 年6 月，我国汽车保有量达到2.6 亿辆[2]，并且我国以全世界3%的汽车保有量，达到了全世界交通死亡人数的16%，而全球每年有100 多万人死于道路交通事故[3]。根据国外相关机构调查统计，在常见的汽车碰撞事故中，汽车正面碰撞事故约占碰撞事故总数的66.9%[4]，其中相当一部分是由车对车的碰撞所造成[5-6]。虽然汽车正面碰撞的比例占所有碰撞形式的大多数，但是车与车之间同向行驶时的小角度碰撞现象依然存在，而且这种碰撞对人身和车辆造成的损害甚至更大于正面碰撞。这种碰撞不同于车辆正面碰撞时直接引起的撞击和驾驶员损伤，而是分为由碰撞角度造成的事故车的直接损害以及可能由碰撞所引起的事故车的前进方向发生偏转，进而引发碰撞护栏、碰撞其他车辆等状况，即引起二次碰撞的间接损害。进而造成对车辆、驾驶员更加严重的伤害。

关于汽车碰撞的研究方法很多，包括经验法、实验法和模拟仿真法。经验法往往存在个人的主观看法等缺陷以及花费高、实验周期长等缺点[7]；模拟仿真法花费低廉，简便易行，便于观察，能缩短试验周期。近年来，研究汽车碰撞的计算机仿真软件的精确性、实用性、灵活性不断提高，因此在汽车碰撞的实际研究中往往采取模拟仿真法。

在美国的碰撞安全法规中，不仅规定了正面100%碰撞，同时还规定了车辆以≥48 km/h 的速度纵向行驶时，撞到一个垂直于汽车行驶路线的刚性壁障，车辆的行驶路线与转过30°的垂直壁障发生碰撞的汽车碰撞安全标准（适用于乘用车、多功能乘用车、卡车、客车）[8]。我国于2003 年制定的汽车安全碰撞法规中并没有斜角30°碰撞只有0°正面碰撞（只适用于M1 类车辆）[9-10]，所以本次实验碰撞工况并没有在法规中具体规定，只能参考相关法规内容，合理规定实验条件。

本次实验的目是研究车辆同向行驶小角度碰撞时，碰撞角度的不同对车辆的造成的损伤及影响，期望给安全法规的完善提供参考。

1 汽车碰撞的研究步骤和方法

1.1 碰撞研究的步骤

在两车同向小角度的汽车碰撞工况中，以一款SUV 车辆为撞击车辆，同时假设将目标车辆简化为刚性墙，这样就把两车辆同向行驶时的碰撞问题转化为了车辆与刚性墙发生正面大角度碰撞的问题。若假设成立，在本车碰撞工况的研究中唯一变量则为刚性墙的转角，其余条件保持不变。

在建模研究的过程中，首先需要在HyperMesh中对SUV 汽车模型进行网格划分[11]和必要的几何清理，这样可以加快计算速度，提高工作效率；之后还需对划分好的网格进行连接设置、材料属性设置、初始速度设置以及载荷与约束条件的设置等；然后将划分好网格的模型保存为K 文件。利用LSDYNA 对保存好的K 文件进行仿真碰撞计算；最后运用HyperView 等软件对得到的碰撞云图、动图等进行数据分析、归纳总结等后处理，根据后处理结果得出实验结论和相应的观点和建议。

1.2 研究方法和理论依据

1.2.1 研究方法

因为在进行的研究中，SUV 车辆行驶的初速度保持不变，需要不断改变SUV 初速度方向与刚性墙的夹角，因此在模拟研究中可以采用控制变量法：不断改变唯一变量（SUV 初速度方向与刚性墙的夹角，夹角分别10°，20°，30°），其余条件不变，最后通过对比试验数据得出结论。

1.2.2 理论依据

在有限元模型中，每个节点位置和时间关系表示为

在t0时刻初始位置为

每个节点和整体都满足动量守恒、能量守恒和质量守恒定律：

其中牵引力边界条件如下：

位移边界条件如下：

接触内边界条件如下：

式（1）—式（7）中：xi（i=1，2，3，…，a）——i 节点的位移；x'——i 节点的速度=vi（i=1，2，3，…，a）。

通过将以上边界条件代入各节点进行运算可以得到每一个节点的运动规律和能量变化规律与整个结构碰撞响应的特征关系[12]。

2 有限元模型的建立和参数设置

2.1 模型的网格划分

在构建车辆碰撞模型的过程中，因整车零件过多且一部分零件对仿真结果几乎没有影响，所以在构建整车仿真模型时，可以对这部分零件进行简化或者删减处理，然后在处理后的整车模型中进行几何清理等优化措施。而对于汽车碰撞过程中形变较大的部件，则需要对其进行网格细化以提高计算速度。在网格划分过程中，在SUV 这款车型中几乎不变形的结构以及一些无法抽中面的物件采用实体单元划分，对于车内乘员、车内座椅、中控台和内饰等采用质量块代替并赋予相应质量，以提高计算速度。其余物件只需采用抽中面的方法进行2D 网格划分，网格大小大部分为15 mm。进行网格质量检查后，得到符合要求的SUV 的网格模型，包括472 423 个2D 网格和799 个3D 网格。最后完成的网格模型如图1 所示。

图1 SUV 的网格划分Fig.1 Grid division of SUV

2.2 连接设置以及速度设置

在HyperMesh 中，在车体的框架之间采用spotweld 焊点连接来模拟实际中的焊缝，而在连接玻璃与车身框架之间时，可采用rigid 共节点连接模拟可变形体之间的连接关系。同时，连接时注意在同一个节点处不能同时定义两种连接方式，否则计算过程中会报错，影响实验进程。

关于速度设置，根据美国NHTSA 正面全宽碰撞的相关标准，碰撞车辆的速度需≥48 km/h。因此可赋予整车沿X 轴正向速度：70 km/h，即19 444.4 mm/s，使其以19 444.4 mm/s 的速度撞向与汽车行驶方向成夹角的刚性墙，如图2 所示（夹角α分别为10°，20°，30°）。对模型施加向下的重力加速度，重力常数为9 807 mm/s2。

图2 车辆行驶方向与刚性墙的夹角Fig.2 Angle between vehicle driving direction and rigid wall

2.3 控制卡片设置

除了以上参数设置外，还需要进行控制卡片设置，避免计算时出现错误。主要进行的设置卡片有CONTROL_TERMINATION（计算时间长度控制）、CONTROL_TIMESTEP（计算步长设置），其余的控制卡片设置只需保持默认值即可。其中计算时长设置为0.20 s，计算步长为1.52×10-6s。

3 仿真结果分析

在这组控制变量实验的3 个仿真过程中，为了观察到明显的形变，从实验中选取车辆行驶方向与刚性墙夹角为30°的碰撞过程，观察其碰撞云图。从中取3 个代表性时刻的仿真图：车辆与刚性墙刚接触的时刻、车辆刚离开刚性墙时刻以及车辆碰撞完成时刻。由图3 可知，在0～0.015 s 时，汽车正常行驶，直到在0.015 s 时车辆与刚性墙发生碰撞；0.015～0.155 s 是车辆与刚性墙发生碰撞的过程；0.155～0.200 s 汽车已经与刚性墙无接触，直到仿真结束。在这种碰撞角度的碰撞过程中，车辆碰撞刚性墙的一侧的汽车前端发生了明显形变，且碰撞侧的汽车门窗产生了一定的位移，车顶部分由于碰撞向下凹陷一部分，前侧车轮发生明显形变，以至于到碰撞结束前，车轮角度还没有恢复原样。

图3 碰撞夹角为30°的碰撞工况中的重要时刻Fig.3 Important moment in collision working condition with an collision angle of 30°

同时，我们还能观察到汽车的保险杠、吸能盒、水箱、前纵梁等吸能装置只是在横向上的偏移量较大，而在纵向上却几乎没有形变量，借此可推导出上述吸能部位的吸能效果未能充分发挥的结论。这种情况也可能导致碰撞后的汽车存着比较可观的动能，进而引起二次碰撞伤害。希望在汽车研发的过程中可以在汽车前端添加横向吸能装置，以及在车辆前轮转向系受到破坏后能自动锁死汽车前轮的装置，来降低车辆发生碰撞后存在的动能，达到降低车辆及乘员受到二次碰撞伤害的可能性。

4 曲线分析

4.1 能量转换分析

在碰撞数据中，能量转换是需要首先关注的问题。车辆碰撞过程中能量的变化主要是动能转换成内能，依旧符合能量守恒原理，所以在碰撞过程中总能量基本保持不变。从图4—图6 中发现，该车碰撞工况中的能量变化确实是动能变成内能。

图4 碰撞夹角为10°时的能量变化Fig.4 Energy change when collision angle is 10°

图5 碰撞夹角为20°时的能量变化Fig.5 Energy change when collision angle is 20°

图6 碰撞夹角为30°时的能量变化Fig.6 Energy change when collision angle is 30°

在能量转换变化曲线中，从hourglass energy（沙漏能）、internal energy（内能）、kinetic energy（动能）、total energy（总能量）4 条能量曲线就能很好地观察到碰撞模型的能量转换。运用LS-DYNA 观察碰撞过程中的能量变换时，首先采用60 Hz 的滤波通道对其进行滤波处理，这样就可以观察到更加平滑的能量转换曲线。

这组实验中，汽车初始速度保持70 km/h 不变，唯一变量是刚性墙的倾斜角度（10°，20°，30°）。从图4—图6 明显可见：（1）伴随着汽车碰撞的进行，动能不断减少，内能反而不断增加；（2）碰撞过程中，能量的总量（即动能与内能之和）基本不变（符合能量守恒原理）；（3）车辆正面100%全宽碰撞过程中，最终动能基本上都转换成了内能，即使动能还有所剩余，所占比重也很小。由图4—图6 可知，在车辆与刚性墙成小角度碰撞过程中，虽然依然存在动能减少、内能增加现象，但在碰撞结束后，动能并未完全转化成内能，且动能所占比重随车辆与刚性墙夹角的增大而减小。

由上述结果（3）容易推导出，SUV 与刚性墙发生小角度碰撞后，依旧存在较可观的动能。若SUV 与刚性墙碰撞后的行驶路线上存在护栏、其余车辆等障碍物，碰撞车辆发生二次碰撞，进而发生加深对车辆以及乘员伤害情况的可能性比较大。

4.2 A、B 柱的安全分析

车辆碰撞过程中，A 柱与B 柱之间距离的变化会影响驾驶员的安全空间，若A、B 柱之间的距离过小，会损害驾驶员及乘员的生存空间，进而造成损害。角度为30°的碰撞工况结束后，A、B 柱间的距离可判断驾驶员及乘员生存空间的变化。

由图7（a）可见，直到碰撞结束时刻A 柱与B 柱基本没有形变，即驾驶员生存空间在碰撞过程中没有受到威胁。上述结论需要准确的数据支撑，因此分别在图7（a）中A 柱与B 柱上各取一点，并以碰撞结束时刻两者之间距离为基准，求两者之间的增量距离曲线，得到曲线如图7（b）所示。观察到两者之间的最大增量距离d=13.77 mm。增量距离d 很小。数据进一步验证了这种碰撞工况对驾驶员生存空间的改变微乎其微。

图7 碰撞车辆A、B 柱安全分析Fig.7 Safety analysis of columns A and B of colliding vehicles

4.3 车辆两前轮之间的距离分析

因为在仿真过程中忽略了驾驶员对转向系的影响，所以可通过观察SUV 两前轮在碰撞中的距离变化分析车辆转向系是否受到破坏。在图8所示的两前车轮的外侧中心分别取一个点，通过HyperView 测量2 个节点间的距离，以这2 个点在碰撞过程中的距离变化代表两前车轮间的距离变化。

图8 两前轮之间距离的取点Fig.8 Distance between two front wheels

从HyperGrash 中的具体数据结合图9 得到：（1）两轮之间初始距离为1 579.72 mm。（2）夹角为30°时，在0.07 s 时两轮之间最小距离约为1 440.74 mm；夹角为20°时，在0.085 s 时两前轮之间最小距离约为1 438.91 mm；夹角为10°时，在0.10 s 时两前轮之间最小距离约为1 498.24 mm。（3）仿真结束时两轮之间的距离在碰撞车辆与刚性墙的夹角分别为10°、20°以及30°转角时分别为1 508.14，1 456.38，1 455.61 mm。由图9 可知，随着碰撞车辆与刚性墙夹角的变小，两前轮之间最小距离不断变大，且最小距离时间点出现得越晚；随着与刚性墙夹角的变小，碰撞结束时，两前轮之间的距离不断变大但是依旧小于初始距离；从碰撞结束后两前轮之间的距离可以看出，在20°和30°碰撞夹角时转向系受损情况差不多，相较于前两者，10°碰撞夹角时转向系受损较轻。

图9 碰撞夹角分别为10°、20°、30°时两前轮之间的距离Fig.9 Distance between two front wheels when collision angle is 10°,20°and 30°r espectively

这3 种碰撞工况中，两前轮距离最近点到碰撞结束两轮之间距离在波动中逐渐拉远。这是由于碰撞过程中，连接两前轮之间的轴不仅发生弹性形变还发生塑性形变。两前轮之间距离在最小点之后逐渐变大就是轴的弹性形变恢复原状造成的。但直到碰撞结束，两轮之间的距离依旧缩进了一些，这是两前轮之间的轴发生塑性形变造成的。从图8 可见，即使碰撞结束了，前轮的转角还是没恢复。这就从另一方面解释了汽车发生这种碰撞之后发生二次碰撞的可能性，即前轮转角在碰撞后并没有恢复且转向系受到一定破环，不利于汽车转向，从而导致汽车无法有效规避障碍物，进而造成对汽车和乘员的二次伤害。

5 结论

（1）当车辆以一定的速度撞击刚性墙时，随着车辆与刚性墙夹角α的变小，车辆直接受到的损伤程度不断减小，汽车前端的吸能装置（如保险杠，吸能盒等）变形不充分。同时，前纵梁在车辆纵向上的形变可忽略不计，只在横向上发生偏转，使得在碰撞结束后车辆依旧会保持较大内能。

（2）在车辆与刚性墙成小角度碰撞过程中，汽车前端直接受损，通过云图观察最为明显，尤其是两前轮之间的距离。由两前轮间距离变化曲线可知，两车同向行驶时，碰撞夹角为20°、30°的碰撞工况下，到碰撞结束，两轮之间的距离大约缩小了124.11 mm，并且发生碰撞后前轮转过一定的角度，同时转向系遭到破坏。结合结论（1）得出：在两车辆同向行驶小角度碰撞工况中，极易发生二次碰撞，加深对车和人的损害。

（3）此碰撞工况下，汽车A、B 柱之间距离的变化很微小，对驾驶员影响可忽略不计。

（4）本研究存在一定的局限：①刚性墙被撞击时，不会和实际情况下碰撞车辆发生变形、位移等。希望在以后的研究中撞击车辆和被撞车辆都使用汽车模型；②车辆碰撞的实际过程中，司机一定会有相应的自救措施，如快速进行制动、转向等操作，本实验未顾及此类复杂工况。