毕业论文范文——基于某车型的25%小重叠偏置碰撞仿真分析研究.docx

1、西安航空职业学院毕业论文基于某车型的 25%小重叠偏置碰撞仿真分析研究姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：25%小重叠偏置碰撞是 IIHS 评价体系中的一种评价工况，从 25%小偏置碰撞测试的试验结果统 计来看，包括豪华品牌在内的许多车型只得到勉强通过（Marginal）和差（poor）的评级，主要原因是车 身结构变形量过大。25%小重叠偏置碰撞速度高、重叠度小，碰撞后车身会变形较严重。所以要想在 25%小 重叠偏置碰撞中取得好成绩，对车辆结构要求较高。本文通过对 IIHS 小偏置碰撞试验数据的研究和优化方 案的不断尝试，提出了小偏置碰撞初步的优化思路，并通过

2、某 SUV 车型小偏置碰撞性能的优化，验证了该 优化思路的有效性，对其他车型提供参考。关键词：小重叠偏置碰撞 车身变形量 优化思路1.引 言随 着 社 会 车 辆 保 有 量 的 不 断 提 高 ， 全 球 每 年 有 120 多 万 的 人 死 于 交 通 事 故 ， 在 所 有 交 通事故中造成死亡最大的碰撞形式是正面碰撞，其中绝大多是小重叠率的碰撞。因此从 2012 年 8 月 份 开 始 ， 美 国 公 路 交 通 安 全 保 险 协 会 (Insurance Institute for Highway Safety， 简 称 IIHS) 开始引入小重叠偏置碰撞的测试项目。IIHS 是

3、世界安全标准的重要组成部分，对各个厂商 的 车 型 进 行 星 级 划 分 ， 评 定 的 星 级 与 车 辆 保 险 费 用 挂 钩 ， 这 些 安 全 性 能 指 数 影 响 着 汽 车 的 销 量 。 同 时 获 得 更 好 的 星 级 评 定 ， 也 能 提 升 了 品 牌 形 象 ， 所 以 促 进 了 各 车 厂 对 安 全 性 研 究 的 持 续 投 入 。 25%小 偏 置 碰 撞 这 种 测 试 方 法 一 经 引 入 ， 包 括 各 路 豪 华 品 牌 在 内 的 许 多 车 型 只 得 到 勉强通过（Marginal）和差（poor）的评级，对于车身设计和制造方面提出了全

4、新的挑战。 最近美国国家公路交通安全局（NHTSA）也发布了一系列针对小偏置碰撞的报告和研究成 果，NHTSA 将来也有可能会将小偏置碰撞纳入法规体系中。目 前 我 国 还 没 有 出 台 针 对 小 偏 置 碰 撞 的 相 关 法 规 ， 所 以 国 内 主 机 厂 商 对 小 偏 置 碰 撞 的 性 能 关 注 相 对 较 少 。 其 中 有 一 些 主 机 厂 及 研 究 机 构 ， 比 如 吉 利 汽 车 、 上 汽 集 团 等 已 经 开 始 了 小 偏 置 碰 撞 的 研 究 工 作 ， 研 究 的 目 的 基 本 上 都 是 作 为 公 司 的 技 术 储 备 ， 严 格 意 义

5、 上 来 说 ， 把 小 偏 置 碰 撞 性 能 作 为 车 型 开 发 目 标 并 在 量 产 车 型 上 实 施 具 体 方 案 车 型 还 没 有 。 本 文 主 要 是 通 过 对某车型小偏置碰撞仿真分析优化，探讨小偏置碰撞性能的一些改进思路。2. 小 偏 置 碰 撞 工 况 简 介2.1 碰撞工况25%小重叠偏置碰撞是 I IHS 评价体系中的一种评价工况，IIHS 也是全球所有被动安全法规体系中唯一一个把小偏置纳入到评价工况的法规。25% 小偏置碰撞工况如图 2 .1 所示，碰撞试验的速度 64.4 1 k m/h ，汽车与壁障的重合程度是车宽的 25 1%。 ， 壁 障 是 由

6、不 易变 形 的 钢 结 构 组 成 。 对 碰 撞 结 果 的 评 价 主 要 包 括 4 个 方 面 ： 车 身 结 构 评 估 、 假 人 伤 害 值 评 估 、 约束系统运动性评估以及基于以上三个方面的总体评估。25%小重叠偏置碰撞速度高、重叠度小，碰撞后车身会变形较严重。要想在总体评价中取 得 好 成 绩 ， 控 制 车 身 变 形 量 是 前 提 ， 因 为 在 总 体 评 价 结 果 中 有 对 车 辆 变 形 量 的 评 估 ； 减 少 碰 撞 时 的 车 身 变 形 量 ， 对 假 人 的 伤 害 值 控 制 也 有 较 大 益 处 ， 总 之 对 车 辆 结 构 的 耐 撞

7、 性 要 求 较 高。2.2 优 化 思 路图 2.1 小偏置碰撞工况示意图从 25%小偏置碰撞测试的试验结果统计来看，豪华品牌在内的许多车型只得到勉强通 过（ Marginal） 和 差 （ poor） 的 评 级 ， 主 要 原 因 是 车 身 结 构 变 形 量 过 大 ， 达 不 到 IIHS 小偏置 碰撞的要求，同时车身结构变形量过大也必然会影响约束系统的稳定性，假人伤害值评估、 约束系统运动性评估也不会太好。IIHS 对在美国市场上热卖的一些主流 S UV 进行过一组测试，这些 SUV 在驾驶员侧都 得到了 Good 评级。现在分别对这些车辆的副驾驶员侧进行 25%小偏置碰撞试验，

8、试验结果 与驾驶员侧差异较大，如图所示 2.2 所示。IIHS 对这个报告并没有明确的指向性，只是呈现 了一个结果，日系 S UV 在驾驶员侧碰撞结果更好，毕竟日常开车驾驶员一定要有人，但是 副 驾 驶不 是 时 时 有 人 ， 这 也 可 能 是 车 辆 制 造 商 没 有 把 驾 驶 员 侧 和 副 驾 驶 员 侧 同 等 对 待 的 原 因 。 造成这些差异是因为车辆制造厂商针对小偏置碰撞驾驶员侧进行了改进，下面以丰田 RAV4 为例进行说明。图 2.2 小偏置碰撞工况示意图从图 2.3 可 以 看 出 ， 丰 田 RAV4 在驾驶员侧的前端做了加强，副驾驶员侧车身结构没有 加 强 。

9、如 图 2.4 所示，副驾驶员侧碰撞后前车门脱落、A 柱变形严重，而驾驶员侧碰撞结果 要 比 副 驾 驶 员 侧 好 很 多 。 这 说 明 RAV4 的 前 端 加 强 对 改 善 小 偏 置 碰 撞 性 能 有 帮 助 ， 这 也 为 我 们对小偏置碰撞性能改善提供了一个思路。图 2.3 丰田 RAV4 前端结构图 2.4 碰撞后 A 柱变形 小 偏 置 碰 撞 时 车 身 结 构 变 形 量 过大 主 要 是 因 为 刚 性 壁 障 与 车 辆 的 重 叠 度 较 小 ， 传 统 的100%正面碰撞、40%偏置碰撞中主要的传递路径是前纵梁、前副车架等，而在小偏置碰撞 中 绝 大 多 数

10、的 前 纵 梁 、 前 副 车 架 是 撞 不 到 的 ， 这 样 就 失 去 了 一 个 最 主 要 的 传 递 路 径 。 小 偏 置 碰撞的主要传力路径主要是上边梁至 A 柱（如图 2.5） 、 轮 胎 至 门 槛 （ 如 图 2.6） 。 目 前 国 内 的 绝 大 多 数 车 辆 在 开 发 时 没 有 考 虑 小 偏 置 碰 撞 性 能 ， 上 边 梁 一 般 都 设 计 的 比 较 弱 ， 在 碰 撞 时 能 传 递 的 力 较 少 ， 吸 收 的 能 量 也 较 少 ， 所 以 如 果 没 有 经 过 优 化 改 进 直 接 来 做 试 验 ， 结 果 一 般 都会比较差。图

11、2.5 上边梁传力路径示意图 图 2.6 车轮传力路径示意图小偏置碰撞的试验速度高达 6 4km/h， 碰 撞 的 初 始 动 能 很 大 ， 如 果 像 传 统 的 100%正面碰撞那样 90%的初始能量由车身变形来吸收的话，只靠 2 条主要传力路径（上边梁至 A 柱、 轮胎至门槛）是非常困难的，车身的变形量必然会比较大。经过对 IIHS 小偏置试验碰撞性 能较好的车型碰撞数据的统计分析，发现性能表现较好的车型在试验时要么 Y 向侧滑都比 较大，要么车辆绕 Z 轴旋转的较早。这样车辆在碰撞过程中就容易从壁障中滑开，避免壁 障直接剧烈撞击门槛，造成门槛的变形量过大。3.某 车 型 小 偏 置

12、碰 撞 优 化以某 SUV 车型 25%小偏置碰撞性能优化分析为例。首先，对基础车型进行了小偏置碰 撞 的 试 验 ， 试 验 结 果 车 体 结 构 变 形 量 过 大 、 约 束 系 统 运 动 性 评 估 较 差 ， 总 体 评 价 结 果 等 级 为 差 （ poor） ， 如 表 3-1 所示。后续对碰撞后车辆进行了拆解对标，由于小偏置碰撞试验车辆 前 悬 架 、 轮 胎 、 转 向 系 统 、 传 动 系 统 失 效 较 严 重 ， 所 以 对 标 工 作 相 对 更 复 杂 ， 在 完 成 对 标 分 析的基础上，开始对车辆进行小偏置性能的优化。图 3.1 小偏置碰撞仿真与试验示

13、意图表 3-1 试验结果评价指标 Good Acceptable Marginal Poor 得分 评级车体结构 0 2 6 10 10 Poor头颈部伤害 0 2 10 20 0 Good胸部伤害 0 2 10 20 0 Good大腿和臀部伤 害0 2 6 10 2 Acceptable小腿和脚伤害 0 1 2 4 2 Marginal约束系统运动 性评估0 2 6 10 10 Poor最终评价 0-3 4 9 10 19 20+ 20 Poor车 辆 原 方 案 在 设 计 时 小 偏 置 碰 撞 性 能 没 有 纳 入 项 目 开 发 目 标 ， 所 以 小 偏 置 碰 撞 性 能 较

14、差 。从 参 考 车 辆 试 验 数 据 分 析 和 各 种 优 化 方 案 的 不 断 尝 试 后 ， 发 现 比 较 有 效 的 改 进 小 偏 置 碰 撞 性 能主要思路：一是让车辆尽量从壁障上滑开；二是让车辆尽可能早的转动。思 路 一 ： 设 法 让 车 辆 在 小 偏 置 碰 撞 时 完 全 从 壁 障 上 滑 开 ， 可 以 避 免 壁 障 猛 烈 的 撞 击 到 门 槛及 A 柱，对控制车辆的变形量有较大好处，但是 IIHS 的实际试验中只有较小部分车辆可 以 做 到 这 点 。 因 为 这 需 要 特 殊 的 车 辆 结 构 以 及 前 部 底 盘 件 失 效 参 数 的 控

15、制 ， 难 度 较 大 ， 我 们 的 车 辆 想 达 到 这 点 需 要 较 大 的 改 动 ， 同 时 失 效 参 数 的 控 制 也 较 困 难 ， 所 以 此 方 案 在 本 车 型 上 基本行不通。思路二：让车辆在 Y 向尽可能早的转动。这个方案实施起来相对容易，要实现车辆尽 可能早的转动的目标，就需要车辆在与刚性壁障接触的前段要产生更大的 Y 向推动力。结 合具体车型，所以采取了以下方案： 1）加强上边梁，更强的上边梁有利于力的传递及能量的吸收，如图 3.2 所示；2）加强上边梁与前纵梁的连接，碰撞时让力通过新增的加强结构更多的把力传递到前纵梁 上，同时会增加车辆的 Y 向推动力，

16、使车辆尽早的旋转，这个加强结果对碰撞性能影响较 大，如图 3.2 所示；3） 加 强 A 柱 及 门 槛 。 要 想 门 槛 和 A 柱 在 碰 撞 后 保 持 良 好 的 状 态 ， 必 须 要 加 强 A 柱及门槛， 如图 3.3 所示。图 3.2 加强上边梁及上边梁与前纵梁连接处图 3.3 加强 A 柱及门槛优化方案的仿真结果从车辆中心 Y 向位移、车辆变形情况、测量点侵入量 3 个方面与 原方案进行了对比。同级别车型在 IIHS 小偏置碰撞试验时车辆中心 Y 向位移随时间变化如图 3.4 所示，同 时加入了该 SUV 优化前和优化后的仿真曲线。从图中可以看出，小偏置性能评价较高的车 型

17、，车辆中心 Y 向的位移一般都较大。优化方案的碰撞过程中车辆中心 Y 向位移更大，说 明同一时刻车辆的旋转更大。优化后的 Y 向旋转位移达到了 IIHS 小偏置碰撞试验同级别车 型中等偏上的水平。图 3.4 车辆中心 Y 向位移随时间变化图如图 3 .5 所 示 ， 0 至 42ms， 加 强 上 边 梁 与 前 纵 梁 的 连 接 部 位 ， 使 更 多 力 传 递 到 前 纵 梁 上 ，增加 Y 向 的 推 力 ， 使 车 辆 尽 早 旋 转 ； 42 至 90ms，加强上边梁，更好地有利于上边梁的力的 传递及吸能；90 至 150ms，加强 A 柱和门槛，提供足够的支撑力的同时，减小门槛

18、和 A 柱 的变形量。图 3.5 车辆变形随时间变化图优化后门槛、A 柱、防火墙侵入量整体上有较大改善，如表 3-1，结构评价指标除转向 管柱外基本可以达到 good 水平。由于仿真模型中没有加入假人，没有考虑假人对管柱以及 管 柱 自 身 溃 缩 的 对 转 向 管 柱 侵 入 量 的 影 响 ， 如 果 把 这 些 因 素 考 虑 进 来 管 柱 的 侵 入 量 会 远 小 于 仿 真 值 。 由 此 可 以 看 出 优 化 方 案 对 改 善 小 偏 置 碰 撞 的 结 构 性 能 起 到 了 很 好 的 效 果 ， 证 明 优 化 思路是正确的。表 3-1 结构评价指标对比结构评估 评

19、价指标 优化前 优化后项目 数量 Good Acceptable Maiginal Poor Maiginal GoodA 柱下铰链（合成位移） 3 160 90左脚尖（合成位移） 1 150 65左歇脚板（合成位移） 1 160 76制动踏板（合成位移） 1 88 60驻车踏板（合成位移） 1 150 225 300 300- -乘员舱 上部侵 入量门槛（横向） 3 50 100 150 150 120 50转向管柱（轴向） 1 50 100 150 150 130 49A 柱上铰链（合成位移） 3 102 51防火墙上部（合成位移） 1 160 71乘员舱 下部侵 入量仪表板左部（合成位移

20、） 1 75 125 175 17596 504.总 结本文通过对 IIHS 小重叠偏置碰撞试验数据的研究和优化方案的不断尝试，提出了小偏 置碰撞初步的优化思路，并通过某 SUV 车型小偏置碰撞性能的优化，验证了优化思路的有 效 性 ， 取 得 了 较 好 的 效 果 ， 具 有 一 定 的 借 鉴 意 义 。 但 是 如 果 要 把 小 偏 置 碰 撞 纳 入 到 项 目 开 发 目标，想要获得较好的碰撞性能还有许多难点要突破：1） 传统的 100%正面碰撞、40% 偏置碰撞中主要的传递路径与小偏置不同，如果把小 偏 置 碰 撞 纳 入 到 开 发 目 标 体 系 中 ， 车 身 前 端 的

21、 设 计 需 要 配 合 调 整 ， 可 能 会 带 来 车 辆 成 本的增加及与其他性能平衡的问题，增加车辆的开发难度；2） 25%小偏置工况的仿真也给仿真工程师带来新挑战，因为小偏置碰撞相对于 100% 正 面 碰 撞 、 40%偏 置 碰 撞 车 身 变 形 会 更 恶 劣 ， 这 样 就 会 导 致 车 辆 在 碰 撞 后 失 效 较 严 重 ， 比 如 轮 胎 的 破 裂 、 焊 点 及 钣 金 的 撕 裂 、 传 动 及 转 向 系 统 的 失 效 等 ， 想 要 准 确 模 拟 出 这 些情况较困难，需要有材料、零部件对标等前期的基本研究数据作为支撑；3） 由 于 小 偏 置 碰

22、 撞 中 的 零 部 件 、 焊 点 、 钣 金 等 失 效 较 多 ， 失 效 对 碰 撞 性 能 的 影 响 较 大 ， 如何保证各种失效在试验时的一致性对设计工程师也提出了更高要求。参考文献：1.肖锋、陈晓峰. IIHS+小偏置碰撞位移导向策略与结构评估方法.汽车安全与节能学报.2013.4. 2. 刘明. 关于 25%偏置碰撞试验及评价方法的研究. 科技前沿. 2006.8.3. 王珏、韩忠浩. 轿车正面碰撞仿真与结构改进. 太原科技.2009.5.4. 朱西产. 汽车正面碰撞试验方法及其发展趋势分析. 汽车工程. 2001.3.5. Insurance Institute for Highway Safety. IIHS_small_overlap_test_protocol（2014 年 版 ） ，2014.致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!