摘要：随着汽车在人们生活中越来越普及，以及各种交通事故的频发，使得汽车安全的问题越来越引起人们的重视。汽车安全一直是全世界面临的共同课题，也是汽车技术发展永恒的主题。汽车碰撞试验是汽车安全研发过程中一个重要的方法和途径。本文分析了汽车模拟碰撞试验装置设计及仿真验证。
关键词：车辆工程；汽车碰撞；仿真验证
一、汽车模拟碰撞试验装置方案设计
1.汽车模拟碰撞试验装置的结构。（1）基架。为整个碰撞试验提供一个稳固的刚性支撑，是整个碰撞试验装嚣的基础。（2）可升降导轨。导轨长10m，最大可调高度1.8m，相当于可调倾角在0到10度左右，可以满足在有关法规规定的碰撞试验速度，通过调节其高度，可以使运动滑车在碰撞前能获得一个接近匀速的运动。（3）滑车。滑车沿导轨运动，每侧有两个起导向作用的滚动轮。利用滑车承载座椅和假人，以试验要求的碰撞速度撞击固定壁。（4）座椅。通过螺纹联结固定在滑车上。座椅采用实车座椅形式，以尽量真实的再现碰撞环境。（5）假人。采用自制假人。假人用安全带固定在座椅上，假人身上装有试验所需的各种传感器，利用假人身体内置的各种传感器采集试验数据。（6）碰撞壁。碰撞壁高1．6m，正面宽度1．2m。在碰撞壁表面安装有碰撞材料，碰撞点的材料采用和实车驾驶室相同的材料，根据具体的试验要求而定，如采用玻璃和橡胶等，以真实的再现如汽车司机和汽车的挡风玻璃相撞等情景。（7）牵引装置。给整个试验提供动力，通过放置在地槽里的滑轮牵引滑车，拉伸橡皮绳到计算出的长度，放松橡皮绳，牵引滑车使其获得预定的碰撞速度。
2.模拟碰撞试验装置的工作原理。本试验台的加速方式采用橡皮绳弹射的加速方式，首先根据试验所要求的碰撞速度，来确定试验所需橡皮绳的长度和根数，弹性橡皮绳通过滑轮联结在滑车上，通过拉伸橡皮绳储存能量，将弹性橡皮绳的弹性势能转化为滑车的动能，给滑车施加一个瞬时极大的力，使其获得一个较大的初始加速度。在可升降导轨的下方开有地槽，给穿过滑轮的橡皮绳留有足够的空间，使其在试验过程中不致影响滑车的运动；根据预先测出的摩擦系数算出摩擦力，根据预定的碰撞速度可以计算出空气阻力，然后根据滑车（含假人和座椅）自重进行计算，使其自重本身沿平行于导轨方向的分力等于摩擦力和风阻的台力，这样在弹性橡皮绳恢复原长后在平行于导轨方向所受合外力为零，使其在碰撞前能获得一个匀速或接近匀速的运动。可升降导轨的调节由多根依靠螺纹锁紧的支撑棒来完成，这些支撑棒安装在碰撞壁和碰撞壁对面一方的基架间；假人用安全带固定在座椅上，座椅采用一般的汽车座椅，以尽量使其接近真实的碰撞环境，座椅固定在滑车上，通过螺纹联结和滑车联结在一起。假人的头部装有加速度传感器，胸部装有位移传感器，腿部装有力传感器，利用这些传感器采集试验数据。当以上准备工作作好后，拉伸弹性橡皮绳到所计算出的长度，用橡皮绳牵引滑车碰撞固定壁，碰撞壁在各碰撞点的材料采用和实车驾驶室相同的材料，根据试验的具体要求来选定贴在碰撞壁表面的材料；通过传感器采集的数据所获得的试验结果与相关的碰撞法规进行对照，以检验试验结果。
3．模拟碰撞试验台的试验步骤。（1）试验前必备参数的确定。①确定导轨与滑车间的摩擦系数。当试验要求的碰撞速度一旦确定后，为了获得运动滑车碰撞围定壁前的匀速运动，必须预先计算出其运动时的摩擦阻力，使其与风阻的合力等于滑车自重沿平行于导轨方向的分量，故此必须测出可升降导轨与滑车间的摩擦系数。然后根据动力和阻力的平衡可以计算出可升降导轨的合适的调节高度。摩擦系数可以根据所用材料查手册获得，但为了更迸一步的准确确定，可以作匀速牵引试验来来测出其摩擦系数。②确定弹性橡皮绳的拉伸量和根数确定弹性橡皮绳的拉伸量和根数是获得试验成功的一个最为重要的因素，因为判断试验成功的标准就是其是否能达到所预期的碰撞速度，而整个试验的主要动力都由弹性橡皮绳来提供，运动滑车所获得的动能主要由弹性橡皮绳拉伸后所储存的弹性变形能所转化而成，所以应该准确计算出其拉伸量，也就是说要由预期的碰撞速度反推出橡皮绳的拉伸量和根数。（2）传感器的安装和试验假人在座椅上的固定。根据预定的试验要求，选择适当类型和数量的传感器，将其安装在假人的测试部位，用安全带固定在座椅上。（3）调节可升降导轨到适当高度。根据前述计算出的结果，将可升降导轨调节到适当的高度。导轨高度的调节由沿导轨方向分布的若干根调节杆完成，然后用支撑杆两端的对顶螺母锁死，以防止出现松动。（4）采集试验数据、分析试验结果。
二、模拟碰撞装置可靠性仿真验证
1.仿真方案和材料参数。本次仿真试验的试验车三维模型采用UG软件建立，导入ANSYS/LS-DYNA软件，建立试验车及障碍物有限元模型，并进行碰撞仿真试验。根据我国汽车碰撞安全法规，汽车碰撞试验中试验车车速应为50 km/h，因此设定试验车以50 km/h的速度与固定壁发生正面直线对心碰撞。障碍物采用刚性体，固定不动，仿真模型材料参数，如表2。
2.仿真结果和分析。为保证汽车模拟碰撞试验准确性，在试验车和固定障碍壁碰撞试验中，试验车运动速度和加速度应与实车碰撞的变化相似。按照我国汽车碰撞安全法规，在某汽车实验中心以50 km/h速度对某款轻型卡车进行正碰试验，得到实车碰撞试验数据。将仿真试验中测得的试验车的速度、加速度曲线与实车碰撞的速度、加速度曲线相比，比较结果如图1。
图1 正面碰撞中试验车与实车的速度和加速度曲线
由图1可知：在汽车与固定障碍壁正碰试验中，试验车的速度、加速度曲线和实车碰撞的速度、加速度曲线变化基本一致。因此，该汽车模拟碰撞装置可以模拟实车正碰试验。仿真试验中，试验车碰撞前的速度为13．9 m/s，碰撞后的反弹速度为0．264 m/s，根据恢复系数e的计算公式：
式中：ν10、ν20为碰撞前瞬间物体A、B的速度（正面碰撞时ν20为负值）；ν1、ν2为碰撞后瞬间物体A、B的速度。计算可得：试验车恢复系数e=0．02。试验车在碰撞过程中为非弹性碰撞，碰撞能量主要通过试验车的塑性变形和弹性变形吸收。试验车在与固定壁发生正面对心直线碰撞碰撞的16～34 ms内，试验车的塑性应变时序如图2。
图 2试验车的塑性应变时序
由图2可知：在碰撞过程中，试验车的塑性应变主要集中在保险杠，塑性应变越来越大，后保持不变，保险杠的最大塑性应变为0．39。说明在碰撞时，保险杠受到最大应力大于材料屈服强度235 MPa，发生了一定的塑性变形，并吸收一部分的碰撞能量；试验车的车架未发生明显的塑性变形，车架吸收的碰撞能量大部分是通过弹性变形吸收的，试验车的强度和刚度满足试验要求。
通过设计计算和ANSYS/LS-DYNA软件的计算机仿真验证，在试验过程中，试验车除保险杠外的其它部件不会发生塑性变形。试验车可以多次重复利用，节约了试验成本。
参考文献：
［1］赵燕．基于约束系统仿真分析的ODB碰撞台车试验设计［J］．汽车安全与节能学报，2014，5（1）：52－57．
［2］韩红．一种新型碰撞试验装置及其控制系统的研发［J］．汽车工程，2017，39（6）：661－666．
论文作者:李宽宽
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/17
标签：滑车论文; 导轨论文; 速度论文; 橡皮论文; 假人论文; 汽车论文; 塑性论文; 《基层建设》2019年第25期论文;