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摘要:为降低座椅鞭打性能研发试验过程中的设备投入成本,对钢筋阻尼式减速台车的整体结构及与推动小车的配合关系两个方面进行优化。结果表明:台车整体刚度提高后,试验获得的波形波动度大大降低,复现30g左右平台波形时,最大波动约为5.4%;复现10g左右平台波形时,最大波动约为3.7%。在此基础上,成功复现出Euro-NCAP标准中低中高三种程度的鞭打波形,为利用减速台车开展鞭打试验奠定了基础。
关键词:鞭打试验;减速台车;波形复现;台车刚度;波动度
Research on Whiplash Tests Capability of the Steel Bar Damp Deceleration Sled
Hu Xiangling Shi Yutao
(Great Wall Motor Technology Center, Hebei Auto Engineering Technology Research Center, Baoding 071000,China)
【Abstract】 In order to reduce the costs derived from facility introduction in the process of seat whiplash performance development, the whole structure of the steel bar damping decelerated sled as well as the matching with propulsion mechanism thereof were all optimized. Results indicated: after the improvement in rigidity, the wave fluctuation fell dramatically. The max fluctuation was 5.4% where the wave of 30g around platform was reproduced; the max fluctuation was 5.4% where the wave of 10g platform around was reproduced. Based on the results, three kinds of whiplash waves i.e. low, medium and high ones were reproduced and lay the foundation for utilizing decelerated sled to perform the whiplash tests.
Key words: whiplash tests;deceleration sled;wave repeat;sled rigidity;fluctuation
1.引言
在追尾碰撞交通事故中,前车乘员颈部常常会造成挥鞭伤。挥鞭伤,其定义为由后方或侧方撞击所致的颈部加速减速机制所造成的骨或软组织损伤,这种损伤造成颈部长期甚至永久性缺陷的概率较高。因此,在欧盟新车评价规程(Euro-New car assessment program,Euro-NCAP)及中国新车评价规程(China New Car Assessment Program,C-NCAP)等标准中,都规定有低速后碰撞颈部保护试验——鞭打试验[1-2]。
鞭打试验,目前都是通过加速台车进行,而加速台车设备造价昂贵,每套设备本身造价高达一两千万元,不利于试验能力的普及。在这种情况下,本文对低成本的钢筋阻尼式减速台车的鞭打试验能力进行了研究。
2鞭打试验的法规要求
鞭打试验通过台车进行。对于加速台车,试验中,将试验座椅背对发射机构固定在台车上,并安放上Whiplash假人。试验时,发射机构按一定的加速度曲线将台车打出去,并保证最终的速度满足试验要求。在Euro-NCAP规程中,提出了低、中和高三种鞭打测试方法,其碰撞速度分别为16.1±0.8 km/h、15.65±0.8 km/h及24.45±1.2 km/h,同时,碰撞过程中所生成的加速度曲线要分别满足各自的限值范围要求,具体要求分别如图1~图3所示。
图3 Euro-NCAP鞭打波形范围要求(高程度)
对于减速台车,试验中是保证台车加速到要求的最高速度后开始减速,要求加速过程平稳,不能使假人发生晃动,且减速曲线取反后分别满足图1-图3的要求。
分析图1至图3所要求的曲线范围的形状。从图1和图3曲线可以看出,所生成波形均经历了上升、持续、下降三个阶段;从图2可以看出,中等程度试验波形经历了上升和下降过程,但下降过程特别缓。
综合分析图1至图3曲线范围,对于减速台车而言,在减速过程中,要求初始减速要快(减速度曲线取反后上升过程要快)、持续过程波动不能超过1g、减速结束过程要慢(减速度曲线取反后下降要慢)。
3钢筋阻尼式减速台车波形复现原理及能力
减速台车试验系统,具有成本低、效率快、复现波形的精度相对较高及重复性可控等特点,该系统主要包括刚性的台车和波形复现器两部分。其中,波形复现器采取的吸能方式各式各样,一般包括钢板条、塑料管、钢筋条、液压等形式,诸多形式中以钢筋阻尼吸能表现相对出色。
3.1钢筋阻尼式减速台车波形复现原理
a)通过对钢筋预变形增加其动摩擦力,即增加钢筋的阻尼效果,如图4所示。
b)通过调整钢筋的摆放方式来调整加速度波形:在台车与钢筋冲击过程中,遇波形突升,则冲击至此有钢筋叠加,钢筋根数依据峰值大小确定;在钢筋总根数一定的情况下,摆放的排数由波形上升时的斜率确定,斜率大,排数集中,斜率小,排数分散;遇波形突降,冲击至此遇空位,且原有钢筋有脱离,脱离根数依下降幅度调整。[3-4]
图5 钢筋阻尼式吸能器设计理念
例如,图5中,第一排有4根;第二排位有4根,冲击至此叠加至8根,且第一、二排摆法调整了初始幅值;第三排空档,即冲击至此时,此处未摆钢筋,且前面摆的钢筋被冲击到此时有2根脱离,只剩余6根,由此调出下降幅度;第四排有6根,冲击至此时钢筋叠加至12根,调出上升幅度。
c)由于不同批次的钢筋阻尼效果略有差异,因此需预先进行标定。
3.2当前钢筋阻尼式减速台车试验系统的复现能力
钢筋阻尼式减速台车试验系统能够基本复现正碰、座椅、行李箱、安全带动态冲击等波形,但随着频繁使用,波形的波动相对较大,在采用小车推动作为动力源的台车试验中经常出现未知的凹坑。另外,由于钢筋弹性较强,台车回弹速度往往较快。该现象反映到波形上,则波形的归零速度很过快。通常所复现的波形如图6所示。
4.3优化结果
图14为整体优化后的试验结果,其持续阶段加速度的最大波动为1.9g,占目标峰值35g的5.4%。考虑到鞭打试验的速度低,加速度幅值不高。为了考查优化后结构在低速碰撞中波形的波动度和持续阶段的稳定性,进行了16km/h的低速碰撞试验。试验后的波形如图15所示。
图15中,持续阶段的最大波动为0.37g,占目标峰值的3.7%,结果要好于高速碰撞情况下的波形相应特性。分析原因:复现低g值时,所需的钢筋数量和排数更少,钢筋之间的挤压对波形的干扰更小,波动也会更小。即,钢筋越少,波形的波形度越小,稳定性越好。
经过上述优化,新的减速台车试验系统具备了复现鞭打试验波形的基础条件。
5.鞭打波形复现
图2中,中等程度鞭打波形的下降阶段比较缓慢(斜率小),考虑到钢筋自然归零较快(斜率大),因此,若要满足要求,必须考虑钢筋脱离。
根据图2波形范围要求,将各时刻限值取中值作为特征点,构造一条理论加速度波形,如图16,并转化成加速度与位移的关系曲线,如图17,其中,横轴刻度间隔采用钢筋排与排之间的间隔—— 35mm。
式中,450为复现器中间不变形的钢筋长度,x为钢筋单侧变形长度,双侧缩进,系数应为2,考虑到钢筋的延伸率,修正为1.8。
图17中,钢筋行进至第一排时,加速度值达到约2g,(实际中加速度达不到2g),因此初定摆放两排,每排4根钢筋。波形在第三排(约105mm)达到最大值,考虑到钢筋达到最大阻尼效果时有四排的行程,因此钢筋未达到最大值即已经有脱离,由公式(1)计算出钢筋长度,并进行标定试验(每次钢筋摆法均根据上次试验波形逐步微调),直至符合图2中的波形范围要求,最终复现的波形如图18所示。
需要特殊说明的是:受钢筋批次、牌号的性能差异,要复现同一目标波形,钢筋的摆法可以有很多种(表1仅是其中一种),但只要遵循复现原理,多试验几次,不断进行微调,终将能够获得理想的波形。
6结束语
通过对钢筋阻尼式减速台车的结构进行优化,对Euro-NCAP中规定的高中低三种鞭打试验波形进行复现,最终得出结论:减速台车试验系统经过优化后,复现30g左右平台波形时,最大波动约为5.4%;复现10g左右平台波形时,最大波动约为3.7%,能够复现鞭打试验波形。
参考文献:
[1] European New Car Assessment Program (E-NCAP) [S/OL]. (2013-03-01). http// www. euroncap.com.
[2] 中国新车评价规程(C-NCAP)[S/OL]. (2013-03-01). http// www.c-ncap.org.
[3] 商恩义. 汽车碰撞模拟试验中吸能装置的研究[J]. 上海汽车,2003 (增刊) : 19-23.
[4] 穆青,葛如海,吴魏等. 波形复现吸能器的原理分析及仿真[J].农业装备技术,2006(3): 18-21.
论文作者:胡祥玲,师玉涛
论文发表刊物:《防护工程》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/18
标签:波形论文; 钢筋论文; 台车论文; 阻尼论文; 加速度论文; 如图论文; 曲线论文; 《防护工程》2018年第16期论文;