摘要
汽车安全研究的最终目标是避免或减轻驾乘人员和行人在交通事故中受到的伤害。其中，正面碰撞是最常见的事故形态，我国碰撞法规仅含100%正面碰撞，新车评价规程“C-NCAP”引入了重叠率为40%的正面碰撞。但在现实交通事故中，重叠率小于25%的正面碰撞发生率较高(占比24.4%)，且因主要的吸能与传力部件不在重叠区内，更容易造成驾乘人员的伤亡。2016年，中国保险汽车安全指数“C-IASI”将25%小偏置碰撞纳入评测规程，但近3年的评测结果表明，仅32%的车型获得优良成绩，为此，亟需对市场上大部分车型进行改进。目前主要解决方案包括材料替换、结构改进和约束系统优化。但使用高强度钢等材料替换会增加成本；增加结构件厚度会增加车辆自重。因此，探索一种符合低成本、轻量化且能降低驾乘人员伤害等要求的优化方案，具有重要的现实意义。为此，本文提出利用激光拼接技术优化车辆两端主要吸能构件(shortgun)的方法，并通过约束系统优化，提高车辆在小偏置碰撞中的表现，降低驾乘人员在碰撞中的伤害。本文收集了小偏置交通事故案例165例，车辆碰撞重叠率均值约19.3%。归纳了事故情景和车辆变形特点：100%和40%正面碰撞中，分别有2根或1根前纵梁承担吸能作用。但在25%小偏置碰撞中前纵梁不在碰撞区域，不承担吸能及传力作用，且两端吸能件变形不充分。巨大的冲击力通过轮胎，悬架传递到A柱及门槛，造成乘员舱侵入量过大，生存空间减小。因此，优化车辆两侧吸能结构(shortgun)设计，能有效降低乘员舱侵入量。 为研究小偏置事故人体损伤机理，本文选取一典型案例，利用THUMS人体有限元模型对事故进行了仿真分析。仿真结果表明：未使用安全带情况下，驾驶员头部与气囊接触后又会与A柱和挡风玻璃发生碰撞，造成严重的头部损伤；由于没有安全带约束，驾驶员侧偏明显，与气囊和内饰接触时速度较高，造成严重的胸部损伤。这与事故中驾驶员头部、胸部伤情基本吻合。 为使小偏置碰撞中车辆受力件充分吸能，本文提出利用激光拼接技术优化小偏置碰撞中的重要吸能构件shortgun的方法。通过变截面优化后，吸能增加25%，整车质量增加不足0.1%的情况下，能有效减小测量点的侵入量。最后，在局部吸能较多区域使用屈服强度更高的材料，使得车辆评分明显改善。 为进一步提高车辆乘员保护性能，本文选取乘员约束系统中主要设计参数(安全带预警力、安全带预警时间、转向管柱压溃力、气囊质量流曲线比例系数、气囊点火时间)作为设计变量，参考US-NCAP，通过最优拉丁超立方采样，对头部、颈部、胸部、下肢体损伤风险进行相关性分析，建立近似模型，利用遗传算法对综合损伤指标进行设计参数优化匹配。结果显示：优化后综合损伤指标从35.4%下降至16.6%，颅骨应力下降23.7%，肋骨应变下降23.1%，肋骨压缩量下降10.4%，优化效果显著。
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