总第204期
公路与汽运Highzvays C Automotive Applications
用于车辆碰撞试验分析的头部行程计算方法研究
郭庆祥，谭雯霄，郑艳婷，卜晓兵，张向磊
（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司!天津300300）
摘要：运动行程（时程）是碰撞试验分析的重要因素$当传感器不能直接测量运动历程或测量太困难时，运动行程通常可通过汽车碰撞假人传感器所测线性加速度曲线进行二次积分获得，但
这种二重积分法对于大转动的头部假人运动的计算结果很不准确$而国内大多数碰撞试验不采
集混三假人的头部旋转角速度，无试验数据进行分析$文中依据对标完整的正面碰撞基础模型，
验证欧拉运动学方程算法可应用于计算高速碰撞中碰撞假人头部行程，同时设计滑车试验进一步
验证该方法的准确性$
关键词：汽车；头部行程；碰撞试验；欧拉运动学方程
中图分类号：U461.9文献标志码:A文章编号：1671—2668（2021）03—0001—03
1研究背景及目的
对于碰撞安全性分析，atd（拟人试验装置）假人的运动时间历程是帮助分析约束系统性能的必要信息$当传感器不能直接测量运动历程或测量困难时，通常通过atd假人传感器测得的线性加速度曲线进行二次积分获得，但这种二重积分法对于大转动的atd假人运动的计算很不准确$如在C—NCAP正面碰撞试验中，后排乘客座椅上的5% Hybrid皿ATD假人在碰撞过程中头部经历较大旋转（俯仰），录像测量的行程与通过线性加速度曲线进行二次积分获得的行程差异较大（见图1#
无向行程/mm
图1头部实际行程与加速度积分计算结果对比
为避免更大百分位的人体碰到前排座椅的情况，Euro—NCAP及2021版C—NCAP法规中要求第二排女性头部超出假人H点前方450或550 mm的垂直位移线，得分应被修正$因此，研发过程中准确获得头部行程至关重要$2理论及方法
计算刚体的运动行程（时程），通常采用线性加速度数据的二次积分方法，但该方法对于旋转幅度较大的情况（如碰撞试验中的atd假人头部）不够准确$为此，应用欧拉运动学方程计算ATD假人头部行
程$欧拉运动学方程是描述刚体运动的微分方程，在刚体绕定点运动中反映角速度和欧拉角的关系，在刚体绕定点运动研究中具有重要地位$为了获得碰撞试验中ATD假人头部的精确位置行程，采用欧拉运动方程二维旋转矩阵计算正面碰撞工况下假人头部行程$如图2所示，X%向坐标系下仅需考虑1个角速度及线性加速度，可采用式（1）进行假人头部行程计算$
X COS0sB0$
—sin0COS0%
⑴式中:X%为全局坐标系（相对地）下行程；0为欧拉角口二为局部坐标系（相对头部质心）下达到目标位置时刻的行程
马自达6睿翼轿跑
$
青岛机动车违章查询2
公路与 汽运
2021年5月
在计算碰撞试验ATD 假人头部行程之前，需
新款宝马3系官图发布通过加速度传感器获得角速度及线性加速度$但由 于目前国內大多数碰撞试验不采集混三假人的旋转
角速度，无试验数据进行分析$而CAE 仿真假人 可输出各部位旋转角速度及角位移曲线，能用于高 速碰撞中头部运动行程计算方法研究$因此，采用
仿真的方式研究欧拉运动方程计算的准确性$
3仿真试验及分析3.1仿真模型搭建与对标
基于某车型，通过LSDYNA 软件建立后排女 性约束系统50FRB "正面100%重叠刚性壁障碰撞 试验)碰撞工况CAE 仿真模型(见图3)，该模型配
置预紧限力式安全带$模型搭建完成后，与实际
50FRB 工况试验结果进行拟合对标，分别拟合头部
加速度曲线、胸部加速度曲线、胸部压缩量曲线、髋 部加速度曲线及安全带带力曲线，拟合结果见图4。
从拟合结果来看，该模型的计算精度有保证$
图3仿真分析模型
试验曲线 对标曲线
旦8.6 X I
/挾蛾吕叵
Z
(b)骨鋤速度
r s  •
-30------------------------------------■0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
时间/s
(c)头部加速度
旦8.6 X I
/挾蛾吕叵
Z
时间/s
C  •
日
)°06x k
悝瞰看叵
X
(d)胸部压缩量及加速度
图4
基础模型试验对标结果
2021年第3期郭庆祥，等：用于车辆碰撞试验分析的头部行程计算方法研究3
3.2仿真结果及分析
应用上述仿真模型进行仿真分析，通过结果动画获得假人头部实际运动行程，行程曲线见图5。同时通过对头部加速度进行二次积分获得头部X、#向运动行程，头部积分计算结果与实际运动行程对比见图6、图7$
图5仿真结果动画
0.000.020.040.060.080.10 0.12
时间/$
图'头部X向行程对比
800
900----------------------------------------------------------
0.000.020.040.060.080.10 0.12
时间/s
图7头部"向行程对比
应用仿真模型计算结果可获得假人头部绕Y 轴的旋转角位移（见图应用欧拉2D运动学方程可获得头部X、Z向运动行程，其与试验运动行程的对比见图9$从图9可看出：欧拉运动方程的计算结果与实际运动行程较接近$
4试验设计及验证
通过试验验证欧拉方程法计算高速碰撞中头部运动行程的准确性$由于目前国内大多数碰撞试验不采集假人的旋转角速度，试验中在假人头部增加六轴加速度传感器，用于采集H305假人头部X、8#向的线性加速度及旋转角加速$
基于某SUJ车型进行50FRB工况滑车试验,
0.00------------
-0.25
-0.50
-0.75
-L00
-1.25
-1.50
-1.75
-2.00
_225--------—
'0.000.020.040.060.080.100.12
时间/s
50
00
50
00
-50
00
50
-
1
1
2
2
3
卖二手车3
图8头部角位移输出曲线
头部实际运动行程（相对地）
0-200-400-600-800-1000-1200
X向行程/mm
图*头部实际行程与校准结果对比
其中安全带采用限力式安全带，假人头部传感器增加头部旋转角速度传感器，试验波形采用该车50 km正面碰撞波形$试验录像及标记曲线提取见图10，加速度波形曲线见图11$
图10试验录像及曲线提取
r
s
・
旦
桑塔纳新款、®
曹
50
-50
-100
-150
-200
-250
-300
-350
-400
0.000.020.040.060.080.100.12
时间沧
图11左B柱加速度波形曲线
如图12所示，校准曲线与视频记录行程较一致，而未校准曲线的误差较大$
5结语
该文依据对标完整的正面碰撞基础模型，验证
（下转第45页
）
2021年第3期张芳燕：山西某高速公路危化品运输与车辆停放特征分析45
5危化品车辆安全管理对策
(1)中国国土面积大，能源种类多、分布广，危化品运输具有一定的区域性，不同地区、不同路线运输的危化品物资不同，高速公路运营单位及沿线服务区管理单位应掌握区域危化品运输特征并配备相应的应急救援器材$
(2)危化品运输车辆集中停放受政策和恶劣天气的影响大，有关部分应尽早建立健全危化品运输安全管理规定$如全国高速公路通行执行统一的政策，加强服务区危化品运输车辆停放安全管理，避免因不同地域管理差异给危化品运输车辆出行带来不便；高速公路运营、服务区管理及高速交警等单位进一步完善雨雪恶劣天气危化品运输车辆管控策略，建立联防联控体系$
(3)建设智慧化服务区或对服务区进行改造升级，配置高清视频监控系统，实现危化品车辆信息化管理，实时告知司乘人员服务区内危化品车辆专用停车位服务状况，同时便于服务区工作人员进行管理，提高安全管理水平$
(4)高速公路服务区根据危化品运输车辆停放时间、空车与否、应急施救方法及服务区服务水平，结合主线车流量，对危化品实行分类管理，配备专用
电动摩托车品牌(上接第3页)
图12头部相对车体运行行程对比
将欧拉运动学方程算法应用于高速碰撞中ATD假人头部行程计算的可行性，同时设计滑车试验进一步验证该方法的准确性$结果显示，欧拉运动学方程可用于高速碰撞中ATD假人头部行程计算$
参考文献：
[1'WU Jianping,SHI Yibing,KANG Jian,et al.Using tri-axial angular rate sensor and accelerometer to deter-应急物资$如增配干砂、泡沫灭火器，适时补充干粉灭火器、二氧化碳等消防材料；完善消防用水，尤其是大型服务区；加强夜间和用餐时段的安全管理$
参考文献：
[1]全国危险化学品管理标准化技术委员会.化学品分类
和危险性公示通则:GB13690—2009[S'.北京：中国
标准出版社，2009.
&'全国危险化学品管理标准化技术委员会.危险货物分类与品名编号:GB6944—2012[S'.北京：中国标准出
版社,2012.
&'全国危险化学品管理标准化技术委员会.危险货物品名表:GB12268—2012[S'.北京：中国标准出版社，
2012
&'张尚勇.高速服务区亟待加强危化品车停放管理[N].
中国交通报,2019— 03 —26(003).
&'邱莹.服务区危化品突发“泄露”南浔消防紧急“处置”&'.消防界(电子版),2017(7)19 —20.
&'曹鑫胜.基于深度学习的服务区危化品车辆识别算法研究[J].山西电子技术,2019(3):84—86+96.
&'唐耀祥.高速公路智慧服务区安全管控智能化建设研究[J].山西交通科技,2020(5)95— 96+100.
收稿日期:2020—09—21
minespatialorientation and positioninimpacttests
[R'SAE TechnicalPapers，2019
[2]Euro-NCAP.Assessment protocol and biomechanical
limits[S'.Euro-NCAP,020.
&'李文略.欧拉运动学方程的另一种推导方法物理与工程,2014,24(2):37—40.
[4]SUK Jae(Steve)Ham,BEN Meyers.3D stroke calcu­
lation and application using6-degree-of-freedom sen­
sors[C]//26th International Technical Conference on theEnhancedSafetyofVehicles2019
&]余泽•大客车正面碰撞乘员运动响应及损伤特征研究
[D]西安：长安大学2019
&]熊欣.基于ANSYS/LS—DYNA的客车正面碰撞仿真分析研究客车技术与研究，2012(6)6—8
&]张永春，尚勇，覃祯员，等.某轻型客车行人头型碰撞保护研究客车技术与研究,2019(1):7—10.
&]卢静，郑颢，欧阳俊，等.车辆偏置碰撞中乘员头部惯性伤降低研究汽车科技2019(1)53 —61.
收稿日期=2020—11—
05