第22卷第3期
2001年5月
江苏理工大学学报(自然科学版)
Journal of Jiangsu University of Science and Technology (Natural Science )
Vol.22No.3May 2001
2014款宝马5系葛如海，刘星荣，朱茂桃，黄鼎友，蒋晓光
(江苏理工大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013)
[摘 要]对有车架的轻型汽车的碰撞安全性进行了理论分析及模拟计算，提出了汽车在前部
碰撞时沿宽度方向单位长度的吸收能量分布即能量密度理论为：以车架两个纵梁为中心的截头尾的双正态分布1
[关键词]轻型汽车；偏置碰撞；能量分布
[中图分类号]U461191 [文献标识码]A [文章编号]1007-1741(2001)03-0026-03
随着我国交通事业的发展，汽车碰撞安全问题越来越引起人们的关注，在汽车碰撞中，出现机率最高的是汽车前部碰撞，据统计，在汽车碰撞中约有一半是汽车前部碰撞1因此，研究汽车前部碰撞特性对于提高汽车碰撞安全性具有广泛意义1在实际汽车前部碰撞中大量出现的是非正面碰撞(off 2set )，因此本文以我国在用车中占有率很高的轻型汽车为例，研究轻型汽车前部非正面碰撞问题1实验研究表明，在有车架的轻型汽车中，车架是汽车碰撞中最主要的吸能元件,70%以上的撞击能量均为车架所吸收1因此研究车架的前部碰撞特性可以对整车碰撞特性进行深入了解1
1 汽车前部对固定壁非正面碰撞能
量方程
汽车对固定壁碰撞由于汽车车身的变形而吸收碰撞能量1汽车车身各部分对碰撞能量的吸收能力是在汽车设计中考虑汽车碰撞安全问题时必须研究的1
建立如图1所示的坐标系，设汽车速度v 0的运动方向与固定壁相垂直，考虑到当汽车与固定壁碰撞宽度为y 0=0时(相当于边擦)，汽车几乎不吸收能量，而当汽车与固定壁碰撞宽度为y B =B 时为正面碰撞，汽车几乎吸收了碰撞的全部能量1另外考虑到汽车在前部碰撞时车架两纵梁为主要吸能构件，因此假设汽车前部沿宽度方向单
位长度的吸收碰撞能量分布(能量密度q )为：以车架两个纵梁为中心的截头尾的双正态分布(如图1所示)，即
q =
1
2
πσ(e -(y -a )
2
2σ
2
+e
-
(y -a -h )
2
2σ
2
)(1)
0≤y ≤B
式中 σ———单峰能量分布均方差a ———车架纵梁距车体边缘的宽度,mm h ———车架纵梁间的宽度,mm
则微单元d y 宽度上变形量为x =f (y )时的变形能d E ′=0.5x 2q d y ，总变形能 E ′=
∫
B
12
本田新款x 2
q d y =
122
πσ∫
B
x 2(e
-(y -a )
2
2σ
2
+e
-
(y -a -h )
2
2σ
2
)d y (2)
图1 汽车前部沿宽度方向能量分布图
Fig.1 Diagram of the energy distribution on the bus
ahead in the width direction
2 能量密度q 的求解
在汽车非正面碰撞时，碰撞时前汽车的动能
[收稿日期]2000-12-19
[基金项目]原机械工业部基金资助项目(97Q K0033)
[作者简介]葛如海(1957-)，男，江苏如皋人，江苏理工大学副教授1
转变为碰撞后汽车车体的变形及汽车碰撞后的平动能量和回转能量1考虑到汽车碰撞后汽车的动能与汽车车体的变形有关，因此设汽车碰撞时的能量关系为
E =12m v 2
0=[1+k (1-b B )i ]×122
πσ∫
b 0x 2(e -(y -a )22σ2+e -(y -a-h )
2
2σ2)d y (3)式中 b ———汽车对固定壁碰撞宽度,b/B 为汽
车碰撞宽度百分比
k 、i ———碰撞能量转换成碰撞后汽车平
动能量及回转能量的系数
m ———汽车质量,kg v 0———汽车碰撞初速度,m/s
能量密度q 可通过汽车正面碰撞时汽车所吸
收的能量进行求解，此时，汽车对固定壁碰撞宽度b =B ，汽车碰撞能量几乎全部由车体变形所吸收1因此式(3)简化为
Q =
22
πσ∫B -a
-a
e
-
y
22σ
2
d y =
m v 20x
2
(4)丰田卡罗拉锐放2022款报价及图片
式(4)中的单峰能量分布均方差σ可通过汽车
正面碰撞试验或通过模拟计算获得1本研究采用目前国际上研究整车碰撞时通用的LS 2DY NA3D 显式非线性动力分析通用有限元程度，对某轻型客车车架进行模拟计算1在车架的有限元模型中将发动机、车桥等总成作为集中质量均匀地加在车架纵梁上1该模型共用到4种类型、1942个单元,2124个节点1有限元模型见图2，模拟计算结果见表11
图2 轻型客车车架有限元模型
Fig.2 The finite element model for the frame of light bus
表1 轻型汽车碰撞模拟计算结果(v 0=15.6m/s)T ab.1 Simulated result of light bus in the collision
碰撞宽度b/B (%)100755025最大变形x max (mm )
720
730
800
1070碰撞后质心处x 方向速度vamg奔驰
(m/s )-0.4-0.3-0.10.2碰撞后质心处y 方向速度u (m/s )
00.7 1.5 2.4碰撞后汽车角速度ω(rad/s )00.480.85 1.08碰撞后汽车动能占碰撞能量的比例p (%)
0.52
1.82
3.82
根据100%碰撞面(正面碰撞)的模拟计算结果可知，单位汽车质量吸收的碰撞能量为120J /kg 1该计算结果与碰撞前汽车动能01
5v 2=121J /kg 基本吻合，由此可见，该计算模型是正确
的1将该计算结果代入式(4)，可求得特征参数σ=0.76631
3 碰撞前后汽车动能之比p 与汽车
碰撞宽度(1-b/B )间的关系
能量转换系数k 是表征汽车对固定壁非正面碰撞时碰撞能量转换成碰撞后汽车平动能量及
回转能量的比例系数，由图3可见碰撞后汽车的动能与碰撞前汽车动能之比p 与汽车碰撞宽度(1-b/B )间的关系1
图3 碰撞前后汽车动能比值与碰撞宽度的关系
Fig.3 K inetic energy ratio versus width under conditions
of impacting infront and behind
二汽东风 由式(2)、
(3)可知，汽车碰撞时的能量E 与汽车吸收的能量E ′之比值为
E ′
E
=1
1+k (1-b B
)i
=1-p (5)
根据表1模拟计算碰撞后汽车动能占碰撞能
量的比例p ，经优化得能量转换系数k =0.06746,i =1.851将能量转换系数k 、i 代入式(3)，即可求得在不同碰撞宽度b 时的汽车碰撞变形x 1几组模
7
2第3期 葛如海等 轻型汽车前部偏置碰撞吸收能量研究
拟计算结果x max与式(3)计算结果x′max比较见表2，由表可见，两者间的误差δ均小于5%，具有较好的对比性1
表2 计算结果对比
T ab.2 The comparison betw een calculating results
碰撞宽度b/B(%)100755025
最大变形x max(mm)7207308001070
计算最大变形x′max(mm)720.0736.2809.31036.9误差δ=|x′max-x max|/x max(%)00.9 1.2 3.1
4 结 论
(1)在有车架的轻型汽车中，汽车前部沿宽度方向单位长度吸收碰撞能量分布(能量密度q)为：以车架两个纵梁为中心的截头尾的双正态分布的理论假设基本上与汽车实际状况相符1
(2)碰撞后汽车的动能与碰撞前汽车动能之比p与汽车碰撞宽度(1-b/B)间的关系近似于线性关系1
中保研汽车碰撞(3)该能量分布理论可用于分析汽车前部对固定壁的碰撞、汽车对汽车的碰撞，还可用于分析对固定柱的碰撞1
[参 考 文 献]
[1] 黄世霖，等1汽车被动安全性试验研究[J]1汽车工
程,1992(4):193-1991
[2] 水野幸治1车对车冲突におけゐ车两质量が及ぼ
す影响に关する研究[J]1自动车技术会论文集,
1996(3):131-1351
[3] 阿部诚，等1自动车斜め侧面冲突时の三次元举动
[J]1自动车技术会论文集,1996(2):119-1241 [4] 郭 军，等1汽车碰撞砼护栏过程的简化分析[J]1
汽车工程,1998(4):233-2381
[5] 贾宏波，等1车身碰撞仿真技术在红旗轿车车身开
发中的应用[J]1汽车工程,1998(5):257-2611 [6] 贾宏波，等1汽车车身碰撞建模影响因素的研究
[J]1汽车技术,1998(1):12-151
[7] 葛如海，等1轻型汽车前部偏置碰撞特性研究[J]1
中国公路学报,2000(3):110-1121
A Preliminary Study on Energy Distribution in Automobile
Offset Frontal Impact
GE R u2hai,L IU Xi ng2rong,ZHU M ao2tao,HUA N G Di ng2you,J IA N G Xiao2guang (School of Automobile and Traffic Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang,Jiangsu212013,China)
Abstract:Theoretical analysis and a simulation calculation of collison safety for flamed light buses are carried out.Absorbed energy distribution in collision width under offset impact is give as a double normal one.
K ey w ords:light bus;offset frontal impact;energy distribution
(责任编辑 陈持平) 82 江苏理工大学学报(自然科学版) 2001年5月
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