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汽车翻滚安全性研究及试验概览

文档作者：曹立波,颜凌波文档来源：湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室		点击数：	更新时间： 2021年05月08日
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第2卷第4期
汽车工程学报
 Vol.2 No.4
2012年7月
 Chinese Journal of Automotive Engineering
 July 2012
汽车翻滚安全性研究及试验概览
曹立波,颜凌波
(湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南,长沙410082)
摘要:各国和各地区的事故统计数据显示,翻滚事故虽然在所有交通事故中所占的比例并不大,但是它在致死事故
中所占的比例非常高。通过归纳总结翻滚碰撞事故的基本特性,从事故数据分析、损伤机理和损伤源、物理试验、仿
真分析和乘员保护这5个方面概括阐述了国内外翻滚碰撞安全性的研究现状,提出了未来在翻滚碰撞安全性研究上需
要解决的一些问题。
关键词:翻滚碰撞:翻滚试验:汽车安全:综述
中图分类号:U461.91文献标志码:Ado:10.3969issn20295-1469.2012.04.01
 Overview of Rollover Associated Safety Studies and Tests
 Cao Libo, Yan Lingbo
 (State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body.
 Hunan University, Changsha, Hunan 410082, China)
 Abstract: According to the statistic data in different countries and regions, the proportion which rollover
 accident accounts for is very low in all vehicle crashes but very high in vehicle occupant fatalities. Based on the
 review of literatures, the characteristics of rollover were introduced and the state of the art of the rollover
 safety studies was summarized. The overview was conducted from five aspects, such as the analysis of statistic
 data, the injury mechanism and injury source, the physical test, the computer simulation and the occupant
 protection. The needs of future research were ultimately proposed in the current paper.
 Keywords: rollover crash rollover test vehicle safety overview
根据各国和各地区的事故统计数据显示,翻亡人数的33%3,而且每年因为翻滚事故中人员伤
滚事故虽然在所有交通事故中所占的比例并不大,亡而导致的各方面损失达到了500亿美元4。在
但是它在致死事故中所占的比例非常高。在澳大我国,翻滚事故所占比例随着正面碰撞、侧面碰
利亚,翻滚事故导致了每年27%的交通事故死亡撞事故所占比例的逐渐降低而呈现逐渐增多的趋
人数:在欧洲,因车辆翻滚造成的死亡人数占势,同时,我国的翻滚事故还呈现出群死群伤的
所有交通事故死亡人数的20%2在美国,翻滚事重特大事故特点,其社会影响极为恶劣因此,
故在所有交通事故中所占的比例虽然只有24%,研究翻滚事故安全性、降低翻滚事故中的损伤具
但翻滚事故中的死亡人数却占了全部交通事故死有重要的经济和社会意义。
收稿日期:2012-05-25
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目资助(20121802)
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汽车工程学报
第2卷
1翻滚碰撞事故的基本特性
碰撞阶段主要是指汽车车顶与地面开始接触后的
过程。绊翻事故碰撞阶段开始时汽车和乘员的初
1.1翻滚碰撞事故的分类
始动态对最终乘员损伤的程度有着直接的影响,
翻滚是指汽车绕其纵轴或横轴旋转90°或而这些初始动态则非碰撞阶段中汽车和乘员的
90°以上的运动6。由此可见,翻滚事故从形态动态来决定。
上来说基本可以分为汽车绕自身纵轴旋转的翻滚
和汽车绕自身横轴旋转的翻滚两个大类。而根据
表1翻滚事故类型的定义及其所占比例
美国事故样本数据一碰撞事故数据系统(National
所占比例/
翻滚类型
乘用车轻型货车
 Automotive Sampling System -National Automotive
 Sampling System,Nass-Cs)中结合事故外因
绊翻:汽车的侧向运动被突
然减速或停止而引起的翻
而进行的定义,翻滚可分为绊翻(Trip-over)、抛
滚。该翻滚可能由路缘、坑56851.2
用(Flip-over)、爬翻(Climb--over)、转翻(Turn-
洞、软地面或爆胎引起。
over)、坠翻(Fall-over)、弹翻(Bounce--over)、
抛翻:汽车因与坡状物接触
空翻(End-over-end)、与汽车相撞引起的翻滚
而引起的绕其轴旋转的翻11
滚。该坡状物可以是护栏端
15.4
(Collision with other vehicle)和其它翻车引发类型
部或壕沟的背坡等
 Other rollover initiation type)共9种不同的事故
爬翻:汽车爬上或越过固定
形式。其中绊翻、抛翻、爬翻、转翻、坠翻、
障碍物而引起的翻滚。汽车1.5
0.9
弹翻以及与汽车相撞引起的翻滚都属于汽车绕其
一般沿着其接触物体方向的
反向翻滚。
自身纵轴旋转的翻滚,而空翻则属于汽车绕其自
转翻:由高速转弯产生的离
身横轴旋转的翻滚。表1列出了NASS中各种事心力或转弯时的地面摩擦力5.29.7
故类型的文字定义及在全部事故中所占比例7。
造成的翻滚。
由表1可知,无论是对乘用车还是轻型货车而言,
翻:汽车在行驶方向上沿
绊翻是所有翻滚事故中最为常见的一种类型,其
着下坡运动,从而使重心离12.9
15.4
开车轮支撑而引起的翻滚。
次是坠翻。图1显示了各种翻滚类型的定义。
1.2翻滚碰撞事故的主要阶段
弹翻:汽车因与固定物接触8.4
反弹而引起的翻滚
76
由表1可知,无论对于乘用车还是轻型货车,
空翻:汽车绕其横轴的翻滚。0.6
0.1
超过一半的翻滚事故类型为绊翻事故。因此,绊与汽车相撞引起的翻滚237.3
翻事故的研究是翻滚碰撞事故研究的主要内容。
其它翻车引发类型
0.7
0.3
而绊翻事故的主要过程基本可以分为碰撞阶段和
非碰撞阶段。绊翻事故的非碰撞阶段主要是指汽
车失控开始到汽车车顶与地面开始接触的这段过
程。在这个阶段中,汽车首先由于驾驶员误操作
绊翻转翻爬翻抛翻弹翻
等原因从正常行驶状态变为失控状态,汽车会具
有一个显著的偏转角度。当汽车碰到路肩等障碍
物或者地面摩擦力足够大时,汽车会开始翻滚并
坠翻
空翻与汽车碰撞引起的翻滚
导致汽车车顶与地面发生碰撞接触。绊翻事故的
图NS-CD中翻滚类型的定义
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曹立波等:汽车翻滚安全性研究及试验概览
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部分学者将非碰撞阶段进一步细分,从而把在x轴方向上的平移运动通常都不是很大,所以
绊翻事故的主要过程划分为3个阶段5.8。其中汽可以忽略该方向上的平移运动。
车侧滑到汽车一侧轮胎或两侧轮胎离开地面的过
2翻滚碰撞安全性研究进展
程为绊翻事故的初始阶段;汽车离开地面后在空
中翻滚的过程为空中阶段:汽车空中翻滚后汽车2.1事故数据统计结果
与地面接触的过程为接触阶段。
目前,在交通事故数据统计分析研究中较普
1.3汽车翻滚碰撞的主要影响参数
遍的结论主要有:
(1)翻滚中离翻滚侧较远的远端乘员的损伤
图2显示了汽车在正常情况下所处的整体和
风险要大于离翻滚侧较近的近端乘员1-1。
局部坐标系。在翻滚中,汽车开始碰撞的初始
(2)绊翻是所有翻滚事故类型中最为常见的
条件通常由3个状态参数和3个运动参数共6个
一种
初始碰撞参数来决定。因此,这6个初始碰撞参
(3)大部分翻滚事故只包含1辆汽车121
数也决定了翻滚碰撞中汽车怎么翻、翻多少圈、
(4)翻滚事故中车辆翻滚圈数一般不超过两
变形程度等动态响应结果,而这些汽车的动态响
圈13-14
应也直接影响到了汽车内乘员的动态和损伤状况。
(5)安全带对翻滚中的乘员抛出有较大的正
面影响10-1117
表2翻滚中与乘员损伤程度相关的因素
相关因素
1.车辆翻滚90°的次数nm
图2整体坐标系与汽车局部坐标系
2.车顶与地面接触的次数
3.翻滚事故类型
汽车在翻滚碰撞中具有的3个状态参数分别
4.乘员头部与车顶之间的距离2
翻翻滚事故中的
为偏转角度、倾斜角度和旋转角度。其中偏转角
乘员损伤5.平均车顶变形量2
6.车顶侧梁和B柱的侵入量
度表示汽车绕其局部坐标系Z轴旋转的角度:倾
7.安全带的使用情况
斜角度表示汽车绕其局部坐标系Y轴旋转的角度
8乘员的抛出情况
翻滚角度是指汽车绕其局部坐标系X轴旋转的角
9.乘员的年龄和性别2
度。而3个运动参数则反映了翻滚中汽车沿整体
坐标系中两个坐标轴的平移运动和绕其自身纵轴
除此之外,不少事故数据统计研究还指出了
的旋转运动。其中旋转速度反映汽车绕其自身纵很多与翻滚中乘员损伤程度相关的因素。表2则
轴所做的旋转运动平移速度反映了汽车沿着整详细给出了这些相关因素。
体坐标系Y轴所做的平移运动;跌落速度则反映
在翻滚事故中,乘员头部和面部损伤的主要
了汽车沿整体坐标系Z轴的垂直运动,由于汽车影响因素是翻滚类型和车顶侧向最大变形,而乘
跌落通常是自由落体运动,因此跌落速度也可以员颈部损伤的主要影响因素包括乘员年龄、体重、
用跌落高度来表示。由于在翻滚过程中,汽车失车辆翻滚90°的次数和车顶竖直方向上的最大变
控前在X轴方向上平移所产生的大部分动能都转形。在未被抛出的所有乘员中,未系安全带的乘
化成了汽车翻转运动的动能,因此,翻滚时汽车员比系安全带的乘员有着更高的头部、面部和颈
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汽车工程学报
第2卷
部(Head, Face and Neck,HFN)损伤风险;同时2.2.2翻滚事故中的损伤源及相关争议
系和未系安全带的乘员之间有着不同的HFN损伤
通常情况下,车顶往往被认为是非抛出乘员
影响因素。表3指明了系和未系安全带的乘员在头部和颈部损伤的主要损伤源(01426对于系
翻滚中其HFN损伤的主要影响因素23。
了安全带的乘员来说,胸部损伤的主要损伤源是
但是,由于翻滚碰撞自身的复杂性和各类研车体内部饰件,而对于未系安全带的乘员来说,
究中数据处理方法和分析方法的不同,目前即使其胸部损伤的主要损伤源是转向柱026然而,
使用类似数据库数据所分析的结果也可能会不一由于翻滚碰撞中车体和人体复杂的动态响应以及
样。例如,有些研究表明颈部不是翻滚事故中人人们所采用的不同的分析方法和数据处理方法,
体最常见的损伤部位之44,而有些研究则显翻滚事故中车顶的压变形与乘员损伤之间的因
示颈部在翻滚事故中发生损伤的频率在所有人体果关系存在着明显的争议。
部位中可排入前3位7.24-25)。因此,需要一种更
直观来看,车顶压溃变形的增大会减少乘员
严谨可靠的方法来研究事故统计数据。
的生存空间从而增大乘员头部和颈部的损伤风险。
表3系和未系安全带的乘员HFN损伤的重要影响因素在0世纪50年代初,车顶强度被认为在翻滚事
故乘员安全中有非常重要的作用,即车顶强度越
系安全带乘员未系安全带乘员
年龄
年龄
强,乘员也就越安全。之后一些学者也通过分析实
翻滚类型
翻滚方向
际翻滚事故得出类似的结论支持了这个观点2
重要影A柱和B柱的变形挡风玻璃顶端变形
然而,在1975年, Moffatt提出翻滚碰撞中车顶的
响因素车辆翻滚90的次数
压变形与乘员的头、颈部损伤没有因果联系的假
靠近乘员一侧的车顶侧
设。他指出翻滚碰撞中乘员的损伤是由乘员与车体
向最大变形
内饰的接触造成,并非是由车顶的压溃造成,增加
2.2损伤机理和损伤源
车顶强度虽然可以减小车顶的压溃程度,但是不一
2.2.1翻滚事故中的损伤形式
定能减少或消除乘员与车体内饰之间的接触,因此
很多研究表明头部、颈部和胸部是翻滚事故
翻滚碰撞中车顶的压溃变形与乘员的损伤没有直
中最容易发生严重损伤的人体部位16.2在接的因果联系2不少学者也通过运用交通事故
翻滚事故中,脑损伤要比头骨骨折发生得更为频数据分2-和验.-32等各种方法验证
繁,而颈椎骨折则是最常见的颈部损伤2。表4了这一假设尽管如此,仍旧有很多学者认为车顶
显示了翻滚条件下人体头部、胸部、肩部、颈部
的压溃变形是造成乘员损伤的直接原因,并通过交
和腹部最常见的损伤形式4
通事故数据分析2.3-3,重新检查 Malibu试验
5-39等各种方法来验证他们的观点。
表4翻滚中人体各部位最常见的损伤形式
实际上,车顶刚度对每一款车型应该有一个
合理的大小。刚度太大尽管可以减少车顶的压溃
人体区域
损伤形式
头部
蛛网膜下腔出血
变形,但会增加翻滚碰撞中的碰撞加速度,使乘
胸部
单边肺部挫伤
员与车内的二次碰撞速度增加,从而导致乘员的
肩部
锁骨骨折
损伤加剧。刚度太小,可能使车顶在翻滚碰撞中
颈部
没有脊髓损伤的颈椎骨折
产生过大的压溃变形,直接对乘员头颈部产生伤
腹部
肝或脾破裂
害。因此,车顶的刚度既不宜太大也不宜太小。
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曹立波等:汽车翻滚安全性研究及试验概览
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2.3物理试验
除了上述法规试验以外,目前翻滚试验研究
1934年,通用汽车公司进行了第1个汽车翻领域内还有不少其它的翻滚试验,如斜坡/螺旋城
滚试验,该试验的方法是将汽车从一个小山坡的翻滚试验(Ram/《Ramp7CorkcrcwtcstD《转向盘引
顶端翻滚下去40。在此之后的几十年中,人们发导的翻滚试验(Steer-induced- rollover test)6-8
明了各种各样的整车动态翻滚试验,这些试验包泥土绊翻试验Soil trip test)-、路堤翻滚试
括使用减速台车来协助汽车翻滚或使用专门设计验(Embankment test路缘绊翻试验(Curb trip
的支架结构来实现汽车翻转,其试验方法越来越test)和壁障翻滚试验Barrier rollover test)2
先进,试验种类也越来越繁多。
等等。而在这些试验中,控制翻滚碰撞系统试验、
然而,由于翻滚碰撞事故的复杂性,目前乔丹翻滚系统试验和动态翻滚试验系统试验是目
各国还没有颁布一个强制执行的法规试验来直接前为数不多的可以重复实现翻滚试验的整车试验。
测试汽车整车翻滚安全性能。到目前为止,美国除此之外,目前翻滚试验研究领域内还存在一些
216号和226号联邦机动车安全性法规(Federal专门用于某项研究的子系统试验装置,如头部位
 Motor Vehicle Safety Standard, FMVSS)是与乘移试验装置3、翻滚约束系统测试装置和
用车翻滚防撞性相关的强制法规,而欧洲66号汽减速翻滚试验系统等等
车标准法规(ECER66)则是与载客人数超过222.3.1控制翻滚碰撞试验系统
人的大型客车的侧翻安全性相关的强制法规。其
控制翻滚碰撞试验系统(Controlled Rollover
中, FMVSS216法规采用刚性平板顶压的方法进 Impact System,criss7是由美国 Exponent公
行车顶强度测试,其主要目的是为了降低翻滚中司开发的一套可控制可重复的试验系统。该试验
因汽车车顶压溃变形侵入乘员舱造成的伤亡。可用于评价汽车翻滚中车顶与地面碰撞时的整车
而 FMVSS226法规是一种减少乘员抛出风险的试结构性能和乘员约束系统保护性能。如图3所示,
验,其主要目的是促进运用侧面安全气囊来降低在C试验中,试验车被连接在一辆拖车后部特
翻滚和侧面碰撞中乘员完全或者部分地从侧面车别设计的支架上。拖车可通过支架带着试验车向
窗被抛出的风险42。ECER66法规则是采用侧翻前行驶,从而给试验车一个平移速度。在拖车行
的方法来测试大型客车的上部结构强度,其主要驶的过程中,试验车会一直保持旋转状态。当拖
目的是防止侧翻中客车车顶结构侵入生存空间4车行驶到碰撞区域时,试验车脱离支架跌落至地
除此之外, FMVSS208法规44是唯一涉及乘用面发生碰撞碰撞接触时的初始条件,如翻滚角度、
车的整车翻滚碰撞试验法规,然而,该试验并未偏转角度、倾斜角度、翻转速度、平移速度和跌
被要求强制执行,且有研究表明该试验由于试验落高度都可以通过该系统控制而且可在多次试验
中的汽车损伤严重程度24和汽车初始翻滚角度中重复实现。美国通用汽车公司在2003年进行的
等原因只能反映实际中很少一部分的翻滚事故同一系列CRIS试验进一步证明了CRIS试验可重复
时,美国公路交通安全管理局(National Highway实现车顶与地面碰撞时的车体动态特性58。然而,
 Transportation Safety Administration, NHTSA)也CRIS试验也存在一定的不足,如只能重复实现翻
认为该试验缺乏多次试验之间的可重复性,不适滚碰撞中车体与地面的第1次碰撞,之后车体翻
合作为一个客观评价结构安全特性的法规试验滚直至停止这段过程的车体动态CRIS试验无法重
因此,该试验对车辆翻滚安全性改进的指导意义复实现:无法对翻滚中车体侧滑等一些过程进
有限。
行模拟分析8
汽车工程学报
第2卷
2.3.3动态翻滚试验系统
动态翻滚试验系统( Dynamic Rollover Test
 System, DRoTS)是由美国维吉尼亚大学
( University of Virginia)于2011年研发完成的一
个翻滚试验系统,是目前全球唯一的由学校开发
的整车翻滚试验系统。该试验系统的设计思路基
图3CRIS翻滚试验系统
于JRS试验系统,试验与JRS试验一样采用支架
连接被试验车,并通过支架给车体施加旋转速度
2.3.2乔丹翻滚试验系统
和跌落速度,然后让车体与移动平台相碰从而实
乔丹翻滚系统(Jordan Rollover System,现翻滚中车顶与地面的接触。尽管如此, DRoTS
JRS)59-6是由美国 Xprts公司开发的一套多用试验系统相对JRS试验系统有了较大的改进,例
途可重复的翻滚试验系统。该系统可用于评价汽如 DRoTS试验可实现试验参数的单独指定和更大
车翻滚中的整车结构安全性能和乘员约束系统保范围的试验初始条件,拥有更大的被试验车辆的
护性能,同时它还可以用于研究翻滚过程中的假尺寸范围,具备了进行尸体试验的能力等等。图5
人动态响应。试验中,试验车的两端与前后支架显示了 DROTS试验的基本结构
上的铰链连接,并通过铰链控制在旋转和下落的
同时与一个移动平台发生碰撞接触。与CRIS试验
一样,在JRS试验中,碰撞时车体的动态初始条
起吊支架
试验车
件都可以通过支架等控制,而且可在多次试验中
重复实现。然而,JRS试验由于设计中限制了车体
的侧向位移以及去掉了车轮等部分部件也受到了
是否能真实反映实际翻滚的质疑32同时,JRS
试验也和CRIS试验一样无法分析翻滚中车体侧滑
移动平台
汽车支撑连接杆
和车体空中翻滚等一些过程中的车体动态和乘员
响应另外, NHTSA指出目前JRS试验中使
图5 DRoTS试验示意图
用的初始参数大小还缺乏足够的实际事故数据来2.4仿真分析
验证,因此需要进一步的研究来决定合理的初始
参数大小JRS试验的示意图如图4所示。
近年来,随着计算机技术的迅速发展,计算
机仿真开始成为一个非常有效的研究翻滚碰撞的
方法。目前,很多研究人员利用计算机仿真模型
来研究翻滚中汽车和乘员的动态,而这些模型可
以划分为刚体模型和变形体模型两个大类。Chou
等人将翻滚仿真模型分为简单汽车二维刚体模型、
汽车刚体模型、车体结构+假人+约束系统刚体
模型和有限元模型4种类型2,并对多种仿真模
型进行了归纳总结8,但是,总体上看这些模型
图4JRS试验系统装置
仍然属于刚体和变形体两个大类。
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曹立波等:汽车翻滚安全性研究及试验概览
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2.4.1刚体模型
各个翻滚碰撞初始参数对翻滚中车体动态和乘
刚体模型主要是运用单个或多个刚体所建立员动态80.83的影响。
的用于研究车体或乘员动态的模型。通常情况下,
综上所述可见,目前有很多计算机仿真软件
刚体模型还可以进一步划分为二维刚体模型和三可以用于翻滚碰撞安全的研究,但是,还没有一
维刚体模型。
个软件可以在不牺牲模拟准确性的情况下完整地
二维刚体模型本质上是从简单汽车系统中导模拟包括翻滚触发形式、汽车车体在与地面接触
出的微分公式这些简单的汽车系统可能由单个时的变形和乘员响应等结果在内的整个翻滚过程
刚体组成也可能由通过铰链、弹簧和阻尼器表示因此,各类仿真软件被单独或者结合起来使用以
的悬架系统连接起来的两个或3个刚体组成。二模拟某个特定的翻滚过程。例如, Digges等人运
维刚体模型主要用于评估汽车的翻滚特性和汽车用HVE软件重建了翻滚事故的汽车运动特性,并
之间相对的安全特性63,确认汽车翻滚稳定性标将其作为 MADYMO模型的输入 Gopal等人
准和开发翻滚检测系统,模拟各种翻滚试验来将C- -Crash和 MADYMO结合来模拟和研究各
理解各种试验参数下的汽车动态响应5-67。
种翻滚试验: Ootani和Pal提出了一种方法将
三维刚体基础模型主要是指通过三维事故pc -Crash-和A方法结合来模拟路缘绊翻试验
重建软件或者纯运动学模拟软件所建立的刚体和泥土绊翻试验: Parent等人将ls-dyna与
模型。这些软件主要包括HVE(Human Vehicle MADYMO结合使用来研究不同翻滚碰撞参数对车
 Environment)-cas ATBArticu体动态响应和乘员损伤结果的影响yan等
 lated Total Body)7-以及 MADYM75-80等等。人同样通过结合LS-dynA和 MADYMO研究了
其中HVE和PC- -Crash通常用于三维翻滚事故的翻滚中假人损伤响应和人体损伤响应的不同3
重建,而ATB和 MADYMO则常用于翻滚时汽车
表5列出了目前翻滚碰撞安全性仿真研究
和乘员的动态研究。然而,这些软件都无法精确
领域的几个主要软件在用于翻滚仿真研究时的
模拟翻滚碰撞过程中汽车车顶的变形,这也给准优缺点。
确了解翻滚碰撞中变形对乘员的损伤带来了一定2.5乘员保护
的局限性。
目前,专门用于翻滚碰撞中的被动乘员保护
2.4.2变形体模型
措施并不像正面碰撞和侧面碰撞中的被动乘员保
变形体模型主要是指运用有限元方法来研究护措施那么普遍。较为受关注的设计是运用充气
翻滚事故中汽车变形的有限元模型。目前,有限装置86,车顶安全气囊就是其中之一。车顶安全
元方法虽已广泛用于正面碰撞和侧面碰撞的研究气囊主要用于降低翻滚中乘员头部和颈部的载荷。
中,但是由于其较长的计算时间,有限元方法还翻滚台车试验结果表明,当车顶安全气囊打开时,
很少用于翻滚碰撞的研究中。Ni等人在199年假人的头部和颈部载荷有明显降低87。除了车顶
运用一个大客车的有限元模型进行了较短的碰撞安全气囊外,侧面安全气囊也是一种有效的被动
仿真,这也是2006年之前唯一在文献中发表乘员保护措施,它可以有效降低翻滚中乘员的头
的翻滚有限元仿真模型。之后,随着计算机技部位移。在2011年3月, NHTSA专门发布了
术的快速发展,有限元模型也越来越多地被用于最新的 FMVSS226法规。该法规的主要目的就是
各种翻滚碰撞安全性研究其中包括SAEJ2114运用侧面安全气囊等防护措施来降低翻滚中乘员
台车试验和路缘绊翻试验中假人响应的研究2、完全或者部分从侧面窗户被抛出的风险然而,
242
汽车工程学报
第2卷
表5各软件在用于翻滚仿真研究时的优缺点
仿真软件
优点
缺点
可对翻滚事故进行良好的重建
无法模拟翻滚时车体的变形
 HVE
可以准确模拟翻滚侧滑过程中详细的汽车动态能模拟翻滚时乘员动态,但非常耗时,
效果不佳。
可以模拟汽车的运动轨迹和时刻、
翻滚圈数和大部分相关翻滚参数
无法模拟直接的接触和详细的变形
PC- -Crash可确定一定翻滚条件下的汽车稳定性和
某些参数对翻滚的影响
预测性一般
可良好地进行A与B之间的横向比较
无法模拟翻滚时乘员动态
可以模拟出实际事故中乘员损伤情况
无法准确反映实际事故的详细过程
 ATB
可以模拟翻滚中的汽车动态
无法模拟车体的变形
研究中的
可用于研究翻滚中的翻滚触发形式、
乘员响应和约束系统性能
可以很好地预测翻滚初始阶段和空中翻滚阶段无法模拟车体的变形,因此无法准确
 MADYMO
的汽车动态和乘员动态
模拟翻滚中碰撞阶段车体的动态
可用于研究翻滚中的翻滚触发形式、
体形对品
乘员响应和约束系统性能
无法模拟碰撞中车体变形对乘员响应的影响
可以预测翻滚中详细的汽车结构的变形
虽然理论上可以实现所有翻滚过程的模拟,
但耗时太长。
LS-DyN可模拟翻滚中汽车与地面之间详细的接触过程
可模拟翻滚中的乘员响应和约束系统性能
侧面安全气囊虽可以降低翻滚中乘员从侧面窗户滚中更好的乘员保护。
被抛出的风险,但它对非抛出乘员的保护效果仍
在使用传统3点式安全带所进行的安全带特
旧不清楚
性研究表明,安全带腰带与水平面之间的角度越
除了气囊外,安全带也是目前翻滚碰撞损伤大,腰带长度越短,肩带越靠近D环点,安全带
防护中的一个主要措施。研究表明安全带在降低降低乘员头部位移的效果越好53。同时,使用预
非抛出乘员的损伤风险方面作用较大系了安紧器3)和限制肩带和腰带之间的相互滑动22对
全带的乘员所承受的损伤风险低于未系安全带的降低翻滚中乘员的位移也有着积极的作用。
乘员所承受的损伤风险。安全带可降低70%到95%
除了对现有3点式安全带进行改进外,新型
的脊柱或颈部发生严重损伤的频率,同时还可降安全带也是提供翻滚中更好乘员保护的一个安全
低55%的头部发生严重损伤的频率和44%的胸部带改进方向。各项研究表明,相比传统3点式安
发生严重损伤的频率27。尽管如此,目前汽车中全带,充气式安全带可更有效地降低假人垂直和
的安全带是主要为正面碰撞所设计的,它虽可降横向的位移,4点式安全带则可降低乘员Z向垂直
低翻滚碰撞中一定的乘员损伤,但还是不能很好位移,但是增大了Y向的横向位移13+2点式
地阻止翻滚中乘员头部与车顶的接触6。研究还安全带对降低翻滚中乘员头部的位移基本没有效
表明,乘员在翻滚中的总位移大概为35cm。而目果9293,但双腰带式安全带在降低翻滚中乘员头
前汽车中车顶到一个坐直的成年人的头部的距离部位移方面效果明显
90
大概在5cm到12.5cm之间。因此,有必要对
综上所述,图6给出了目前翻滚中一些乘员
安全带系统进行更好的优化或重新设计来提供翻保护措施的设计示意图
第4期
曹立波等:汽车翻滚安全性研究及试验概览
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整车有限元仿真研究主要集中在客车的侧翻研究
上面,主要方法是通过建立某客车的有限元模型,
按照欧洲ECER66标准的要求模拟客车的侧翻过
程,然后根据仿真结果提出客车侧翻安全性的改
进方案。这些研究之间主要的区别只是有些模型
仅包含客车骨架模型97-10,而有些模型则在客车
骨架有限元模型的基础上添加了蒙皮和挡风玻璃
四点安全带充气式安全带3+2式安全带双腰带式安全带
等子部件的模型02-104。何欢在2007年建立某乘
图6翻滚碰撞中的乘员保护措施设计
用车的有限元模型,并按照美国 FMVSS208台车
试验法规程序模拟该车的翻滚过程,并根据仿真
3我国翻滚碰撞安全研究进展
结果对该车提出结构改进方案(105。该研究也是目
由于我国汽车工业起步较晚,技术基础仍旧前国内为数不多的乘用车翻滚仿真研究。
薄弱,汽车研究机构和企业在汽车安全方面的研
由此可见,目前国内对翻滚中乘员的动态
究重点主要还是集中在提高汽车正面碰撞和侧面和损伤响应、乘用车的整车动态响应和翻滚碰
碰撞两个方面,关于翻滚碰撞安全性方面的研究撞影响参数等方面的研究还很少,有待进一步
基本只限于轿车和客车的仿真研究和客车的翻滚深入研究。
试验等,其中,仿真研究又主要分为数学模型仿
真分析和客车有限元模型仿真分析两部分。
4结论
3.1数学模型仿真分析
本文在大量文献研究的基础上,概括阐述了
目前国内外翻滚碰撞安全性的研究现状。通过以
汽车侧面翻滚的稳定性研究是目前国内学者
上概述可以发现,汽车在翻滚过程中通常都同时
进行数学模型仿真研究的主要内容。其相关模型
具有多个方向的平移和旋转运动,这也导致了非
主要包括双轴汽车在稳态转向时侧倾运动的数学
模型4、汽车侧翻和滚翻的运动学和动力学模
常复杂的汽车和乘员的空间运动,给人们预测和
研究翻滚事故带来了极大的困难。目前,汽车翻
型、综合考虑悬架组合角刚度和轮胎垂向刚度
滚安全性研究领域中仍旧存在事故分析结果相互
的汽车静态侧翻模型以及与汽车绊翻相关的“推
矛盾、相关试验法规缺乏和相关仿真模型缺乏等
箱”数学模型等等。这些模型被建立的主要目的
问题。因此,开发一个更严谨可靠的事故统计数
基本都是为了研究汽车侧面翻滚相关的稳定因素。
据研究方法,设计一套翻滚碰撞试验法规以及建
3.2整车有限元仿真
立可完整研究翻滚全过程的仿真模型是未来翻滚
由于法规方面的匮乏,目前国内关于翻滚的碰撞安全性研究领域中急需解决的一些问题。
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作者介绍
责任作者:曹立波(1964-),男,湖南
通讯作者:颜凌波(1984-),男,湖南
省长沙市人。湖南大学汽车车身先进设
省衡阳市人。湖南大学汽车车身先进设
计制造国家重点实验室副主任,教授
计制造国家重点实验室博士研究生,研
博士研究生导师,主要研究方向为汽车
究方向为汽车碰撞安全。
车身设计及安全。
Tel:18273114818
tel:0731-888823715
 e-mail: milanylb@hotmail.com
 E-mail:hdclb@163.com

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