自动驾驶汽车的碰撞安全性研究综述

【目的】探讨自动驾驶汽车的安全性。【方法】首先,通过分析国内外自动驾驶汽车安全研究的现状,并对其进行梳理和总结;然后,归纳自动驾驶无法避免碰撞的原因以及分析错综复杂的车内外环境,对自动驾驶汽车碰撞安全问题的应对策略进行讨论;最后,就自动驾驶汽车碰撞安全技术的提升做出展望。【结果】就目前而言,智能化技术仍然存在许多不成熟的地方,尤其是自动驾驶汽车的安全方面依旧有许多领域需要更多的研究与试验,比如自动驾驶的障碍物识别、路径规划、控制策略以及自动驾驶汽车的内部空间布局等。【结论】自动驾驶技术在汽车上的使用让人们拥有了更安全、更舒适的乘坐体验,研究人员应当牢牢围绕“以人为本”这个理念,关注人的需求,保护人的安全,并围绕该理念设计与发展智能化技术。

后排乘员安全带约束系统研究

为提高不同体型后排乘员的安全性,针对后排乘员在50 km/h下100%正面碰撞工况的损伤进行了仿真分析。首先建立后排乘员约束系统模型并进行了验证,然后分别采用THUMS_AM50、THUNS_AF05、CHARM-70模型模拟不同体型的后排乘员,并分别施加恒定加载限制(Con-LL)曲线、渐进加载限制(Pro-LL)曲线、递减加载限制(Dig-LL)曲线以探究安全带加载曲线对不同体型乘员的适应性。结果表明:该工况下乘员的颈部韧带损伤风险较大;遭受正面碰撞时,Dig-LL曲线对CHARM-70保护作用明显,但是对THUMS_AM50保护效果较差;Con-LL曲线不适用于该工况下对THUMS_AM50和CHARM-70的保护;Pro-LL曲线对THUMS_AM50和THUNS_AF05保护效果较好。未来安全带约束系统应根据乘员类型和碰撞工况适配不同的加载曲线,以更好地保护乘员。

基于可靠性优化设计的客车碰撞安全性

为了提高国内某量产全承载式客车在正面碰撞过程中的安全性,采用有限元法并参考该客车的材料属性要求建立其正面碰撞有限元仿真模型.提出在该客车车身前部安装八边形吸能结构,且将有限元法、试验设计、响应面法、可靠性理论和优化算法相结合,对八边形吸能结构进行可靠性优化设计,并与确定性优化设计所得结果进行对比.结果表明:在客车车身前部安装八边形吸能结构能显著提高该客车在正面碰撞过程中的安全性,且2种优化方法都能进一步提高其正碰安全性能;2种优化方法相比,可靠性优化虽然使得吸能量相对确定性优化减少4.3%,但是使得加速度减少16.05%,且可靠度提升了19.33%,故对八边形吸能结构进行可靠性优化设计能更好地满足该客车在正面碰撞过程中的安全性要求.

侧面碰撞远端老年乘员损伤研究

为探究欧洲新车评价规程(Euro-NCAP)侧面碰撞条件下远端老年乘员的运动学响应和损伤机理,首先利用老年人体模型CHARM-70建立台车模型,然后建立整车AE-MDB侧面碰撞和侧面斜柱碰撞有限元模型,进行整车碰撞仿真并提取非碰撞侧B柱底部加速度脉冲,最后,基于THUMS_AM50_V4.0人体模型和老年人体模型CHARM-70建立单乘员和双乘员台车仿真模型,进行AE-MDB侧面碰撞和侧面斜柱碰撞仿真。结果表明:在侧面碰撞中,安全带无法有效限制远端乘员因惯性而导致的侧向偏移;在单乘员台车仿真中,远端老年乘员头部和颈部损伤值远小于阈值,但胸部出现大面积严重肋骨骨折;在双乘员台车仿真中,远端老年乘员的头部和胸部出现严重损伤。

汽车自动驾驶过程中不同姿态乘员在追尾碰撞中的损伤研究

为探究自动驾驶情形下不同姿态乘员在追尾碰撞中的损伤风险,利用THUMS人体模型研究了不同姿态下乘员的生物力学响应。通过对比尸体试验的运动学响应对THUMS乘员约束系统模型的有效性进行了验证,在此基础上调整THUMS姿态,使其分别为E-NCAP规范下的标准乘员姿态和120°、150°、180°姿态。然后搭建对应的4种不同座椅角度追尾碰撞模型,对其施加E-NCAP下的追尾碰撞加速度波形(中速4.88 g和高速6.44 g)。通过8组仿真试验对比发现,在追尾碰撞中,标准姿态与120°姿态下的乘员损伤风险较小;颈部棘突间韧带应变值随乘员倾斜角度增大而减小;150°与180°姿态下乘员存在颈部前纵向韧带拉伤的风险;安全带在4种乘员姿态下均可起到约束作用,乘员下肢会以骨盆为中心发生偏转,肋骨未发生骨折,内脏器官均未见损伤。

汽车正面碰撞中后排不同坐姿乘员损伤生物力学分析

为了研究后排乘员不同坐姿的正面碰撞损伤生物力学特征,采用有限元仿真分析的研究方法,对THUMS AM50乘员在50 km/h正面碰撞时标准坐姿、左倾15°以及右倾15°这3种坐姿下的损伤生物力学进行了分析。并针对左倾15°坐姿,使用3+2点式安全带以及后排正向安全气囊对乘员进行了碰撞保护策略研究。结果表明:乘员左倾15°坐姿损伤最为严重,为此使用3+2点式安全带能有效减轻乘员头部损伤;使用后排正向安全气囊很大程度上对乘员头部以及胸部起到保护作用,并且对左右倾斜坐姿的乘员也具有好的保护效果。未来需要加强对后排乘员的保护研究,以适应不同的碰撞工况以及复杂多变的乘员坐姿。

头部旋转姿势下的颈部低速后碰响应

为研究车辆低速后碰撞时乘员头颈部旋转姿态对颈部损伤的影响,使用全球人体模型联盟(GHBMC)头颈模型,通过柔性冲击器改变头颈部姿势,将不同姿势的头颈有限元模型颈部肌肉激活后,在第1块胸椎上施加加速度曲线进行低速后碰仿真。结果表明:头部右侧轴向旋转角度对低速后碰撞中乘员头部的运动影响很大;当头颈部处于旋转状态时,激活状态的颈部肌肉带动头部迅速回转,导致头部撞向头枕一侧;头部轴向旋转姿势并不会影响碰撞中颈部弯曲和后向伸展的过程,但会影响颈部的侧向弯曲和轴向旋转,其中第4节到第5节颈椎之间的水平侧向弯曲最为明显,0°、20°和40°头部旋转姿态下的右侧侧弯颈部损伤峰值分别为0.11、2.66和5.6。

汽车车架严重载荷工况下的应力分析

车架的受力十分复杂,首先对某四驱越野车的车架结构进行了分析,对车架模型中不影响整体力学性能的结构部分进行了简化。然后利用A lgor软件,建立了该四驱越野车车架的有限元模型。并将紧急制动载荷等效添加到车架模型上。在该车架有限元模型的基础上,对车架在紧急制动和对角线轮上台阶两种严重载荷工况下分别进行了应力分析,得出了整个车架结构的应力分布云图。指出了两种工况下其局部应力较大的部位,并提出了相应的改进措施。

基于响应面法的S型薄壁梁抗撞性优化设计

将响应面法与试验设计、有限元分析计算等结合起来,首次对S型薄壁梁的结构进行抗撞性优化设计。选取S梁的截面宽度、截面高度和S梁的弯曲角3个参数作为研究对象,采用显示非线性有限元软件PAM-CRASH对S型薄壁梁结构进行碰撞模拟。运用响应面法对S梁的总吸能值等进行拟合,并使用MATLAB软件进行优化求解。结果表明:当S梁截面高宽比最大且弯曲角最小时其吸能能力最大。将优化后的S梁应用于某越野车的40%偏执碰模拟中,其被动安全性得到明显提高。

S形梁碰撞多参数优化设计

提出了一种新的碰撞优化方法,即将试验设计(DOE)、有限元分析(FEA)、响应面法(RSM)和遗传算法(GA)结合起来,对S形薄壁梁多结构参数进行抗撞性优化设计。通过提取实际车架上使用的S梁特征参数,建立了S梁的碰撞模型。运用方差分析(ANOVA),选取那些对S梁吸能特性影响显著的因素作为主要设计变量,采用显式非线性有限元软件PAM-CRASH进行碰撞模拟。根据有限元分析结果并结合响应面理论,建立了S梁的总吸能和最大冲击载荷的响应面模型。采用遗传算法进行优化求解,得到了S梁的最优设计参数。优化后的S梁在碰撞中的总吸能能力大大提高。

某越野车车架有限元建模与刚度分析

有限元方法和软件技术在汽车结构分析中占据了极其重要的位置。应用Hypermesh软件,能够对复杂的车架结构进行有限元建模。分别从网格划分、焊点连接、施加载荷和约束等方面对某四驱越野车车架的建模过程进行了阐述。以有限元模型为基础,并根据有限元力学分析基本平衡方程,应用OPTISTRUCT求解器对车架模型进行了计算。得出了其相应的位移分布云图及最大位移点。通过计算车架的扭转角和扭转刚度,对车架进行了扭转刚度校核。

变截面梁的抗撞性分析及应用

在研究多种不同截面形状薄壁梁碰撞吸能特性的基础上,提出了一种有效的变截面梁结构。选取变截面梁的主要设计参数作为研究对象,将有限元分析与试验设计、响应面法等结合起来,对变截面梁的抗撞性能进行分析,建立了变截面梁的抗撞性多目标优化模型;采用优化算法进行求解,得到了变截面梁的最优设计参数和多目标优化后的Pareto最优解,并通过有限元分析对最优设计参数进行了验证;最后将优化后的变截面前纵梁结构应用于某越野车40%偏置碰模拟中。试验结果表明,碰撞侧A柱的加速度峰值显著降低,整车的被动安全性得到提高。

基于神经网络的变截面梁抗撞性分析及优化设计

通过比较不同截面形状薄壁梁碰撞吸能特性曲线,提出了一种有效的变截面薄壁梁结构,并将该结构应用于某车架前纵梁的碰撞模拟中,以提高其动态吸能能力。将人工神经网络引入抗撞性优化设计中,选取变截面梁的主要设计参数作为研究对象,将有限元分析与试验设计、神经网络和遗传算法等结合起来,对变截面梁各结构尺寸进行了抗撞性优化设计。建立了变截面梁结构的总吸能神经网络预测模型,并采用遗传算法进行了优化求解。最后将优化好的变截面薄壁梁结构应用于整车40%偏置碰模拟中,结果表明A柱的加速度峰值显著降低,整车的被动安全性得到提高。

材料应变率曲线在汽车碰撞模拟中的应用

金属材料在不同应变率下的真实应力应变曲线是汽车碰撞模拟的一个关键。通过拉伸试验的方法获得了某车架板材的Johnson-Cook本构方程,然后根据该方程计算得到了车架板材在不同应变率下的曲线图,将真实应力应变曲线应用于S形薄壁梁的碰撞模拟及某越野车的40%偏置碰撞模拟中。通过与实车碰撞试验对比,结果表明:笔者提出的应变率曲线的获取方法是可行的。最后笔者还针对原车碰撞安全性不足的问题提出了一些改进措施。

基于耐撞性的汽车八边形前纵梁设计的拓扑优化方法

为使前纵梁具有良好的静态和动态特性,提高汽车耐撞性,本文以正八边形梁作为汽车前纵梁的拓扑优化设计空间,充分考虑静态拓扑优化和动态拓扑优化方法的各自优势,将变密度法和混合元胞自动机法结合起来,对前纵梁进行耐撞性优化设计。通过静态拓扑优化方法获得前纵梁在轴向刚度最大和侧向刚度最大时的结构形式;通过动态拓扑优化方法获得前纵梁在满足轴向强度下的最大吸能结构形式。由拓扑优化结果,最终确定前纵梁的最优拓扑构型,并通过台车试验进行验证。研究结果表明:将拓扑优化后的前纵梁应用于Explorer整车正面碰撞中,B柱加速度峰值减少了5.50g,整车安全性能得到有效提高。

自动驾驶中座椅旋转速度对乘员的影响

为提高自动驾驶车辆的安全性,提出用一种旋转速度曲线把座椅旋转至指定角度,研究此旋转速度下的乘员生物力学响应。首先,根据所建立的碰撞模型与假人试验数据进行对比验证;其次,改变座椅旋转方向和速度研究乘员旋转至指定位置乘员的生物力学响应。结果表明:在200 ms内采用等腰梯形旋转速度曲线旋转至±45°和±90°不会引起乘员额外的损伤风险。

正面碰撞中的老年驾驶员胸部响应研究

为研究老年驾驶员在汽车正面碰撞中的胸部响应,本文中首先建立了一个老年女性人体胸部有限元模型CHARM_70,并通过与尸体实验对比,验证了模型的有效性。然后,采用圆盘和横向圆杆两种撞击头,选择3种碰撞高度,并改变碰撞速度和撞击质量对两具老人尸体PMHS1和PMHS2进行5种工况的摆锤碰撞实验。同时,利用CHARM_70模型,参照尸体实验的设置,进行同样5种工况的摆锤碰撞仿真。最后对实验和仿真的结果,即5种工况的碰撞力胸部压缩量关系曲线、最大胸部压缩量Cmax和最大胸部黏性响应系数VCmax进行对比分析。结果表明,圆盘碰撞中部位置的胸部响应均比圆杆大,以CHARM_70模型而言,Cmax大3个百分点,VCmax则大38%;而碰撞高度对圆杆碰撞的胸部响应有较大影响,圆杆碰撞高位置时的胸部平均响应约比中部位置小20%,而圆杆碰撞低位置时的胸部平均响应约比中部位置大10%。

车辆碰撞中乘员骨盆力学响应特性的研究

本文旨在研究车辆碰撞中乘员骨盆损伤机理和年龄对碰撞响应的影响。首先开发并验证了老年人骨盆的有限元模型。其次,对比研究了3个具有不同年龄特征的骨盆模型(老年骨盆模型、中年骨盆模型GHBMC和儿童骨盆模型CHARM-10)在材料特性、生理特征、力学响应和损伤方面的差异。结果表明:具有相似生理几何尺寸的老年骨盆模型和中年骨盆模型与儿童骨盆模型相比有较大的差异。侧面碰撞实验的结果表明,3种年龄骨盆模型中,老年骨盆模型的碰撞峰值力和受力最大时位移量都最大,而碰撞中最大位移却最小。对碰撞响应数据进行拟合的结果表明,3种年龄骨盆模型的碰撞峰值力皆随冲击能量呈指数增长,而碰撞中最大位移量则随冲击能量呈线性增长。应力云图分析结果表明,骨盆在侧向冲击下最易受伤或骨折的部位是耻骨支、骶髂关节和髋臼。

复合材料仿竹薄壁管耐撞性和可靠性研究

为提高薄壁吸能管的耐撞性,该文设计了一种复合材料仿竹薄壁管。将钢材、铝材及复合材料运用于仿竹薄壁管,利用有限元法模拟薄壁管的轴向碰撞,对比分析了三类材料薄壁管的耐撞吸能效果,得出玻璃纤维/环氧树脂基复合材料仿竹薄壁管耐撞吸能效果最佳。为进一步提高薄壁管的耐撞性和可靠性,将试验设计、响应面模型、可靠性理论和优化算法相结合,求出仿竹薄壁管的最优结构。研究表明,仿生设计、复合材料运用、可靠性理论及优化算法相结合的研究方法可提高薄壁管的耐撞性能。

不同角度正面碰撞中老年驾驶员下肢模型的响应研究

为研究老年驾驶员在交通事故中下肢的损伤,本文中利用老年下肢模型预测不同工况下肢生物力学响应。首先,对下肢模型的有限元分析与尸体试验结果进行对比验证了模型的有效性。接着,利用验证后的有限元模型,用质量为4.5 kg、速度为4 m/s的圆柱形冲击器对膝关节进行不同角度碰撞,探究膝-大腿-髋(knee-thigh-hip)复合体的骨折损伤情况;大、小腿之间的夹角为100°时,分别以3.4和4 m/s的速度进行撞击试验。结果表明,对前一个试验,从冲击器平面法线相对股骨轴线的转角γ=-30°开始,随着冲击器顺时针转动,即γ角的代数值逐渐加大,膝部接触力也逐渐增大,在γ=+20°时达最大值,而到最后γ=+30°时稍有减小;对后一个试验,膝部撞击力以至膝部损伤随撞击速度提高而增大。