正面碰撞中后排假人傷害優(yōu)化

盧翠 鞠春賢 蔣斌慶 岳國輝 陳現(xiàn)嶺

（長城汽車股份有限公司技術中心；河北省汽車工程技術研究中心）

2012年C-NCAP（新車評價規(guī)程）中增加了對后排乘員的評價，其中的后排假人定量化，即對3 項碰撞試驗中依據每個假人的指標給予最高2 分的評價[1]。系統(tǒng)規(guī)則變化后，由于汽車廠商還沒有完全理解或設計不到位，因此相關廠商應加強優(yōu)化后排約束系統(tǒng)的能力[2]。汽車廠商需要加大成本，研發(fā)更安全的汽車來保護車內后排乘員，滿足消費者的要求。文章主要針對后排頸部和胸部得分較低的問題，建立50 km/h100%正面碰撞（50 FF）和64 km/h40%偏置碰撞（64 ODB）2種工況的仿真模型，對后排增加限力式安全帶、預緊限力式安全帶和安全氣囊配置進行仿真分析。

1 后排得分現(xiàn)狀及分析

在C-NCAP 的3 項碰撞試驗中，后排乘員在100%正面碰撞和40%偏置碰撞中失分較多。因此正面后排優(yōu)化成了一個難點。為了了解各大汽車制造廠后排安全配置和性能，統(tǒng)計了2013年2批C-NCAP 結果中的后排情況，如圖1 所示。

由圖1 可以看出，各大汽車制造廠后排安全帶采用普通三點式安全帶的占63%，結果普遍得分在0.8～1.74 分；加限力式安全帶的車型得分基本能達到2 分以上；加預緊限力式安全帶的車型得分接近3 分。正面碰撞試驗工況中，后排乘員的評分標準為在不發(fā)生二次碰撞的情況下，考察z 方向頸部受力（Fz/N）和胸部壓縮量。在C-NCAP 后排正面碰撞結果中，頸部和胸部得分均較低，因此優(yōu)化約束系統(tǒng)可以從減小頸部和胸部傷害值兩方面考慮。

從頸部受力來分析，頸部受力主要是頭部和胸部，而頭部z 方向受力情況，如圖2 所示。根據牛頓第三定律得到平衡式：

式中：F'z——頸部對頭部z 向力（局部坐標系），N；

G頭z——頭部自身重力z 向力（局部坐標系），N；

F合z——頭部z 向合力（局部坐標系），N。

人體向前運動過程中，由于胸部被安全帶束縛住，頭部受慣性力作用向前沖，導致頭部繞頸部y 方向轉動。根據平衡式，F(xiàn)'z直接影響Fz，所以要想提高頸部得分，應盡量減小頭部z 向受力或增加胸部向前的位移量。所以其優(yōu)化方案主要是增加預緊限力式安全帶和增加保護頭部的氣囊。

從胸部受力方向來分析，首先分析試驗中用的HybridⅢ型第5 百分位假人的傷害機理，因為它是在人體解剖學的基礎上通過大量尸體試驗設計得到的，完全滿足力學結構的仿真性、相似性和重用性，保證在碰撞過程中能準確預測身體各部位的損傷程度[3]。假人胸部傳感器結構圖，如圖3 所示，其工作原理為當胸部受到擠壓時接觸的傳感器頂部的感應球，傳遞到連接桿的轉動量，其轉動量被電位計檢測并轉化為胸部位移量。在正面碰撞過程中，與后排乘員胸部接觸的只有安全帶，安全帶將乘員束縛住時給胸部帶來副作用。所以要想減小胸部傷害值，應在人體與前排座椅空間允許的情況下，盡量減小安全帶和人體的相互作用力。通常優(yōu)化方式為增加限力式安全帶。也可以增加保護膝部的氣囊，減小假人向前運動量，以及安全帶與人體的相互作用力，改善胸部得分。

2 某車型后排約束系統(tǒng)優(yōu)化

以某款車型為例進行對標和仿真優(yōu)化，該車型在完成實車碰撞試驗后，統(tǒng)計后排得分，如表1 所示，這2種工況滿分為4 分，但試驗得分只有1.55 分，其中頸部得分率為0，胸部得分率不到50%。所以后排的優(yōu)化空間很大，可通過仿真優(yōu)化改進達到更高的星級目標。

表1 某車型碰撞試驗中后排乘員得分表

2.1 模型建立

在Madymo 軟件中，建立正面后排仿真模型。Madymo 軟件結合了多剛體以及有限元計算方法，廣泛應用于汽車行業(yè)中乘員約束系統(tǒng)的優(yōu)化開發(fā)、人體生物學損傷研究及交通事故再現(xiàn)等領域，具有快速、直觀及準確性高等優(yōu)點[4]。模型主要包括前后排座椅、地毯和安全帶模型。根據實車具體位置調整模型中的相對位置，模型中采用限力式安全帶，輸入CAE 仿真波形，構成完整的正面碰撞仿真模型[3]，如圖4 所示。

2.2 仿真和試驗對標

根據實車（約束系統(tǒng)配置與仿真的相同）50 FF 和64 ODB 的試驗來驗證模型的仿真精度，準確地預測假人傷害值，確保加預緊優(yōu)化的準確性。根據試驗與仿真波形對比，2種工況下的頸部傷害曲線，如圖5 和圖7所示，胸部壓縮量傷害曲線，如圖6 和圖8 所示。

從圖5～圖8 中可以看出，仿真跟試驗的相關性很好，關鍵指標均在15%的誤差范圍內，所以可將此仿真模型作為基本模型進行研究[5]。

2.3 后排優(yōu)化方案和仿真驗證

通過分析頸部和胸部傷害機理，制定了4 個優(yōu)化方案：

方案1：增加保護后排頭部的氣囊；

方案2：限力等級不變，增加預緊功能；

方案3：增加保護膝部的氣囊；

方案4：降低限力等級。

通過仿真計算，統(tǒng)計結果，如表2 所示。64 ODB 中頸部Fz和胸部壓縮量傷害曲線圖，如圖9 和圖10 所示（64 ODB 失分較多，重點分析）。

表2 4 種優(yōu)化方案仿真結果統(tǒng)計表

從表2 中可以看出，與仿真基礎相比較，4 種方案的得分都有提高。方案1：頸部改善效果最好，在64 ODB中，94 ms 時氣囊接觸頭部，如圖11 所示（圖11 中紫色為仿真基礎，紅色為加氣囊優(yōu)化），頭部受到氣囊向上和向后的作用力，向上的作用力減緩了頭部對頸部向下的作用力，并且向后的作用力減慢了頭部向前的運動，使頭部的轉動量減小，因此Fz減小；而向后的分作用力使乘員在髖部運動不變的情況下上半身向前運動量減小，安全帶對胸部的傷害也隨之減小，雖然胸部改善效果最差，但總分提高1.51 分。

方案2：增加預緊功能，頸部和胸部都得到改善。預緊主要是在20 ms 時消除初始時人體與安全帶的間隙，這時胸壓開始增大，F(xiàn)z開始緩慢減小。112 ms 時運動狀態(tài)，如圖12 所示（紫色為仿真基礎，黃色為加預緊優(yōu)化），加預緊后人體向前的運動量小，胸壓、頭部向下的加速度以及Fz均可減小。綜合提高1.73 分。

方案3：加保護膝部的氣囊后，相較于仿真基礎，假人向前位移量減小10 mm，如圖13 所示。胸壓曲線起始時間晚了3 ms，胸壓峰值減小，110 ms 時，髖部停止運動后，上半身繼續(xù)向前運動，胸壓增大，如圖10 所示，減小了安全帶對乘員胸部的傷害，可以降低胸部壓縮量，總分提高0.59 分。

方案4：降低限力等級后安全帶力減小，安全帶拉出距離增大，假人向前運動距離增加，在117 ms 時假人頭部與前排座椅發(fā)生了二次碰撞，如圖14 所示，導致Fz迅速減小，胸壓雖然最小但發(fā)生二次碰撞后評分規(guī)則發(fā)生了變化，最終只提高了0.19 分。

綜上，方案1 和方案2 可有效提高后排得分。方案1 成本高，且目前技術還不成熟；方案2 提高后排得分最多，及早將后排乘員束縛在座椅上，緩解假人頸部和胸部的傷害。所以，增加預緊功能是最有效又經濟的優(yōu)化方法。

3 結論

對后排的4 種優(yōu)化方案（加預緊、加后排頭部和膝部氣囊以及降低限力值）進行分析，加保護頭部的氣囊雖然對頸部有很好的保護效果，對胸部也改善良好，可優(yōu)化空間大（拉帶等各種參數(shù)的優(yōu)化），但成本高，可行性差；加預緊不僅對胸部有很大的保護，同時頸部傷害也有很大降低；加保護膝部氣囊對后排的優(yōu)化作用較小，一般不采用；降低限力等級在后排空間允許的情況下是很好的優(yōu)化方案。綜合比較4 種優(yōu)化方案，增加預緊功能是既經濟又實用的一種方案，而且加預緊已經在國內某些車型上應用，結果（C-NCAP 公布結果中加預緊車型）得分提高，因此，加預緊是提高后排得分的有利方法之一。