安全帶固定點位置對乘員損傷及舒適性仿真分析與研究

閆宏濤，馬燕，段大祿

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

安全帶固定點位置對乘員損傷及舒適性仿真分析與研究

閆宏濤，馬燕，段大祿

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

安全帶作為汽車碰撞過程中保護駕乘人員的基本防護裝置，為了保證其安全有效性和佩戴舒適性，通過設置前期開發中某車型駕駛員安全帶固定點，針對安全帶的乘員佩戴舒適性及碰撞損傷進行研究，結合工程實際情況，有效解決了該車型安全帶固定點位置的布置問題。

汽車安全；安全帶固定點；仿真優化

Abstract:Safety belt is basic protection device which can protect drivers in a car crash. In order to guarantee its safety,effectiveness and wearing comfort, by arranging driver belt fixing points of a pre-developed vehicle, the occupants injury and comfort were studied. Combining with the actual situation of the project, the layout problem of a safety belt fixing point position was solved effectively.

Keywords: Vehicle safety; Seatbelt fixing point; Simulation optimization

0 前言

汽車乘員艙的安全性和舒適性是乘員艙設計的重點，安全帶作為保護乘員最基本的防護裝置，其合理的設計尤其重要，不僅關系到乘員安全性，同時也關系到乘員的乘坐舒適性。車輛碰撞安全要求的不斷提高，與安全帶相關的強制性法規越來越高的指標要求，促使在設計車輛安全帶時更要注重安全帶固定點的布置、安全帶自身的性能、安全帶固定點的強度等方面研究。文中結合工程實際，研究汽車安全帶固定點位置對乘員損傷及舒適性，確保乘員約束系統滿足GB 11551-2003正面碰撞法規要求[1]。

1 安全帶佩戴模擬和安全性模型

1.1 RAMSIS安全帶佩戴模擬模型

在人機工程軟件RAMSIS中，通過駕駛員設計位置的數據將50百分位假人的H點(跨點)定位于H點行程軌跡的中點，腳部與雙手分別按照AHP點(腳踵點)及SWC點(方向盤中心點)定位，假人靠背角約束為20°、腳踝角度約束為87°，定位完成的假人如圖1所示。

在RAMSIS軟件中，根據駕駛員安全帶的設計數據，包括安全帶的左右固定點及導向環的形式、外形尺寸、在車輛坐標系中的位置等在安全帶模擬分析模塊中輸入安全帶的形式、尺寸、位置等信息，如圖2所示。

完成假人定位及安全帶的信息輸入后，即可在安全模擬分析模塊中進行分析，計算出安全帶的佩戴仿真位置，如圖3所示。

1.2 駕駛員側約束系統模型

使用多剛體動力學分析軟件MADYMO建立駕駛員約束系統模型，主要包括座椅、方向盤、安全帶、地板、踏板、儀表臺和假人[2]。汽車的乘員艙變形通常較小，為了提高計算效率，簡化建模，建立車體的多剛體模型。仿真分析使用的安全帶模型為1D多剛體-2D有限元混合安全帶，便于安全帶預模擬，與假人接觸部分采用2D有限元模型，查看安全帶與假人貼合情況。使用MADYMO假人模型庫中的50%分位Hybrid Ⅲ型男性假人作為乘員模型，即法規試驗所使用假人，用來計算評估乘員的損傷指標。完整的駕駛員側約束系統模型如圖4所示。

為了確保仿真分析模型的準確性以及可靠性，根據試驗掃描測量所獲得的假人姿態數據對模型進行調整，根據法規碰撞試驗所得到的假人各個部位的響應結果及損傷曲線對仿真模型進行了對標分析驗證，包括頭部加速度曲線、胸部加速度曲線和胸部壓縮量曲線、骨盆加速度曲線、左右大腿力曲線。文中主要考察頭部損傷，如圖5所示。

2 仿真結果及優化分析

由于該車型騾子車經對標車改制而成，針對騾子車實際狀態，取安全帶上固定點安裝孔A為分析初始位置，此位置也為試驗位置，座椅行程180 mm，安全帶作用在假人人體狀態如圖6所示，在RAMSIS模型中對安全帶進行佩戴預模擬，如圖7所示。

圖6 試驗前安全帶位置狀態

圖7 固定點A安全帶佩戴模擬

由分析可知，固定點A位置不合理，安全帶從人體手臂穿過，嚴重影響了手臂運動及肩關節轉動。針對該問題對安全帶上固定點進行優化分析，安裝孔位置如圖8所示，分析結果如表1所示。

安裝孔人體及H點SAE95%H點最后位置SAE50%H點向前90mmGB5%H點最前位置GB95%H點最后位置安裝孔A織帶未接觸織帶部分接觸偏下織帶全接觸織帶未接觸安裝孔B1織帶部分接觸織帶全接觸織帶全接觸織帶全接觸略偏下安裝孔B2織帶全接觸織帶全接觸織帶全接觸織帶全接觸安裝孔C織帶部分接觸織帶全接觸織帶全接觸織帶部分接觸

綜合考慮，選取安裝孔B1進行碰撞仿真驗證，建立MADYMO模型如圖9所示。由圖可知，B1安裝孔所得的安全帶預模擬狀態良好，織帶經由假人肩膀中部穿過，不影響人體左臂及肩關節運動。對此，結合試驗結果對比假人各運動參數及頭部損傷值，評估B1點的碰撞安全性能，具體分析結果匯總見表2。

評價指標試驗狀態采用安裝孔A采用安裝孔B1設計狀態采用安裝孔B1假人前移量/m0.4270.3730.348方向盤接觸速度/(m·s-1)10.4(仿真)8.768.48頭部HIC值946912.4899.3

3 優化方案試驗驗證

3.1 白車身固定點強度驗證

從表2中可知：在假人、座椅及方向盤位置均為試驗狀態或設計狀態采用安裝孔B1時，假人前移量、頭部與方向盤接觸速度以及頭部HIC值均有改善，證實了采用B1安裝孔在滿足安全帶佩戴舒適性要求的前提下，同時也改善了安全性能。

對安全帶新固定點B1進行強度校核，驗證座椅安全帶固定點能否滿足GB14167《汽車安全帶安裝固定點》的要求[3]。如圖10所示，3點式安全帶加載裝置分別施加15.6 kN=13.7+0.1×19，計算結果如圖11所示，主駕駛安全帶上固定點最大應變為0.028，撕裂風險較小，滿足法規要求。

3.2 整車碰撞試驗驗證

根據優化后的方案進行100%正面碰撞試驗，其試驗結果匯總見表3，可知試驗后各評價指標均符合法規要求[1]。對比仿真分析結果和試驗結果，各指標的誤差在10%以內，說明仿真分析可以較好地預估實際試驗的結果，對實際工程問題有一定指導作用。

表3 碰撞試驗結果匯總

4 結論

乘員艙的安全性和舒適性是乘員艙設計的重點，安全帶作為保護乘員最基本的防護裝置，其合理的設計尤其重要。

文中根據某車型騾子車所存在的問題，在車型開發前期，采用MADYMO碰撞仿真分析模型，對安全帶佩戴舒適性和安全性進行跨學科研究，結合工程產品的實際開發過程，不僅改善了安全帶佩戴舒適性，同時也提高了安全性能，確保了系統的整體性能，最后通過試驗驗證了改進方案仿真分析結果的準確性。

該研究方法不僅可縮短產品的開發周期， 而且可穩健地推動企業乘員約束系統的平臺化進程，進一步降低開發成本，最終體現公司“低成本，高價值”理念。

【1】 全國汽車標準化技術委員會.GB 11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護[S].北京:中國標準出版社，2003.

【2】 WHO.World report on road traffic injury prevention:summary,2004.

【3】 全國汽車標準化技術委員會.GB/T 14167-2013汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統及上拉帶固定點[S]．北京:中國標準出版社,2014．

SimulationAnalysisandResearchofSafetyBeltMountingPositiontoOccupantInjuryandComfort

YAN Hongtao,MA Yan,DUAN Dalu

(SAIC-GM-Wuling Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi 545007,China)

2014-06-17

閆宏濤(1984—)，碩士，工程師，研究方向為安全約束系統產品設計開發。E-mail：Hongtao.Yan@sgmw.com.cn。