約束系統(tǒng)匹配對(duì)車-車斜角碰撞中駕駛員損傷影響

費(fèi) 敬，陳可明，樂中耀，郝海舟，顏凌波

（1.中國(guó)汽車工程研究院，重慶 401122；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南，長(zhǎng)沙 410082）

交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2010年交通事故總數(shù)為390.6萬(wàn)起，造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到了9.3億元。在這些交通事故中，兩車相撞的交通事故占總交通事故的53%～55%，兩車相撞的駕乘傷亡人員占交通事故傷亡總數(shù)的60%以上[1]。而在我國(guó)，關(guān)于斜角度碰撞的研究比較少，也沒有相關(guān)的法規(guī)要求。Kaye Sullivan等人對(duì)汽車耐撞性數(shù)據(jù)庫(kù)NASS-CDS進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明碰撞角度為15°～45°的比例為29.5%[2]。由此可見，研究?jī)绍囅嘧驳慕煌ㄊ鹿视绕涫切苯嵌扰鲎矊?duì)完善我國(guó)的碰撞安全法規(guī)以及降低乘員損傷有著重要的意義。

大量研究表明，乘員約束系統(tǒng)與乘員生物指標(biāo)最相關(guān)，而乘員約束系統(tǒng)的匹配可以有效地減少乘員的傷害。雷雨成等人提出了提高汽車的碰撞相容性之一的措施是加強(qiáng)自身乘員保護(hù)系統(tǒng)[3]。Adrian K.lund等人認(rèn)為，現(xiàn)階段改善相容性最有效的辦法就是進(jìn)一步改善乘員約束系統(tǒng)[4]。與40%偏置碰撞類似，斜角度碰撞是一種特殊的碰撞形式，車身只有一側(cè)參與碰撞，較嚴(yán)重的前部車體變形導(dǎo)致乘員艙空間侵入較大進(jìn)而導(dǎo)致乘員傷亡。因此，安全氣囊與安全帶的有效匹配對(duì)降低乘員的損傷顯得非常重要。

1 MAYMO約束系統(tǒng)模型的建立

1.1 車體有限元模型驗(yàn)證

本文建立的MADYMO模型是30°斜角碰撞中的被撞車模型，參考的是美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心（NCAC）發(fā)布的2010年版豐田Yaris有限元模型。車-車碰撞模型如圖1所示，碰撞速度為50 km/h。NCAC建立模型后進(jìn)行了100%正面碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)與仿真模擬如圖2（a）和（b）所示。試驗(yàn)與仿真的車體加速度曲線如圖3所示。由圖3可知，試驗(yàn)與仿真的加速度曲線吻合較好，可以用于后續(xù)的研究。

1.2 安全氣囊模型的建立

氣囊的建模一般包括均勻壓力（UP）建模與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）建模，后者主要應(yīng)用于精確模擬氣囊的展開過程，適用于對(duì)離位乘員的研究。本模型中氣囊的建模采用的是UP模型，這是因?yàn)闅饽遗c乘員接觸時(shí)氣囊已經(jīng)處于完全展開的狀態(tài)，氣流的作用不明顯，氣囊內(nèi)各處的壓力已經(jīng)達(dá)到了平均狀態(tài)。建立的氣囊模型如圖4和圖5所示，氣囊容積為50 L，大氣壓力為1.01e+5 Pa，溫度為296 K，環(huán)境中氣體成分包括 N2，CO2，O2，Ar。通過 INFLATOE.DEF 定義了氣體的流動(dòng)，包括氣體的質(zhì)量流率、溫度、充氣氣體的成分以及噴嘴，質(zhì)量流率曲線與溫度流曲線如圖6和圖7所示。充氣氣體成分包括H2O，He，H2。此氣囊沒有定義噴嘴，而是通過定義不同時(shí)刻的噴氣量模擬噴氣。氣囊起爆的時(shí)間為9 ms。拉帶采用的是兩節(jié)點(diǎn)彈簧單元進(jìn)行模擬，拉帶的材料和屬性在MATERIAL.KELVIN3D和PROPERTY.BEAM2_DISCRETE中定義。孔材料通過定義MATERIAL.HOLE來模擬，織物材料通過定義MATERIAL.FRABIC_SHEAR和PROPERTY.MEM3來模擬。

1.3 安全帶模型的建立

假人安全帶采用MB-FE混合法建立，由有限元（FE）安全帶和傳統(tǒng)的多體（MB）安全帶組成，如圖8所示。混合法建立的安全帶模型不僅計(jì)算快，還能模擬織帶在假人身上兩個(gè)方向的滑動(dòng)。建立的安全帶模型包括安全帶肩帶與腰帶、卷收器、D環(huán)、錨點(diǎn)以及帶扣。建立好FE安全帶后，需要通過預(yù)演算對(duì)安全帶定位，找到滿足力學(xué)平衡條件的安全帶位置。安全帶建模最復(fù)雜的問題是FE安全帶與乘員的佩戴過程，即FE安全帶與乘員的貼合。MADYMO高版本新增加的Belt Fitting功能可以很方便地建立安全帶模型并使安全帶與假人快速準(zhǔn)確地貼合，大大節(jié)省了傳統(tǒng)建模的時(shí)間。安全帶預(yù)緊和限力作用可以通過MADYMO里面的關(guān)鍵字BELT_PRETENSIONER.PAYIN_TIME和BELT_LOAD_LIMITER來定義，也可以采用鉸鏈約束來模擬。本研究采用的是鉸鏈約束，分別在安全帶錨點(diǎn)進(jìn)行安全帶腰帶預(yù)緊，在卷收器處進(jìn)行安全帶肩帶預(yù)緊。在卷收器模型以及錨點(diǎn)模型里定義鉸鏈的限力作用。腰帶MB部分包括錨點(diǎn)至安全帶腰帶一末端節(jié)點(diǎn)，帶扣至安全帶腰帶另一末端節(jié)點(diǎn)；肩帶MB部分包括卷收器至D環(huán)，D環(huán)至安全帶肩帶FE末端一節(jié)點(diǎn)，安全帶肩帶FE末端另一節(jié)點(diǎn)至帶扣，通過關(guān)鍵字POINT_OBJECT.MB來定義。安全帶織帶的剛度曲線如圖9所示。

1.4 人-車仿真模型的建立

本研究采用多剛體-有限元分析軟件MADYMO建立仿真模型，這是因?yàn)镸ADYMO里面自帶有豐富的假人數(shù)據(jù)庫(kù)，可以很方便地調(diào)用所需的假人模型，且這些模型經(jīng)過嚴(yán)格的生物學(xué)驗(yàn)證，生物逼真度很高。載荷的施加通過關(guān)鍵字MOTION.JOINT_POS加載車體鉸鏈的x、y、z方向加速度和3個(gè)方向的角加速度隨時(shí)間變化的曲線。施加的x、y、z方向加速度與角加速度曲線如圖10（a）和（b）所示。

MADYMO后處理軟件MadPost可以運(yùn)用PSM（Prescribed Structure Motion）加載前圍板、儀表板等部件的變形，通過關(guān)鍵字MOTION.STRUCT_DISP來調(diào)用變形文件[5-6]。此方法是把對(duì)乘員損傷影響較大部件的運(yùn)動(dòng)情況作為已知的邊界條件導(dǎo)入到MADYMO中，通過有限元仿真獲得這些部件的侵入量、侵入速度等。該方法建模比較快，相對(duì)于有限元仿真CPU的計(jì)算時(shí)間更短，大大節(jié)省了時(shí)間和費(fèi)用，且計(jì)算結(jié)果具有較高的預(yù)測(cè)性，對(duì)約束系統(tǒng)的開發(fā)與乘員保護(hù)有很大的現(xiàn)實(shí)意義。本研究即采用PSM方法將防火墻等的運(yùn)動(dòng)信息導(dǎo)入到MADYMO里面進(jìn)行計(jì)算。PSM計(jì)算流程如圖11所示。

2 損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的選取

通常我們所做的研究是以HIC36(或HIC15)、胸部3 ms準(zhǔn)則、胸部壓縮量、頸部Nij來衡量假人損傷。但是這些損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是以一定的容限水平來評(píng)價(jià)乘員約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。為評(píng)價(jià)約束系統(tǒng)整體性能，應(yīng)該有一個(gè)包括單個(gè)傷害參數(shù)的完全傷害準(zhǔn)則。基于這種考慮，參考了加權(quán)損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則WIC[7]（Weighted Injury Criterion）來對(duì)假人進(jìn)行綜合損傷評(píng)價(jià)，如式（1）所示，WIC越小，說明約束系統(tǒng)的保護(hù)性能越好。

本研究建立了駕駛員側(cè)多剛體-有限元模型，包括部分車身有限元模型、座椅有限元模型、儀表板有限元模型、膝部擋板有限元模型、地板及腳踏板有限元模型、方向盤及轉(zhuǎn)向管柱多剛體模型以及Hybrid Ⅲ 50th多剛體假人模型。同時(shí)定義了假人與安全帶、安全氣囊、座椅以及車體的接觸，安全氣囊的自接觸以及安全氣囊與儀表板的接觸等。接觸的類型包括CONTACT.MB_FE和CONTACT.FE_FE等。建立的約束系統(tǒng)模型如圖12所示。

式中，HIC36為頭部損傷指標(biāo)；C3ms為胸部3 ms合成加速度，m/s2；D為胸部壓縮量，mm；FFL為左大腿軸向壓縮力，kN；FFR為右大腿軸向壓縮力，kN。

3 約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

3.1 設(shè)計(jì)變量的選取

本研究在參考了楊濟(jì)匡等人研究的基礎(chǔ)上[8-9]，選取腰帶預(yù)緊時(shí)間A、氣囊起爆時(shí)間B、氣囊質(zhì)量流率縮放系數(shù)C、安全帶剛度系數(shù)D、氣囊織物泄氣系數(shù)E、安全帶初始松弛量F、氣囊體積縮放系數(shù)G為研究變量。變量的取值范圍如式（2）所示。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)，是研究和處理多因子與響應(yīng)變量關(guān)系的一種科學(xué)方法。它通過合理地挑選試驗(yàn)條件，安排試驗(yàn)，并通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而找出總體最優(yōu)的改進(jìn)方案。試驗(yàn)設(shè)計(jì)一般須遵循隨機(jī)化原則、重復(fù)性原則、區(qū)域控制原則等。拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種充滿空間的設(shè)計(jì)，它將每個(gè)因素的設(shè)計(jì)空間都均勻地分開，試驗(yàn)次數(shù)可以人為控制，試驗(yàn)方法更加靈活，能以較少的樣本點(diǎn)反映整個(gè)設(shè)計(jì)空間的特性，是一種研究多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)的常用方法[10]。本文選用了拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選取樣本點(diǎn)建立了二階響應(yīng)面近似模型。

3.3 約束系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化

本文選取拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選取了40組設(shè)計(jì)變量建立了二階響應(yīng)面近似模型，樣本點(diǎn)采樣結(jié)果見表1。

表1 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

將試驗(yàn)結(jié)果以文本文檔的格式導(dǎo)入到ISIGHT軟件中建立二階響應(yīng)面模型，如式（3）所示。

建立好近似模型后需要對(duì)近似模型的精確性進(jìn)行驗(yàn)證，采用拉丁超立方試驗(yàn)方法重新選取50個(gè)樣本點(diǎn)，然后從這50個(gè)樣本點(diǎn)中隨機(jī)選取5組進(jìn)行近似模型的驗(yàn)證，見表2。由表2可知，建立的二階響應(yīng)面模型的仿真值與近似值的誤差都在10%以內(nèi)，可以認(rèn)為我們所建立的近似模型滿足精度要求，可以對(duì)近似模型進(jìn)行下一步的優(yōu)化分析。

在ISIGHT的優(yōu)化模塊中選取相應(yīng)的優(yōu)化算法對(duì)近似模型進(jìn)行優(yōu)化，我們選取的是ISIGHT中推薦的序列二次規(guī)劃算法，此算法主要用于解決帶有約束的非線性問題，主要應(yīng)用于優(yōu)化問題不是很大，梯度和函數(shù)可用很高的精度來模擬的模型。采用此算法優(yōu)化得到近似模型的最優(yōu)值WIC為0.31，將此最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)代入到MADYMO中進(jìn)行計(jì)算，得到仿真模型在該點(diǎn)處的WIC為0.33，代理模型的優(yōu)化值與在該點(diǎn)處的仿真值的相對(duì)誤差為7.7%，達(dá)到優(yōu)化收斂條件，優(yōu)化過程結(jié)束。

優(yōu)化前后約束系統(tǒng)參數(shù)及目標(biāo)值對(duì)比見表3。由表3可知，優(yōu)化后乘員綜合損傷指標(biāo)WIC值最小為0.33，此時(shí)對(duì)應(yīng)的腰帶預(yù)緊時(shí)間A為0.014 s，氣囊起爆時(shí)間B為0.007 s，氣囊質(zhì)量流率縮放系數(shù)C為0.847，安全帶剛度系數(shù)D為1.000，氣囊織物泄氣系數(shù)E為0.988，安全帶初始松弛量F為-0.023，氣囊體積縮放系數(shù)G為0.772，WIC值相對(duì)于優(yōu)化前提高了8.33%。

優(yōu)化后假人的運(yùn)動(dòng)情況如圖13所示。

表2 二階響應(yīng)面近似模型的驗(yàn)證

表3 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文對(duì)車-車30°斜角碰撞中的駕駛員側(cè)頭部、胸部以及大腿的綜合損傷WIC進(jìn)行了研究，采用了拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法建立了二階響應(yīng)面模型，對(duì)影響駕駛員損傷的安全氣囊與安全帶約束參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的綜合損傷指標(biāo)WIC減小了8.33%，假人損傷降低得越多對(duì)碰撞中安全帶與安全氣囊匹配設(shè)計(jì)的要求越高，這也為以后車-車不同角度碰撞中安全帶與安全氣囊的匹配設(shè)計(jì)提供了參考。

本文對(duì)Yaris-Yaris 30°斜角碰撞中的被撞車Yaris的綜合損傷指標(biāo)WIC進(jìn)行了優(yōu)化研究，本項(xiàng)目后續(xù)還對(duì)Yaris-Taurus、Yaris-Explorer 15°、30°以及45°斜角碰撞分別進(jìn)行了研究，分析并對(duì)比了這3款車作為主動(dòng)車和被動(dòng)車時(shí)不同車輛質(zhì)量以及不同車輛剛度的駕駛員損傷情況。如何綜合考慮約束系統(tǒng)的匹配參數(shù)，使主動(dòng)車及被動(dòng)車的乘員損傷都達(dá)到一個(gè)合理的范圍是今后研究的重點(diǎn)。

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