某車型正面碰撞駕駛員側約束系統匹配研究

費敬+陳可明+史愛民+靳云飛+李氣輝+崔淑娟

摘 要：針對國內某款多用途汽車（Multi-purpose Vehicle，MPV），采用多剛體動力學分析軟件（Mathematical Dynamic Model，MADYMO）軟件建立了50 km/h正面碰撞駕駛員側約束系統仿真模型，并將此仿真模型與實車試驗數據進行了對標分析。在對標好的模型基礎上，對未配備安全氣囊的約束系統進行了匹配優化，使假人傷害值滿足GB 11551—2003法規要求。同時，對配備安全氣囊的約束系統匹配優化，使其假人傷害值滿足GB 11551—2014法規要求。

關鍵詞：駕駛員；約束系統；匹配；假人傷害值

中圖分類號：U461.91文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.05.12

2014版國標《乘用車正面碰撞的乘員保護》（GB 11551—2014）實施以后，相對于2003版（GB 11551—2003），增加了假人頸部剪切力、張力以及伸張彎矩的考核，頭部增加了累積3 ms合成加速度的考核，胸部增加了粘性指數（Viscous Injury Response，VC），對大腿壓縮力的考核也更加嚴格[1-2]。這說明以前滿足2003版國標的車型不一定滿足新版國標的要求，因此，對于某些車型，發生碰撞時，乘員生存空間有限，結構改進空間較小，約束系統需要重新進行匹配[3]。本文針對某款MPV車型，對約束系統重新匹配，使其滿足GB 11551—2014新版國標。

1 駕駛員側約束系統模型的建立

本文采用MADYMO軟件[4]建立駕駛員側約束系統模型（圖1）。建立的模型包括轉向管柱多剛體模型、護膝板多剛體模型、地板多剛體模型、假人多剛體模型、座椅多剛體模型、儀表板有限元模型、安全氣囊有限元模型、限力式安全帶多剛體-有限元模型以及部分車體有限元模型。同時定義了假人與座椅、假人與地板、假人與方向盤、假人與護膝板的MB-MB接觸，以及假人與安全帶MB-FE接觸。優化的模型加上安全氣囊后，還需要定義假人與安全氣囊，以及方向盤與安全氣囊的MB-FE接觸。安全帶的限力等級為3.5 kN，安全帶的力-延伸率曲線如圖2所示。加上安全氣囊后安全氣囊的直徑為660 mm，泄氣孔直徑為2×40 mm，氣囊起爆的時間為15 ms，質量流率曲線如圖3所示。

2 駕駛員側約束系統模型的試驗驗證

為了驗證模型的有效性，對建立的約束系統模型與試驗結果進行了對標分析。模型采用的車體加速度曲線為整車試驗的B柱左側下方加速度，使用MADYMO軟件，在相應的B柱傳感器位置建立鉸鏈JOINT.FREE_BRYANT，并在此鉸鏈上通過關鍵字MOTION.JOINT_ACC來加載加速度曲線。試驗的加速度曲線如圖4所示。

對比分析了仿真與試驗結果：仿真與試驗的肩帶力曲線，頭部x向、z向以及合成加速度曲線，頸部剪切力Fx曲線、頸部張力Fz曲線、頸部伸張彎矩My曲線，胸部x向、合成加速度曲線，胸部壓縮量曲線，左右大腿壓縮力曲線與試驗結果吻合度較好，如圖5所示。對標曲線與仿真曲線的橫縱坐標都進行了一些簡化處理，從上述曲線可以看出，假人的頭部和頸部仿真與試驗曲線的相位和峰值有一些差異，這是因為假人的頭部撞到了方向盤的上邊緣，安全氣囊被擊穿，造成試驗結果中頭部和頸部的傷害值曲線出現異常波動，但是撞擊的時刻以及曲線的走勢是比較吻合的。根據整個假人傷害曲線對標結果可知，仿真模型可以比較真實地反映實車碰撞中假人的響應，可以用于下一步的研究。

3 未配備安全氣囊的約束系統優化

從試驗錄像、曲線、照片以及車體的整體布置、車體的壓潰空間可以看出，車身結構加速度曲線可優化的空間較小，且優化效果不明顯。因此，從節約成本的角度考慮，不優化結構只優化約束系統來使假人傷害值達標。

由試驗結果可知：座椅沒有失效，說明假人向前的運動姿勢是正確的。假人傷害值超標集中在頭部和頸部，這是由于假人的額頭撞在方向盤的上邊緣，致使方向盤彎曲比較嚴重。該款車型的轉向管柱設計狀態是可以壓潰的，但是由于假人頭部撞到了方向盤的上邊緣，方向盤沒有很好地將力傳遞到轉向管柱上，沒有達到方向盤設計的壓潰力，導致轉向管柱沒有壓潰，轉向管柱沒有吸能造成了這種設計的浪費。如果將方向盤上輪緣軟化，對假人的頭部傷害值是有利的，但是此時方向盤剛度已經很小，如果繼續軟化，可能無法滿足轉向盤抗沖擊性能、受力變形以及疲勞壽命等的規定[5]。因此，本文從增大安全帶的限力等級、增加安全帶的預緊、更改轉向管柱的壓潰力這三個方面來綜合考慮降低假人頭部以及頸部傷害值。

優化方案圍繞安全帶限力值、轉向管柱壓潰力、安全帶預緊三方面進行優化，提出了3種優化方案，見表1。方案一為安全帶限力值由3.5 kN改為4.0 kN；轉向管柱壓潰力由6.5～7 kN改為2.5～3.0 kN。方案二為安全帶限力值由3.5 kN改為4.5 kN；在卷收器處加預緊器，預緊器點火時間為8 ms，預緊力為1.7 kN；轉向管柱壓潰力為2.5～3.0 kN。方案三為安全帶限力值由3.5 kN改為4.0 kN；在卷收器處加預緊器，預緊器點火時間為8 ms，預緊力為2.0 kN；在錨點處加預緊器，預緊器點火時間為8 ms，預緊力為4.0 kN；轉向管柱壓潰力為2.5～3.0 kN。方案一假人頭部HIC值余量比較小，3種方案頭部3 ms合成加速度都超過了784 m/s2，綜合考慮，選用方案二作為最終的優化方案。方案二中不同時刻假人的運動狀態如圖6所示。

4 配備安全氣囊的約束系統優化

根據主機廠要求，匹配安全氣囊假人傷害指標需要滿足GB 11551—2014《乘用車正面碰撞的乘員保護》的要求。在原模型的基礎上，通過更改安全帶的限力等級、安全氣囊的起爆時間、泄氣孔大小以及拉帶的長度和剛度對約束系統進行優化。匹配安全氣囊優化后假人傷害值見表2。在方案一中，氣囊起爆時間為15 ms，氣囊拉帶長度為0.22 m，氣囊拉帶剛度為5 300 N/m，泄氣孔面積縮放因子為0.768，安全帶限力等級為3.5 kN。在方案二中，氣囊起爆時間為15 ms，氣囊拉帶長度為0.30 m，氣囊拉帶剛度為2 300 N/m，泄氣孔面積縮放因子為0.768，安全帶限力等級為3.5 kN。方案三是在方案二的基礎上將安全帶限力等級由3.5 kN改為5.0 kN。方案四是在方案二的基礎上將限力安全帶變為緊急鎖止式安全帶。由表2可知，方案二和方案三的假人身體各部位損傷值均達標。但是方案三相對而言頭部3 ms合成加速度余量較小，出于綜合考慮，采納方案二作為最后的配備氣囊約束系統優化方案。方案二中不同時刻假人的運動狀態如圖7所示。

5 結論

（1）本文對某款MPV約束系統建模并進行試驗對標驗證，對標結果吻合度較好，此約束系統模型可以進行下一步的優化分析。

（2）在對標模型的基礎上對未配備安全氣囊的約束系統進行優化分析，使其滿足GB 11551—2003法規。結果表明：選用方案二作為最終的優化方案；安全帶限力值為4.5 kN；在卷收器處加預緊器，預緊器點火時間為8 ms，預緊力為1.7 kN；轉向管柱壓潰力為2.5～3.0 kN；假人傷害值滿足GB 11551—2003法規。

（3）在對標模型的基礎上對配備安全氣囊的約束系統進行優化分析，使其滿足GB 11551—2014法規。綜合考慮假人身體各部位損傷值，采納方案二作為最后的配備氣囊約束系統匹配優化方案，氣囊起爆時間為15 ms，氣囊拉帶長度為0.30 m，氣囊拉帶剛度為2 300 N/m，泄氣孔面積縮放因子為0.768，安全帶限力等級為3.5 kN。本研究為以后此類車型約束系統優化的改進方向提供了指導。