汽車正面碰撞時(shí)乘員約束系統(tǒng)能量的研究*

葛如海，衛(wèi)姝琰，應(yīng) 龍,張?zhí)K秀

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013; 2.無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214121)

?

汽車正面碰撞時(shí)乘員約束系統(tǒng)能量的研究*

葛如海1,2，衛(wèi)姝琰1，應(yīng) 龍1,張?zhí)K秀1

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013; 2.無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214121)

通過(guò)尋找約束系統(tǒng)能量分配及其與乘員保護(hù)之間的關(guān)系，為約束系統(tǒng)的優(yōu)化提出新思路。基于MADYMO建立某A級(jí)車的乘員約束系統(tǒng)模型，通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。結(jié)合能量分析理論，基于乘員的動(dòng)能傳遞方式，研究各個(gè)約束子系統(tǒng)的吸能情況，獲得約束系統(tǒng)能量分配曲線。比較優(yōu)化前后約束系統(tǒng)能量的分配差異，并結(jié)合18組正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析約束系統(tǒng)能量分配與乘員綜合損傷值(WIC)之間的關(guān)系。結(jié)果表明：乘員綜合損傷值與約束系統(tǒng)的吸能峰值存在較強(qiáng)的相關(guān)性；WIC值與防火墻和地板的吸能峰值成正相關(guān)；與安全肩帶、安全腰帶和汽車座椅的吸能峰值成負(fù)相關(guān)。

正面碰撞；約束系統(tǒng)能量；乘員綜合損傷值

前言

正面碰撞是最常見(jiàn)的碰撞形式，且在這種形式下，死亡人數(shù)最多[1-2]。汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，乘員能量主要轉(zhuǎn)變?yōu)榧s束系統(tǒng)能量和壓潰能量[3-4]。文獻(xiàn)[5]～文獻(xiàn)[6]中基于整車-乘員正撞簡(jiǎn)化模型，對(duì)乘員各部位進(jìn)行劃分，分別從時(shí)間域和位移域?qū)δ芰窟M(jìn)行分析，并利用Simulink模塊建立數(shù)學(xué)模型，快捷地計(jì)算出能量。

然而，針對(duì)各約束子系統(tǒng)的吸能研究十分有限。文獻(xiàn)[7]中對(duì)正面偏置碰撞試驗(yàn)駕駛員側(cè)安全氣囊的吸能特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8]中提出合力和合外力的方法，分析了正撞中乘員頭部和胸部的運(yùn)動(dòng)和受力情況。文獻(xiàn)[9]～文獻(xiàn)[10]中分別對(duì)正撞和追尾兩種工況下汽車座椅的吸能特性進(jìn)行了研究。目前的研究主要局限于單個(gè)約束系統(tǒng)，并未全面分析各子系統(tǒng)間的關(guān)系。本文中從乘員的動(dòng)能傳遞方式出發(fā)，分析各約束子系統(tǒng)的吸能情況，尋找出約束系統(tǒng)能量分配與其對(duì)乘員保護(hù)之間的關(guān)系。

1 正面碰撞模型的建立

以某A級(jí)車駕駛室的實(shí)際尺寸為基礎(chǔ)，基于MADYMO軟件，建立正撞仿真模型。該模型的驗(yàn)證已在課題組之前的工作中完成[11]，如圖1所示。主要包括以下4個(gè)部分：

(1) 構(gòu)建汽車車身模型，包括風(fēng)窗玻璃、儀表板、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、汽車座椅和加速踏板；

(2) 導(dǎo)入Hybrid_III_50th假人多剛體模型，并采用預(yù)模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進(jìn)行假人定位；

(3) 建立乘員約束系統(tǒng)，包括安全氣囊有限元模型和安全肩帶、安全腰帶的有限元與多體混合模型等；

(4) 定義各部件的載荷特性和相互間的接觸，并施加碰撞波形。

圖1 正面碰撞MADYMO模型

2 約束系統(tǒng)吸能研究

2.1 能量分析理論

汽車正撞模型可劃分為5個(gè)子模型：Hybrid_III_50th假人多剛體模型、汽車車身多剛體模型、安全氣囊有限元模型、安全肩帶與安全腰帶混合模型和汽車座椅有限元模型。在正撞過(guò)程中，子模型之間主要產(chǎn)生4種力，即慣性力、阻尼與摩擦力、彈性變形力和外界載荷作用力。由此對(duì)應(yīng)4種形式的能量，即動(dòng)能、耗散能、內(nèi)能和外能[12]。上述力和能量都得到平衡。因此，各子模型的總能量WTotal為

(1)

式中：v為碰撞速度；M為部件質(zhì)量；a為碰撞加速度；C為阻尼系數(shù)；K為彈性模量；l為變形量；Fext為外界載荷作用力。

2.2 假人部位劃分

考慮到內(nèi)能和耗散能相對(duì)較小[13]，本文中只分析動(dòng)能的改變量及其傳遞方式。由于假人各部位受到的力與加速度各不相同，且相互之間存在能量傳遞，因此在分析能量之前，先對(duì)假人進(jìn)行部位劃分。根據(jù)2015年中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程(C-NCAP)對(duì)假人損傷指標(biāo)的評(píng)價(jià)和假人各部位的連接關(guān)系，將其分為4個(gè)部分進(jìn)行分析，分別為頭部、胸部(包括頸部和手臂)、髖部和腿部(包括大腿、小腿和腳)，如圖2所示。

圖2 假人部位劃分

2.3 假人能量耗散分析

2.3.1 假人頭部能量分析

正面碰撞假人與約束系統(tǒng)接觸的主要運(yùn)動(dòng)過(guò)程在140ms時(shí)結(jié)束，因此選取0～140ms進(jìn)行研究。在正撞過(guò)程中，頭部一方面受到頸部的牽制作用，另一方面受到氣囊的緩沖作用。因此，頭部的總能量EHead主要轉(zhuǎn)移到頸部和安全氣囊，即

EHead=EH-N+EH-AB

(2)

式中：EH-N為頭部傳遞給頸部的能量；EH-AB為安全氣囊吸收頭部的能量。

頭部傳遞給頸部的能量可由Energy模塊輸出。由于安全氣囊不僅與假人頭部接觸，還與假人胸部、轉(zhuǎn)向盤(pán)、安全氣囊盒都存在接觸關(guān)系，Energy模塊無(wú)法單獨(dú)輸出氣囊吸收的頭部能量。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，通過(guò)計(jì)算在安全氣囊作用下頭部X，Y，Z方向的加速度和速度，計(jì)算出安全氣囊吸收的頭部能量，如圖3所示。

圖3 安全氣囊吸能分析

將假人頭部EHead曲線與MADYMO輸出的假人頭部能量變化曲線對(duì)比，如圖4(a)所示。由圖可見(jiàn)，兩條曲線的峰值基本相同，峰值時(shí)間基本一致，整個(gè)曲線趨勢(shì)吻合。因此可認(rèn)為以上對(duì)頭部能量的分析準(zhǔn)確可靠，假人頭部能量的分布曲線如圖4(b)所示。

圖4 頭部能量分析

2.3.2 假人胸部能量分析

汽車發(fā)生正撞時(shí)，假人胸部主要受到內(nèi)力和外力的作用。其中，內(nèi)力包括頭部和髖部對(duì)胸部的作用力；外力包括安全肩帶和安全氣囊對(duì)胸部的約束力以及儀表板對(duì)上肢的作用力。因此假人胸部的一部分能量將通過(guò)鉸鏈傳遞到頭部和髖部，另一部分能量則由于接觸關(guān)系，傳遞到安全肩帶、安全氣囊和儀表板，即

EThorax=ET-H+ET-SB+ET-AB+ET-IP+ET-P

(3)

式中：ET-H為胸部傳遞到頭部的能量；ET-SB為安全肩帶吸收胸部的能量；ET-AB為安全氣囊吸收胸部的能量；ET-IP為儀表板吸收胸部的能量；ET-P為胸部傳遞到髖部的能量。

最終可驗(yàn)證和獲得假人胸部能量EThorax的分布曲線，如圖5所示。

“體”—多面架構(gòu)成體，實(shí)現(xiàn)多層面、多維度的深度協(xié)同，具體形式是“教師教育實(shí)驗(yàn)區(qū)”。以區(qū)域教師進(jìn)修院校為紐帶，緊密聯(lián)系高等院校和中小學(xué)教師形成研修聯(lián)盟，改變教師發(fā)展場(chǎng)域，由高校引領(lǐng)理論方向，中小學(xué)提供教學(xué)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)多層面、多學(xué)科、多維度的教學(xué)研究，形成群體共振效應(yīng)，整體提升中小學(xué)教師的教學(xué)能力。

圖5 胸部能量分析

2.3.3 假人髖部能量分析

汽車正撞時(shí)，假人髖部主要受到安全腰帶的約束作用、汽車座椅的支撐作用、胸部和左右大腿對(duì)髖部的連接牽制作用。因此，假人髖部的一部分能量通過(guò)鉸鏈傳遞到胸部與大腿，另一部分能量通過(guò)接觸傳遞到安全腰帶和汽車座椅，即

EPelvis=EP-T+EP-LB+EP-F+EP-S

(4)

式中：EP-T為髖部傳遞到胸部的能量，數(shù)值與ET-P相同；EP-LB為安全腰帶吸收髖部的能量；EP-F為髖部傳遞到腿部的能量；EP-S為汽車座椅吸收髖部的能量。

最終可驗(yàn)證和獲得假人髖部能量EPelvis的分布曲線，如圖6所示。

圖6 髖部能量分析

2.3.4 假人腿部能量分析

汽車正撞過(guò)程中，腿部受到汽車座椅、安全腰帶、防火墻和地板的約束作用，一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧s束系統(tǒng)的變形能，另一部分能量通過(guò)鉸鏈傳遞到髖部，即

EFoot=EF-P+EF-LB+EF-S+EF-Fl+FW

(5)

式中：EF-P為腿部傳遞到髖部的能量，數(shù)值與EP-F相同；EF-LB為安全腰帶吸收腿部的能量；EF-S為汽車座椅吸收腿部的能量；EF-Fl+FW為地板與防火墻吸收腿部的能量。

最終可驗(yàn)證并獲得假人腿部能量EFoot的分布曲線，如圖7所示。

圖7 腿部能量分析

3 約束系統(tǒng)能量分布與假人損傷值分析

3.1 約束系統(tǒng)優(yōu)化分析

由上述對(duì)乘員動(dòng)能傳遞方式的分析，可得出各約束子系統(tǒng)的吸能曲線。為尋找約束系統(tǒng)能量分配與其對(duì)乘員保護(hù)之間的關(guān)系，可通過(guò)優(yōu)化約束系統(tǒng)對(duì)不同情形下的約束系統(tǒng)能量進(jìn)行研究。

考慮到假人損傷值的評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇安全氣囊排氣孔直徑、安全氣囊點(diǎn)火時(shí)間、安全氣囊氣流率、安全帶限力、安全帶剛度、座椅傾角、座椅剛度和膝墊剛度共8個(gè)因素進(jìn)行靈敏度分析。選取每個(gè)因素上下浮動(dòng)20%的取值范圍，在MADYMO中計(jì)算出損傷值，通過(guò)靈敏度分析，確定影響WIC的主要因素[14]：安全氣囊點(diǎn)火時(shí)間、安全氣囊排氣孔直徑、安全帶剛度、安全帶限力和安全氣囊氣流率。

根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)以上5個(gè)主要影響因素各選取3個(gè)水平，進(jìn)行18次試驗(yàn)。采用正交優(yōu)化和極差分析的方法[15]，得出約束系統(tǒng)參數(shù)的最優(yōu)組合和對(duì)應(yīng)的WIC值。

3.2 約束系統(tǒng)能量分布研究

采用該研究方法，對(duì)原始試驗(yàn)、最優(yōu)試驗(yàn)和最差試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，得出它們的能量分布曲線，如圖8所示。第①組線表示安全肩帶的吸能曲線，第②組線表示安全腰帶的吸能曲線，第③組線表示防火墻和地板的吸能曲線，第④組線表示汽車座椅的吸能曲線，第⑤組線表示安全氣囊的吸能曲線。

圖8 原始、最優(yōu)和最差約束系統(tǒng)能量分布

由圖8可知，在正撞過(guò)程中，假人的能量主要被安全腰帶和安全肩帶吸收，其次是防火墻和座椅，安全氣囊在該工況下吸能最少。

不同情形下的約束系統(tǒng)具有不同的能量分配。WIC值不斷優(yōu)化的過(guò)程中約束系統(tǒng)分配到安全肩帶、安全腰帶和汽車座椅的能量逐漸增加，分配到安全氣囊、防火墻的能量逐漸減少，如表1所示。

由表1可知，比較原始試驗(yàn)和最優(yōu)試驗(yàn)，除安全肩帶的吸能起始時(shí)間提前3.2ms外，優(yōu)化前后各約束子系統(tǒng)的吸能起始時(shí)間基本一致。吸能峰值時(shí)間和峰值大小都存在差異。其中，安全氣囊的吸能峰值時(shí)間推遲了2.3ms，峰值減少64J，吸能降低18.70%；安全肩帶的吸能峰值時(shí)間推遲了1.8ms，峰值增加74.9J,吸能提高3.93%；安全腰帶的吸能峰值時(shí)間推遲了0.8ms，峰值增加27.1J，吸能提高1.4%；汽車座椅的吸能峰值時(shí)間提前了0.7ms，峰值增加10.3J,吸能提高2.90%；防火墻和地板的吸能峰值時(shí)間提前了0.1ms，峰值減少20.7J,吸能降低3.0%。結(jié)合上文可得，在優(yōu)化后的約束系統(tǒng)吸能分布下，WIC值由0.434 2降至0.404 2，下降幅度為6.91%。比較最差、原始和最優(yōu)3組試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)安全氣囊、防火墻和地板的峰值逐漸減小，其中安全氣囊的最大變化量達(dá)82.5J，吸能降低了22.8%；安全肩帶、安全腰帶和座椅的峰值逐漸增大，其中安全肩帶最大變化量達(dá)88.1J，吸能提高4.65%。除安全氣囊外，其他約束子系統(tǒng)的峰值時(shí)間都存在一定規(guī)律的提前或滯后。

表1 約束系統(tǒng)吸能分析

3.3 約束系統(tǒng)能量分布與WIC值關(guān)系

結(jié)合18組正交試驗(yàn)、原始試驗(yàn)和最優(yōu)試驗(yàn)，利用MATLAB線性回歸方法進(jìn)一步分析約束系統(tǒng)能量分配與WIC值的關(guān)系，如圖9所示。參數(shù)之間的關(guān)系用直線或二次多項(xiàng)式擬合，R2表示其相關(guān)性[16]。

圖9 約束系統(tǒng)能量峰值與WIC值關(guān)系分析

由圖9可知，在各約束子系統(tǒng)中，由于安全氣囊作用部位太多，與WIC值沒(méi)有明顯相關(guān)性。圖9(a)～圖9(d)中的R2分別為0.726 5，0.800 7，0.814 2和0.812 2。可見(jiàn)，WIC值與約束系統(tǒng)能量峰值相關(guān)性較強(qiáng)，與安全肩帶、安全腰帶和汽車座椅吸能峰值成負(fù)相關(guān)；與防火墻及地板的吸能峰值成正相關(guān)。即約束系統(tǒng)能量分配給安全肩帶、安全腰帶和汽車座椅的能量越多，分配給防火墻的能量越少時(shí)，WIC值越低，約束系統(tǒng)對(duì)乘員的保護(hù)性能就越好。

4 結(jié)論

研究了汽車100%正面碰撞時(shí)，乘員的動(dòng)能傳遞方式，并對(duì)約束系統(tǒng)的吸能情況逐一進(jìn)行分析，進(jìn)一步細(xì)化了約束系統(tǒng)能量的研究。在此基礎(chǔ)上，尋找出約束系統(tǒng)能量分配與乘員損傷值之間的關(guān)系。

通過(guò)能量分析，發(fā)現(xiàn)在正撞過(guò)程中，乘員能量主要被安全腰帶和安全肩帶吸收，其次是防火墻和座椅，安全氣囊吸能最少。

WIC值與約束系統(tǒng)的吸能峰值存在線性關(guān)系：WIC值與防火墻和地板的吸能峰值成正相關(guān)；與安全肩帶、安全腰帶和汽車座椅吸能峰值成負(fù)相關(guān)。在正撞過(guò)程中，當(dāng)乘員動(dòng)能傳遞到安全肩帶、安全腰帶和汽車座椅的能量值增加，傳遞到防火墻的能量值減少時(shí)，乘員的WIC值將降低，約束系統(tǒng)的保護(hù)性能提高。

[1] BOIS P D, CHOU C, KHALIL B. Vehicle crash worthiness and occupant protection[C]. Michigan:Automotive Applications Committee American Iron and Steel Institute Southfield,2004.

[2] 崔崇楨.多種典型工況下的汽車正面碰撞性能協(xié)同優(yōu)化[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2014.

[3] EVANS N C, FURTON L M, COK D A. Occupant energy management technique for restraint system analysis and design theory and validation[C]. SAE Paper 922082.

[4] KATOH H, NAKAHAMA R. A study on the ridedown evaluation[C]. Proceeding,9th International Conference on Experimental Safety Vehicles,1982.

[5] 張金換,李志剛.車輛碰撞中乘員各部位動(dòng)態(tài)響應(yīng)及能量關(guān)系[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2010,1(1):23-29.

[6] 張燕.基于能量管理技術(shù)的某轎車正面碰撞約束系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2009.

[7] 商恩義.正面偏置碰撞試驗(yàn)中駕駛員側(cè)安全氣囊的吸能特性[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2014,5(2):145-150.

[8] 商恩義,張慧云.碰撞試驗(yàn)中假人頭及胸受力分析方法初探[J].上海汽車,2010(7):52-56.

[9] 向志軍.汽車座椅構(gòu)件吸能設(shè)計(jì)研究[J].汽車零部件,2013(2):62-64.

[10] 張曉偉.針對(duì)尾撞下乘員頸部損傷保護(hù)的平動(dòng)吸能座椅性能分析[D].北京:清華大學(xué),2012.

[11] 葛如海,蘇清祖.汽車正面碰撞約束系統(tǒng)匹配研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2007.

[12] MADYMO Theory Manual[G]. Version 6.2.2. TNO Road-Vehicle Research Institute, June,2005.

[13] 章定國(guó),余春華,等.汽車碰撞中的人體動(dòng)力學(xué)仿真[J].生物數(shù)學(xué)學(xué)報(bào),1999,14(3):308-313.

[14] HACKNEY J R. The effects of FMVSS No.208 and NCAP on safety as determined from crash test results[C]. SAE Paper 916131.

[15] 董龍.汽車正面碰撞乘員約束系統(tǒng)仿真與穩(wěn)健優(yōu)化方法研究[D].杭州:浙江大學(xué),2014.

[16] 趙敏,鐘志華,周俊,等.回歸分析方法在汽車側(cè)撞安全性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車工程,2013,35(8):706-710.

A Study on Occupant Restraint System Energy in Vehicle Frontal Crash

Ge Ruhai1,2, Wei Shuyan1, Ying Long1& Zhang Suxiu1

1.SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013; 2.WuxiInstituteofTechnology,Wuxi214121

By finding the energy distribution of restraint system and its relationship with occupant protection, a new idea of restraint system optimization is put forward. The occupant restraint system model for an A-class car is established based on MADYMO with its effectiveness verified by simulation and test. Combined with energy analysis theory and based on the transmission mode of occupant kinetic energy, the energy absorption pattern of each restraint subsystem is studied with the energy distribution curves of restraint system obtained. By comparing the distribution of the restraint system’s energy before and after optimization, combined with 18 sets of orthogonal experimental data, the relationship between the energy distribution of restraint system and the occupant’s weighed injury criterion(WIC)is analyzed. The results indicate that the occupant’s WIC has a strong correlation with the absorbed energy peak of restraint system. WIC value is also positively correlated with the absorbed energy peak of fire wall and floor, but is negatively correlated with the absorbed energy peak of safety shoulder belt, safety lap belt and car seat.

frontal crash; restraint system energy; occupant weighted injury criterion

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.005

*江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX_1023)資助。

衛(wèi)姝琰，碩士研究生，E-mail:18796083877@163.com。

原稿收到日期為2016年5月31日。