車對(duì)車斜角碰撞中靈敏因子的探究和約束系統(tǒng)的優(yōu)化?

顏凌波，張 超，許 偉，曹立波，戴宏亮

(1.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039； 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，長(zhǎng)沙 410082)

前言

截止2015年，我國(guó)的汽車保有量已達(dá)到1.72億量，而預(yù)計(jì)至2020年我國(guó)的汽車保有量將突破2億輛[1]。汽車數(shù)量的增長(zhǎng)也帶來(lái)一系列交通事故問(wèn)題，對(duì)乘員的生命安全造成很大威脅。

據(jù)美國(guó)公路交通安全管理局NHTSA對(duì)汽車碰撞事故形式的分析，在汽車正面碰撞、側(cè)面碰撞和追尾碰撞3種事故類型中，正面碰撞事故所占比例高達(dá)49%，且其乘員死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)的比例也高達(dá)33.5%，此兩項(xiàng)均是第一位[2]。正面碰撞又可分為正面全寬碰撞、正面偏置碰撞和角度碰撞等。而美國(guó)Kaye Sullivan等對(duì)美國(guó)正面碰撞事故中車輛的碰撞位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明，碰撞位置在-15°～15°角度范圍內(nèi)的占65.2%，在-15°～-45°和15°～45°范圍的共占30%[3]，說(shuō)明斜角碰撞在正面碰撞中占有一定的比例。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)角度碰撞的研究相對(duì)較少。牛衛(wèi)中等研究了某SUV車型小重疊正面斜角碰撞工況對(duì)車體耐撞性的影響[4]；張萍等對(duì)車車碰撞條件下某轎車斜角碰撞和小重疊率碰撞的駕駛員損傷進(jìn)行研究[5]；RUDD R W等研究發(fā)現(xiàn)斜角碰撞中安全氣囊對(duì)乘員的保護(hù)效果較差[6]；James Saunders等對(duì)安全帶參數(shù)在30°碰撞中對(duì)駕駛員胸部、臀部損傷的影響展開(kāi)了研究[7]。而約束系統(tǒng)作為直接與乘員接觸的車身組件，能在碰撞事故中大大減輕乘員受到的傷害。目前的約束系統(tǒng)主要是針對(duì)正面全寬碰撞和偏置碰撞設(shè)計(jì)的，是否適用角度碰撞有待進(jìn)一步驗(yàn)證。本文中主要研究不同車型在車車斜角碰撞中顯著影響乘員損傷的約束系統(tǒng)靈敏因子，并展開(kāi)約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，探討此工況下不同車型在考慮車車碰撞兼容性條件下的約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化趨勢(shì)的異同。

圖1 Taurus驗(yàn)證

圖2 Explorer驗(yàn)證

1 車車碰撞有限元模型的建立

1.1 整車有限元模型的選擇

選用了2010年版豐田Yaris，2001福特 Taurus和2002年版福特Explorer 3款車作為研究對(duì)象。3款車的整車有限元模型由美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心(national crash analysis center，NCAC)建立并發(fā)布。其中Yaris代表小型乘用車，Taurus代表中型乘用車，Explorer代表SUV車型。NCAC在建立該模型后，將其與整車試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，其中整車試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)新車碰撞測(cè)試中的100%正面碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)的碰撞速度為56km/h，試驗(yàn)號(hào)依次為5677[8]，7520[9]和3730[10]。其試驗(yàn)與仿真中的車身變形情況和加速度曲線如圖1～圖3所示。

由圖可知，3款車的模型車體變形和實(shí)車變形相近，仿真和試驗(yàn)的加速度曲線吻合較好。

1.2 車車斜角碰撞工況的建立

根據(jù)美國(guó)國(guó)家汽車調(diào)查系統(tǒng)耐撞性數(shù)據(jù)系統(tǒng)(NASS-CDS)1995-1999年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，左側(cè)角度碰撞是發(fā)生概率較高的一種車車碰撞模式[11]，同時(shí)我國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，75%的交通事故中事故車的車速小于50km/h[12]。因此在本研究中設(shè)置兩車碰撞夾角為30°，碰撞時(shí)車速為50km/h，仿真時(shí)間為120ms。每次仿真中為同一款車分別設(shè)置為目標(biāo)車和同伴車，研究其在斜角碰撞中兩個(gè)位置的車身響應(yīng)，在之后的約束系統(tǒng)靈敏度分析中，綜合兩者研究該款車的約束系統(tǒng)靈敏因子。

在碰撞有限元模型的駕駛員座椅下方設(shè)置加速度傳感器輸出加速度和轉(zhuǎn)角曲線，將其導(dǎo)入MADYMO模型中。其中，目標(biāo)車駕駛員側(cè)座椅R點(diǎn)與乘員側(cè)座椅R點(diǎn)的中點(diǎn)作為仿真設(shè)置的參考點(diǎn)，并使同伴車的中垂面分別通過(guò)這兩點(diǎn)來(lái)設(shè)置仿真模型中同伴車的位置，如圖4所示，其中左側(cè)車輛為目標(biāo)車，右側(cè)為同伴車。

圖3 Yaris驗(yàn)證

圖4 車車斜角碰撞時(shí)兩車的位置關(guān)系

2 乘員約束系統(tǒng)建立

2.1 PSM模型

利用MADYMO軟件采用子結(jié)構(gòu)技術(shù)的PSM(prescribed structure motion)法分別建立3種車型的駕駛區(qū)碰撞仿真模型。PSM法通過(guò)在有限元分析模型中提取必要的零部件，轉(zhuǎn)化為碰撞模型車體的邊界條件。這樣進(jìn)行求解較快捷，更適合于樣本較多、計(jì)算量較大的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。該模型包括車體、假人、安全帶和安全氣囊；車體包含儀表板總成、地板、左側(cè)車門(mén)內(nèi)飾板、左側(cè)A柱和B柱及駕駛員座椅；安全帶模型為有限元與多剛體相結(jié)合的混合式安全帶，并定義卷收器，包含限力功能和預(yù)緊功能，安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻和充氣速率通過(guò)對(duì)比整車碰撞的試驗(yàn)動(dòng)畫(huà)設(shè)置，假人采用Hybrid III 50百分位橢球體假人，根據(jù)整車碰撞試驗(yàn)假人位置調(diào)整仿真假人在車體中的相對(duì)空間位置[13]。建立的目標(biāo)車駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)模型(以Taurus為例)如圖5所示。建立約束系統(tǒng)模型后，分別按照試驗(yàn)號(hào)5677，7520和3730的試驗(yàn)中假人損傷進(jìn)行驗(yàn)證，100%正面碰撞仿真和試驗(yàn)的損傷差異如表1所示。

圖5 建立的MADYMO模型

表1 100%正面碰撞試驗(yàn)與仿真的駕駛員損傷對(duì)比

由表1可知，所建立的約束系統(tǒng)模型仿真所得的駕駛員損傷值與試驗(yàn)值誤差在10%以內(nèi)。

2.2 車車斜角碰撞假人響應(yīng)

根據(jù)有限元和多剛體仿真結(jié)果可知，在發(fā)生車車斜角碰撞后，前方構(gòu)件吸能較差，導(dǎo)致目標(biāo)車的車身左側(cè)的儀表板嚴(yán)重入侵乘員空間，且和駕駛員的下肢發(fā)生了擠壓，對(duì)駕駛員的下肢造成較大傷害；由于在斜角碰撞中有一定的Y向加速度，導(dǎo)致在發(fā)生碰撞后駕駛員的頭部向外偏轉(zhuǎn)，這可能會(huì)導(dǎo)致安全氣囊未完全發(fā)揮作用，也會(huì)造成較大的頸部傷害。

同伴車的車頭左側(cè)也發(fā)生了嚴(yán)重的變形，同樣導(dǎo)致了比較嚴(yán)重的駕駛員下肢傷害，發(fā)生碰撞后駕駛員的頭部未向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，頭部和其他內(nèi)飾發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)小于目標(biāo)車，其狀態(tài)如圖6所示，通過(guò)仿真得到車車斜角碰撞時(shí)的損傷參數(shù)，并計(jì)算WIC值，列于表2。

圖6 兩車駕駛員仿真結(jié)束時(shí)姿態(tài)

表2 3款車駕駛員損傷參數(shù)

綜合損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)WIC是針對(duì)頭部、胸部、大腿等部位的損傷值加權(quán)，其表達(dá)式為[14]

式中:HIC36為頭部損傷指標(biāo)；Cg為胸部3ms合成加速度；C為胸部壓縮量；Fl，F(xiàn)r分別為左右大腿軸向力最大值。WIC值越小，說(shuō)明約束系統(tǒng)對(duì)駕駛員的保護(hù)效果越好。

3 靈敏因子的確定

3.1 建立modeFRONTIER計(jì)算模型

為分析各約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)乘員損傷參數(shù)的影響，用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)其展開(kāi)靈敏度分析。采用均勻拉丁方方法對(duì)約束系統(tǒng)參數(shù)值在一定范圍內(nèi)進(jìn)行均勻取值，生成DOE設(shè)計(jì)表，進(jìn)行試驗(yàn)。由于計(jì)算樣本量較大，為提高效率，運(yùn)用modefrontier進(jìn)行約束系統(tǒng)參數(shù)修改和模型的自動(dòng)運(yùn)算。最后采用T檢驗(yàn)確定每個(gè)約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)每個(gè)損傷指標(biāo)的敏感程度。

本文中選取的進(jìn)行分析的約束系統(tǒng)參數(shù)包括:氣囊參數(shù)(包括氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、泄氣孔面積、氣囊體積)；安全帶參數(shù)(包括安全帶限力級(jí)別、預(yù)緊器作用時(shí)間、D環(huán)摩擦因數(shù))以及坐墊剛度共計(jì)8個(gè)約束系統(tǒng)參數(shù)。

將各約束系統(tǒng)參數(shù)以其初始值為基準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際工況選擇上下浮動(dòng)30%-50%作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的取值范圍。各車型約束系統(tǒng)參數(shù)取值范圍如表3～表5所示。

表3 Yaris約束系統(tǒng)各參數(shù)取值范圍

表4 Taurus約束系統(tǒng)各參數(shù)取值范圍

表5 Explorer約束系統(tǒng)各參數(shù)取值范圍

表6 Explorer靈敏因子分析

表7 Taurus靈敏因子分析

在modefrontier中建立流程圖，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，利用均勻拉丁方方法生成100組約束系統(tǒng)參數(shù)，modefrontier自動(dòng)將計(jì)算模型提交至MADYMO進(jìn)行計(jì)算，獲得相應(yīng)的損傷參數(shù)值。

3.2 T檢驗(yàn)

對(duì)仿真數(shù)據(jù)利用T檢驗(yàn)展開(kāi)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，確認(rèn)其統(tǒng)計(jì)顯著性，客觀評(píng)價(jià)該約束系統(tǒng)參數(shù)是否對(duì)輸出參數(shù)有顯著作用。靈敏度分析所選取的置信區(qū)間為95%，假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題的P值(probablity value)是由檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的樣本觀察值得出的原假設(shè)可能被拒絕的最小顯著性水平，當(dāng)P≤5%時(shí)可以接受該約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)輸出結(jié)果有顯著影響，即認(rèn)為該約束系統(tǒng)參數(shù)為其靈敏因子。

評(píng)價(jià)指標(biāo)包括頭部、頸部、胸部、大腿和小腿的損傷。其中頭部損傷包括HIC36和3ms合成加速度；頸部傷害包括頸部剪切力、頸部張力和頸部彎矩；胸部傷害包括胸部壓縮變形量、胸部黏性指標(biāo)和胸部3ms合成加速度；大腿損傷包括大腿軸向力和膝蓋滑移量；小腿損傷包括小腿軸向力和小腿脛骨指數(shù)。

當(dāng)某個(gè)約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)某損傷值變化起顯著作用時(shí)，則認(rèn)為該參數(shù)為該損傷部位的靈敏因子。整理歸納出的約束系統(tǒng)靈敏因子如表6～表8所示。

由表可知，在車車斜角碰撞工況中，對(duì)于目標(biāo)車而言，以Explorer， Taurus， Yaris為代表的SUV、中型車和小型車的共同靈敏因子包括安全氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、泄氣孔面積、安全帶預(yù)緊器作用時(shí)間和限力級(jí)別。而對(duì)于同伴車而言，共同的靈敏因子比目標(biāo)車多一個(gè)安全氣囊體積。

其中，對(duì)乘員頭部傷害有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)主要有氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、泄氣孔面積和安全帶預(yù)緊器作用時(shí)間及限力級(jí)別；

對(duì)乘員頸部損傷有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)為氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、泄氣孔面積、氣囊體積、安全帶預(yù)緊器作用時(shí)間和限力級(jí)別；

對(duì)乘員胸部損傷有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)主要是氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、泄氣孔面積和安全帶限力級(jí)別；

對(duì)乘員大腿有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)主要為氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、安全帶限力級(jí)別和預(yù)緊器作用時(shí)間；

對(duì)乘員小腿有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)主要為氣囊起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率、安全帶限力級(jí)別和預(yù)緊器作用時(shí)間。

以上結(jié)果符合人們的常規(guī)認(rèn)知。氣囊參數(shù)中，其起爆時(shí)間、氣體質(zhì)量流率和泄氣孔面積、氣囊體積共同決定了乘員頭部和胸部在接觸氣囊時(shí)氣囊的狀態(tài)，頭部與氣囊在適當(dāng)?shù)奈恢媒佑|且氣囊軟硬適中，才能對(duì)乘員提供較好的緩沖和保護(hù)。安全帶限力級(jí)別和預(yù)緊器作用時(shí)間影響著作用在乘員上半身的拉力和持續(xù)時(shí)間，從而影響著乘員向前運(yùn)動(dòng)幅度，同時(shí)也會(huì)影響乘員胸部的壓縮量、乘員上半身與氣囊接觸的時(shí)間和下肢向前運(yùn)動(dòng)的位移。安全帶和安全氣囊等約束系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配才能對(duì)乘員提供較好的保護(hù)。

表8 Yaris靈敏因子分析

4 參數(shù)優(yōu)化

4.1 優(yōu)化方法和目標(biāo)

以約束系統(tǒng)參數(shù)靈敏因子對(duì)目標(biāo)車和同伴車展開(kāi)優(yōu)化，并通過(guò)綜合損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)WIC衡量乘員損傷程度，以WIC最小作為優(yōu)化目標(biāo)。

目前在乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化研究中，最廣泛應(yīng)用的是基于響應(yīng)面法的系統(tǒng)代理模型，可以通過(guò)建立含有設(shè)計(jì)變量的近似函數(shù)來(lái)擬合系統(tǒng)響應(yīng)。

本文中采用Modefrontier軟件進(jìn)行約束系統(tǒng)的優(yōu)化。將約束參數(shù)輸入和損傷輸出利用徑向基函數(shù)方法(radial basis function，RBF)生成響應(yīng)面模型，利用遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithmⅡ，NSGA-Ⅱ)[15]進(jìn)行40代優(yōu)化運(yùn)算，每代組合數(shù)為50，總共2 000次迭代，獲得此工況下最佳的約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

4.2 參數(shù)優(yōu)化

為使乘員損傷WIC值盡可能降低，通常是對(duì)每一輛車單獨(dú)展開(kāi)優(yōu)化，利用modefrontier進(jìn)行迭代后，各約束系統(tǒng)參數(shù)將趨于最佳設(shè)計(jì)值，即為該車的最佳參數(shù)設(shè)計(jì)組合。優(yōu)化結(jié)果如表9～表10所示。

表9 單獨(dú)優(yōu)化后的參數(shù)組合

表10 單獨(dú)優(yōu)化前后WIC值對(duì)比

優(yōu)化后相比其WIC原值均有較大下降，約束系統(tǒng)參數(shù)能夠?qū)Τ藛T有更好的保護(hù)效果。在這3種車型中，同伴車相對(duì)目標(biāo)車而言，有較大的泄氣孔面積，且氣囊起爆時(shí)間、氣囊體積、預(yù)緊器作用時(shí)間等都存在一定的差距，約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方向會(huì)存在一定的偏差。因此，在約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用目標(biāo)車的最佳優(yōu)化組合對(duì)同伴車的乘員未必能起到較好的保護(hù)效果，反之亦然，車車角度碰撞中兼容性并不是很好。且為使約束系統(tǒng)同時(shí)對(duì)目標(biāo)車和同伴車都能起到很好的保護(hù)效果，通常在兩車的約束系統(tǒng)優(yōu)化取值中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)篩選，尋找交集，比較繁瑣。

從車車碰撞兼容性角度出發(fā)，此處以兩輛車乘員WIC值最低作為優(yōu)化目標(biāo)展開(kāi):以一組約束系統(tǒng)參數(shù)組合作為輸入，以兩車的損傷值作為輸出，并以WIC值之和最低作為優(yōu)化目標(biāo)，采用RBF建立新的響應(yīng)面模型展開(kāi)優(yōu)化。

選擇最后結(jié)果中的約束系統(tǒng)參數(shù)組合，此時(shí)目標(biāo)車和同伴車的乘員WIC之和能夠達(dá)到最小，對(duì)兩個(gè)工況下的乘員都能起到較好的保護(hù)作用。并對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面驗(yàn)證，使其精度滿足要求。優(yōu)化前后的各車型參數(shù)組合和優(yōu)化前后損傷值對(duì)比如表11～表16所示。

表11 Yaris優(yōu)化前后參數(shù)組合

表12 Yaris優(yōu)化前后乘員損傷情況

表13 Taurus優(yōu)化前后參數(shù)組合

表14 Taurus優(yōu)化前后乘員損傷情況

表15 Explorer優(yōu)化前后參數(shù)組合

表16 Explorer優(yōu)化前后乘員損傷情況

對(duì)于小型車型，在優(yōu)化前后，氣囊點(diǎn)火時(shí)刻有較大延遲，氣囊氣體質(zhì)量流率略有增加，泄氣孔面積減小，氣囊體積稍小，安全帶預(yù)緊器作用時(shí)間也略有延遲。在這樣的約束系統(tǒng)參數(shù)組合下，Yaris車型目標(biāo)車乘員由于 HIC36值大幅度下降，使 WIC值下降34.9%；同伴車的乘員頭部傷害和胸部傷害均有所改善，使WIC值也下降11.1%。

對(duì)于中型車型，在優(yōu)化前后，氣囊點(diǎn)火時(shí)刻稍提前，氣體質(zhì)量流率略有增加，泄氣孔面積增大，限力級(jí)別降低。最后使目標(biāo)車乘員胸部傷害得到改善的同時(shí)也并未增加頭部損傷值；同伴車乘員的頭部和胸部的損傷均有較好改善。綜合參考WIC值，目標(biāo)車乘員的WIC值下降4.5%，而同伴車乘員的WIC值下降28.6%。

對(duì)于SUV車型，在優(yōu)化前后，氣囊點(diǎn)火時(shí)刻延遲，氣體質(zhì)量流率略有增加，泄氣孔面積增大，限力級(jí)別降低。最后使目標(biāo)車乘員的HIC36和胸部3ms合成加速度有改善；同伴車乘員的HIC36和胸部壓縮量有較好改善。綜合參考WIC值，目標(biāo)車的乘員WIC值下降17.9%，而同伴車的乘員WIC值下降12.5%。

綜上所述，在車車斜角碰撞工況中，目標(biāo)車和同伴車的乘員綜合損傷值WIC之和達(dá)到最低。每個(gè)乘員損傷都得到不同程度的降低，都能獲得較好的保護(hù)，車車兼容性較好，且與單車最佳優(yōu)化結(jié)果差距較小。

另外，從優(yōu)化結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，車車斜角碰撞中SUV、中型車和小型車3種不同車型的約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化趨勢(shì)并不完全相同，但也存在一定的共同點(diǎn):優(yōu)化后氣囊氣體質(zhì)量流率增加，而安全帶的限力級(jí)別降低。對(duì)于原來(lái)?yè)p傷較大的車型，氣囊體積增大。

5 結(jié)論

針對(duì)Yrais，Explorer，Taurus 3款車型為代表的小型乘用車、中型乘用車和SUV的車車30°斜角碰撞仿真以及試驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行該工況下的約束系統(tǒng)優(yōu)化，得到以下結(jié)論。

(1)在30°車車斜角碰撞工況下，不同車型具有相近的約束系統(tǒng)靈敏因子，這些靈敏因子為:安全氣囊的起爆時(shí)間、質(zhì)量流率、泄氣孔面積、氣囊體積、安全帶限力級(jí)別和預(yù)緊時(shí)間。

(2)在30°車車斜角碰撞工況下，相比對(duì)每輛車單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)化，以兩輛車的WIC值最小作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，能同時(shí)降低目標(biāo)車和同伴車的乘員損傷值，獲得更加良好的車車碰撞兼容性。

(3)在30°車車斜角碰撞工況下，不同車型的約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化趨勢(shì)并不完全相同，但仍有一定共同點(diǎn)，即優(yōu)化后氣囊氣體質(zhì)量流率趨于增加，安全帶的限力級(jí)別趨于降低。