某車型正面碰撞頸部My分析及優化

方銳 栗國 董文楷

中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司 天津市 300300

1 引言

當今，大部分消費者將汽車安全性能納入購車參考指標，如何確保在交通事故中人身安全變得尤為重要。頸部作為人體神經及血管高度集中部位，確保在C-NCAP試驗中頸部滿分已成為汽車安全研發人員的必要工作。碰撞試驗中頸部如出現問題，多數情況由頸部My過大引起；如何分析頸部My問題、并制定相應優化方案成為新車研發過程中重要的一部分。

本文主要是針對某車型的正面碰撞整車試驗中的前排假人頸部My進行分析，通過仿真計算，對PAB氣囊造型進行更改，最終整車試驗驗證優化方案可行有效。

2 頸部My傷害機理分析

在C-NCAP正面碰撞試驗中前排乘員使用第50百分位混Ⅲ男性成年假人。假人頸部是由四個不均勻的橡膠塊塊與鋁板連接而成的單一結構體，一鋼絲繩穿過頸部中心連接到兩端的平板上，上端的平板通過一樞軸與假人頭部內上頸部傳感器連接[1]；零部件構造及假人頸部傳感器位置如圖1、圖2所示。

依據假人頸部傳感器對應坐標系，頸部My正負方向如下：下巴向胸部轉動為正方，下巴遠離胸部為負[2]，C-NCAP中規定假人頸部My得分判定依據為修正后頸部My負向最大值[3]；結合頸部My方向，對碰撞過程中假人頸部My變化情況進行分析，頸部My變化可分為三個階段：

碰撞初期階段：車體接觸剛性墻體后速度急劇降低，ECU信號觸發安全帶點火開關而假人由于慣性作用持續向前運動，受安全帶對胸部的約束作用，頭相對胸部向前運動，頸部My從預緊作用到限力起作用負向逐漸增大；

假人接觸氣囊階段：頭部、頸部與氣囊接觸，氣囊向后方施力，緩沖頭部運動，胸部繼續向前運動，頭相對胸部向后向上轉動，頸部My負向增大明顯[4]；

氣囊泄氣假人回彈階段：隨著氣囊泄氣接近完成，頭部與胸部相對位移減小，趨于平衡，頸部My由負向逐漸降低到正向增加，直至假人回彈結束。

3 假人頸部My超標原因分析

某車型在C-NCAP 100%偏置碰撞摸底試驗中，前排假人頸部得分為0.74分。具體情況為前排假人頸部傷害值剪切力Fx、張力Fz滿分，頸部伸張彎矩My偏大導致失分，伸張彎矩My曲線如圖3所示。

觀察頸部My曲線可發現，在86ms出現負向峰值，該時刻假人已與氣囊接觸，肩帶力及骨盆加速度無異常狀況，所以推斷頸部My的超標是由氣囊接觸異常引起。從試驗頂部錄像可發現，在氣囊完全展開到假人頭部與氣囊充分接觸之前，都未與風擋玻璃接觸；該情況下，氣囊由于點爆后產生大量氣體，氣囊內部壓力變大，若儀表板與風擋玻璃無法充分支撐氣囊，氣囊會出現上下波動情況。

圖1 假人頸部零部件構造

圖2 假人頸部傳感器位置

圖3 正面碰撞前排乘員頸部My

通過觀察氣囊靜態起爆試驗發現，氣囊充滿后，氣囊重心落于儀表板外，儀表板無法充分支撐氣囊，氣囊處于上下波動狀態，與整車試驗預想一致。氣囊在此狀態下，假人與其接觸，頭部受力不穩定，最終導致頸部My超標。

4 仿真模型建立

通過碰撞仿真分析軟件創建包括儀表板、座椅、安全氣囊、安全帶、地板、風擋玻璃等在內的前排乘員約束系統仿真模型，將Hybrid Ⅲ50百分位男性假人帶入模型中，利用實車試驗中量取的乘員空間參數對其進行空間定位。

將整車試驗中采集的左側B柱下X方向加速度作為仿真模型的加載脈沖，安全帶、座椅等其他零部件相應性能參數通過零部件試驗獲取，帶入仿真模型中；PAB（前排乘員側安全氣囊）按整車設計位置帶入模型中，確保氣囊模塊角度與整車擺放角度一直，減少角度誤差引起的傷害值差異；通過調整各個參數，對假人肩帶力，骨盆加速度，大腿力，胸部加速度及壓縮量等主要傷害值進行對標，其中頸部My對標擬合度達到90%，頸部My仿真曲線與試驗曲線趨勢及峰值基本吻合，滿足對標要求。

5 頸部My優化

在仿真模型搭建過程中發現，PAB氣袋展開后體積偏小，與儀表板造型、風擋玻璃與儀表板之間夾角匹配不合理；仿真動畫中，PAB在完全展開狀況下，不能與風擋玻璃完全貼合。

為驗證頸部My問題為氣囊問題引起，采用在仿真模型中將其他氣袋體積較大的PAB與其替換進行運算，替換過程中，確保PAB氣囊位置及角度不變；觀察替換后仿真動畫可發現PAB氣袋體積變大后，氣囊展開后與儀表板及風擋玻璃充分接觸，受到支撐效果明顯增強，仿真結果中，頸部My減小明顯，因此可確認頸部My傷害值過大由氣袋造型設計缺陷引起。

考慮到設計成本問題，最終確認優化方案為：在原氣體發生器的情況下，對氣囊氣袋造型進行重新設計；由于氣囊氣體發生器未更換，為保證壓力一定，因此重新設計氣袋需確保氣袋體積不發生改變。

首先使用CATIA軟件對PAB氣袋造型進行重新設計，將新包型氣袋帶入仿真模型中，更換前后仿真動畫對比如圖4、圖5所示；新氣囊展開后能夠與風擋玻璃緊密貼合，碰撞過程中相比于原氣囊，能夠穩定支撐假人頭部，仿真結果顯示頸部My改善明顯。

圖4 原氣囊仿真動畫

圖5 新氣囊仿真動畫

對重新設計的氣袋進行實體加工后，進行體積測量和氣袋靜態展開試驗測試，設計前后的兩種氣袋靜態進行展開試驗；靜態測試試驗結果無異常現象，可將新設計氣袋裝配于整車中進行優化方案驗證。

6 整車試驗驗證

將重新設計的PAB裝配于整車中進行正面100%碰撞試驗，由優化前后對應時刻試驗高速錄像對比發現，假人頭部接觸位置及運動狀態改善明顯，頸部My由60.5Nm降低到39Nm，如圖6所示，分數提高1.15分；且胸部壓縮量也明顯改善；整車試驗結果與仿真結果接近，PAB氣袋造型修改方案可行有效。

圖6 整車試驗頸部My曲線對比

7 結語

本文針對某車型在C-NCAP 100%正面碰撞摸底試驗中出現的前排乘員頸部My超標問題，建立了前排乘員MADYMO仿真模型，并對其關鍵傷害指標進行對標，然后對PAB氣袋造型進行優化。最終頸部得分由0.74分提升到2分，優化效果顯著。由本文可以得出以下結論：

碰撞試驗中儀表板不能充分支撐展開后的氣囊，且氣囊與風擋玻璃不貼合，在展開過程中發生抖動，假人頭部與不穩定氣袋接觸，容易導致假人頸部My出現問題；而對氣囊氣袋進行重新設計，頸部My可得到改善；此優化方案對頸部傷害優化有一定參考意義。