正面碰撞中乘員約束系統模型的建立及參數優化研究

曾慶勇 程文明＊ 陳浩然

1.江西農業大學 江西 南昌 330045

2.江西科技學院 江西 南昌 330098

引言

自進入本世紀以來，我國經濟提升到了全新臺階，人民生活生活水平和質量得到了質的提升。而作為代步工具的汽車自然而然走進了千家萬戶，給人們的生活帶來了方便，提高生活質量。但是，近年來汽車數量快速增加的同時也導致了汽車交通事故的急劇上升。這不僅給家庭（失去至親，經濟能力的下降）乃至國家和社會（勞動力的損失）都是不可估量的損失。由此可見，對汽車安全的研究，尤其是約束系統的研究有重要意義。

本文主要研究當汽車發生碰撞時，改變乘員約束系統中安全帶有關的不同參數對駕駛員的損傷影響，結果主要以胸部3MS積累加速度指標（g）、胸部壓縮指標ThCC（mm）、胸部黏性指標VC（m/s）、CTI為主要參考依據，對比碰撞試驗數據，對仿真數據進行驗證，為汽車座椅的設計提供理論上的支持。

1 國內外研究現狀

目前，國內外對被動安全性研究主要是車身結構抗撞性、碰撞生物力學和乘員安全約束系統三方面[1]。在海量的文獻中，我們可于查閱到的對于汽車碰撞時乘員約束系統優化設計很多都是以一個或多個假人作為研究對象，通過調整假人的坐姿、安全帶、安全氣囊的設計參數等來達到降低假人的損傷指標。例如，揚州大學鞠海蒙，沈輝[2]等利用MADYMO 建立了某車型正面碰撞約束系統多體模型，利用假人的坐姿作為優化目標以及假人的頭部損傷值 HCI 為主要參考依據，對模型進行了驗證優化。中國汽車工程研究院汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室費敬，陳可明[3]等運用 MADYMO軟件建立了正面碰撞下駕駛員側約束系統仿真模型，從正面碰撞中不同安全帶預緊方式的角度方面分析了駕駛員的損傷影響。湖南大學隆旭[4]基于MADYMO 工程軟件，建立正面碰撞約束系統仿真模型后，把對不同的安全帶預緊器組合方式為目標，分析了碰撞中預碰撞階段的緊急制動操作和五種不同的安全帶預緊器組合方式對乘員整體的保護效果，同時，研究了在同一種安全帶預緊方式的情況下，對不同體型乘員保護效果以及差異性。浙江大學董龍[5]在建立正面碰撞乘員約束系統的模型的基礎上，進行了參數靈敏度分析，同時，采用正交試驗以及極差分析法進行變量的靈敏度篩選。最終得到最優方案，與試驗設計得到的最優方案比較并進行對比，并作出了穩健性評價。湖南大學齊曉明等人[6]利用MADYMO軟件建立了駕駛員側正面碰撞仿真模型，以不同預緊方式入手，研究了汽車的制動和碰撞過程中的動態響應。仿真結果表明，主動式安全帶預緊裝置效果比其他預緊方式更顯著。

2 駕駛員系統模型的建立

整個正碰模型由車體模型、假人模型、安全帶模型、安全氣囊模型以及乘員和約束系統等構成。

2.1 MADYMO車體建模

以豐田 Yaris 模型的駕駛艙數據為例，建立車體模型。如圖1所示。

圖1 乘員室內環境模型

乘員室內環境模型的各個剛體的形狀和位置關系以及各缸體之間的約束是根據豐田 Yaris 模型實車數據確定的。擋風玻璃主要是由一個平板模型以及一個模擬柱的拉長橢球模型組成；制動踏板和加速踏板由兩個長方體的橢球模型組成；車體的地板、座椅都是平板模型；車體的儀表臺是有兩個橢圓形板模型組成；十六個橢球模型組成的方向盤，兩個拉長橢球模型組成轉向柱，這便是該車體轉向系。考慮到正面碰撞仿真時，車體和假人模型會有接觸，于是各剛體部件都是通過滑移鉸鏈來定義，這是對其侵入運動的描述，同時，為了預防車體可能發生的形變，需要采用運動鉸對車體的多剛體部件進行連接，然后依據各部件之間可能發生的相對運動來定義運動鉸類型。最后還需要定義乘員艙內座墊，座盆的剛度等特性以及摩擦系數等參數。

2.2 假人模型及定位

在MADYMO工程軟件中，有著豐富的假人模型庫，通過 INCLUDE 語句就可以直接調用以及替換，INITIAL.JOINT_POS以及ORIENTATION.SUCCESSIVE_ROT來改變假人的位置，通過CONTACT.MB_MB定義假人和乘員艙內的接觸，同時，還需要使用GROUP_MB語句來定義一些剛體組，通過LOAD.SYSTEN_ACC來定義加速度場。本文使用的假人模型是 Hy-bridⅢ 男性第50百分位假人模型，如圖2所示。在試驗中要是假人的定位精確度不高，直接影響我們的試驗結果。通常假人的定位有以下兩種方法：一種是試驗前就測量出物理假人的定位參數值，然后精準輸入，而另一種是利用重力場的作用，對假人施加一個重力場，這樣假人在與轉向系、座椅之間的相互作用下便可以達到靜力平衡狀態了。

圖2 Hy-bridⅢ 男性第50百分位假人模型

2.3 有限元安全帶模型

安全帶包括傳統的多剛體安全帶、有限元安全帶、混合安全帶模型，本文使用的是混合形安全帶，即有有限元安全帶能夠精確的模擬帶在假人身體表面的移動的效果，同時，也彌補了傳統式安全帶織帶陷入假人身體表面的嵌入效應，也可以使用正交各向異性摩擦系數來模擬，部分織帶也繼承了傳統安全帶計算量小的優點[7]。根據卷收器（RETRACTOR）、高度調節器（HEIGHT_ADJUSTER）、錨點（ANCHOR_POINT）、預緊器（PRETENSIONER）、D環、帶扣（BUCKLE）定位參數來確定安全帶的各節點的連接關系以及走向關系。圖3所示便是為安全帶模型示意圖。

圖3 安全帶模型示意圖

實線表示傳統多剛體安全帶，虛線表示有限元安全帶

2.4 安全氣囊模型

建立安全氣囊模型，并將其固定在方向盤上，氣囊采用FE模型，膜單元采用帶旋轉自由度的平板三四邊形單元[8]。其中氣囊初始體積為0.1m3，環境氣體成分采用N2和O2的混合。氣囊系統中氣體噴射使用均勻壓力模型，其重要參數包括充氣時間、點火時刻、速度、加速度、壓力、溫度和氣體的質量[9]。

2.5 車體模型替換

在 Hypermesh 工程軟件中建立 Yaris 模型，車原來自美國國家高速公路交通安全管理局（national highway traffic safety ad-ministration，NHTSA）官網，試驗編號為5677。如下圖4所示在 Hypermesh工程軟件中將Yaris模型前處理得到替換MADYMO車體的模型，如圖5所示。

圖4 Yaris車體有限元模型

圖5 處理后Yaris車體有限元模型

將處理后的模型導入MADYMO工程軟件，便會自動生成MADYMO格式，由于生成后的模型與原先建立的 MADYMO 車體模型是相互獨立的，需要先調節儀表盤、地板、座椅、假人等模型的位置，然后進行替換，將原先的地板、擋風玻璃、座椅等刪除，導入并復制處理后的各模型，并定義相應的屬性。最后建立好的駕駛員側約束系統仿真模型如圖6所示。

圖6 駕駛員側約束系統仿真模型

3 仿真分析

對于汽車主動、被動安全性來說最可靠的莫過于實車碰撞試驗，但是實車碰撞成本高、周長且不可重復，不能成為我們汽車研發的唯一手段。面對當下計算機技術的興起，正是汽車的研發新的機遇，不但彌補了實車碰撞試驗的缺陷，而且在設計初期階段就能夠達到車輛的安全性能，精度也相當高，對于汽車的研發設計來說意義重大[10]。

3.1 胸部的評價指標

按照國標《GB 11551-2014汽車正面碰撞的乘員保護》的要求，對于胸部的評價指標主要有3MS（CONTIGUOUS_3MS,CUMULATIVE_3MS）、胸部的壓縮量（ThCC）、胸部的黏性指標（VC）、胸部的總指數等。

（1）3MS

通常描述胸部嚴重損傷（AIS≥4）的人體耐受級別是上胸部重心位置受60ɡ的最大線性加速度，持續3ms或更長[11]。因此，損傷指標是線性加速度的持續時間級別，而不是單個的線性加速度。3MS指標包括連續3毫秒損傷指標以及累積3毫秒損傷指標。

（2）胸部的黏性指標 (VC)

胸部是事故中評價乘員傷害的重要器官，按照國標《GB 11551-2014汽車正面碰撞的乘員保護》的要求，胸部的黏性指標必須小于1.0m/s。

黏性指標=壓縮量×變形率。這兩個值都是通過測量胸部的變形量得出，t時刻的肋骨變形速率按下式求得：

式中 ，

D(t)——t時刻濾波后的變形量（m）；

δ（t）——變形測量的時間間隔（s），最大值為

（3）胸部性能指標（ThPC）以及胸部的壓縮量 （ThCC）

按照國標《GB 11551-2014汽車正面碰撞的乘員保護》的要求，正面碰撞胸部的性能指標（ThPC）必須小于75mm，胸部的壓縮量（ThCC）必須小于50mm。

（4）胸部總指數 (CTI)

胸部指數 (CTI) 是胸部損傷的一種測量方法，是胸部變形的最大值以及上脊柱 3ms合成加速度的最大值的組合。CTI 的計算公式如下：

式中，Aint和Dint為與假人相關的常數。

3.2 頭部的損傷準則HIC（頭部的性能指標HPC）

按照國標《GB 11551-2014汽車正面碰撞的乘員保護》的要求，不管是正面碰撞、正面偏置碰撞還是側面碰撞頭部的性能指標HPC應不大于1000，并且頭部合成加速度大于80g的時間，累積不應超過3ms，但不包括頭部反彈。其計算公式如下：

式中，

T0 為模擬的起始時刻；

TE 為模擬的結束時間；

R(t)為頭部在時間范圍內的合成加速度（單位g，頭部重心測量值）；

t1起始時刻、t2結束時刻，在這段時間間隔內HIC值最大，t2-t1≤36ms。

3.3 優化方案設計

選取對乘員約束系統影響較大的因素，如安全帶織帶延伸率、安全帶上掛點高度、腰帶位置、卷收器鎖止時間，每個因素分別對應3個水平，然后將各及其對應的水平相互交織，取9種優化方案如表1，表2所示。實驗結果見表3。

表1 選取因素及其對應的水平

表2 方案設定

3.4 結果分析

表3 試驗結果

由表3我們可以看出方案c、d、h胸部3MS積累加速度指標都超過標準值，方案b、f、g有所改善但是效果不佳，而方案a、e、i有明顯的改善，由此可以得出卷收器鎖止時間對胸部3MS積累加速度指標影響最大，同理卷收器鎖止時間對各項指標影響度是最大的，其次是安全帶的延伸率（%）、腰帶位置、安全帶上掛點高度，可以得出可以得出e為最優方案，乘員的各項指標都得有效的控制。

4 結論

本文建立了一個 MADYMO 車輛正面碰撞有限元模型。將不同的乘員約束系統方案帶入模型中計算，通過分析得到最佳方案，并比較各方案的結果，得出以下結論：

對于本文選取的影響因素，卷收器的鎖止時間對乘員各傷害指標影響是最大的，但是不能太大，隨著鎖止時間不斷增大，傷害值也不斷增加。除了卷收器的鎖止時間外，其他因素對乘員各傷害指標也都有影響，但影響相對較小。

本文確定的最佳方案為：安全帶的延伸率 A（12%），安全帶上掛點高度 B（初始位置），腰帶位置 C（30mm），卷收器鎖止時間 D（13ms）。此方案實驗乘員的到了很好的保護，各傷害評價指標都有所減小。

在科技高速發展的當下，配備完善的乘員約束系統是研究碰撞中乘員保護的重要方法，對于其它研究也相當重要。同時，計算機技術的發展，仿真軟件的運用在研發過程中作用也是相當的大，極大的縮短研發周期、降低成本。