某MPV車型后排約束系統對標和改進設計

龐毅，段大祿，楊華凱

(1.廣西數仿科技有限公司，廣西柳州 545007；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西柳州545007；3.卡仕福汽車技術有限公司，江蘇南京 210000)

0 引言

約束系統是汽車碰撞事故發生時保護乘員的重要裝置，現在的乘員約束系統優化通常基于確定性的設計條件和載荷參數條件進行，其目的是提高對乘員的保護效果，使損傷降到最低水平[1]。在汽車被動安全措施中，安全帶是十分關鍵的裝置。據各國交通部門的統計數據顯示，在發生正面撞車時，如果系上安全帶，車禍的傷亡率可以降低45%[2]。

文中計算的仿真模型用Radioss有限元求解軟件建立，并使用Radioss Block格式的顯式時間積分求解算法[3]。通過優化后排座椅的泡沫硬度，選用較大延伸率的織帶，增多安全帶卷收器的織帶保有量，以及采用匹配車型的后排安全帶限力級別，對該MPV車型進行了約束系統對標和改進設計，較大改善了后排乘員的安全性能。

1 后排約束系統分析

1.1 碰撞試驗ODB64

在汽車碰撞安全性能的評價法規C-NCAP中，試驗車輛以64 km/h的速度40%重疊正面沖擊固定可變形吸能壁障，用于考察車輛中假人的損傷情況，如圖1所示。

在整車碰撞ODB64的試驗中，前排駕駛員和乘員位置分別放置一個Hybrid III 型第50 百分位男性假人，用以測量前排人員受傷害情況。在后排座椅最左側座位上放置一個Hybrid III 型第5 百分位女性假人，用以測量后排人員受傷害情況，如圖2所示。

圖1 偏置碰撞試驗ODB64

圖2 偏置碰撞試驗假人

1.2 約束系統仿真

汽車乘員約束系統后排的模型主要包括：安全帶、座椅、汽車地板等，如圖3所示。針對車身結構已定型的某新開發車型，由于后排座椅沒有安全氣囊，這里的約束系統主要是安全帶和座椅。

圖3 后排約束系統仿真建模

仿真模型中，座椅和地板固接作為邊界條件，整個系統施加重力載荷。后排座椅和ODB試驗一樣有X方向64 km/h的初速度，取靠近后排座椅的汽車C柱下傳感器Y、Z方向的數值作為后排座椅Y、Z方向的平移相對速度，旋轉速度通過右C柱下X方向和Z方向的傳感器數值和左C柱上Z方向和下X方向的數值計算得出。

1.3 問題說明和分析

某MPV在偏置碰撞試驗ODB64中，碰撞加速度較大和第二排約束系統未做優化匹配,肋骨壓縮量試驗值為49 mm，超過C-NCAP規定的限值48 mm，結果為0分，第二排假人胸部受到很大傷害，因此必須要改善胸部的傷害。

在碰撞過程中，如圖4所示,第二排第5 百分位女性假人主要受安全帶和座椅約束作用。根據達朗貝爾原理,作用于一個物體的外力與動力的反作用之和為零[4],簡化受力簡化如圖5所示,其中F1為假人向前的慣性力，F2為安全帶的肩帶力，F3為安全帶肩帶和腰帶X方向分力之和，F4為座椅對假人的支撐反力，F5為安全帶腰帶力，F6為假人重力。由簡化受力可知，要減小胸部壓縮量可以通過減小F3即安全帶的拉力來實現。

圖4 后排女性假人受力簡化 圖5 受力簡化分析

2 安全帶和座椅

在汽車正面碰撞事故中，尤其對后排的乘員而言，安全帶系統是最重要的乘員保護裝置[4]，安全帶物理模型如圖6所示。為了更好地保護乘員，防止胸部傷害過大，很多車型在后排的安全帶裝置中加有限力功能,尤其是正面碰撞時整車加速度較大的車型。

圖6 安全帶實物

安全帶限力器的工作原理是：在乘員相對車體運動過程中，卷收器內的限力裝置通過釋放出一定量的安全帶織物，使安全帶的力維持在限定的水平，從而限定安全帶對人的作用力[5]。某MPV車型的整車碰撞試驗ODB64中,后排的安全帶為卷收器帶限力扭桿裝置，沒有預緊器，因此只有限力作用。圖7為帶限力扭桿的安全帶裝置示意。

圖7 帶限力扭桿安全帶實物分解

2.1 安全帶建模

安全帶是約束系統的重要組成部分。安全帶的有限元建模一般包括：織帶、帶扣、卷收器、滑環、限力器和預緊器，各部件組合的模型如圖8所示。

Radioss的求解方法為有限元的罰函數法，對比多剛體求解軟件Madymo的MB-FE混合接觸算法[6]，計算時間雖然比較長，但模擬方法更接近真實的物理情況。有限元方法可以精確模擬碰撞工程中安全帶在假人身體表面的滑動以及安全帶織物陷入假人身體表面的嵌入效應[7]。

圖8 安全帶仿真模型

2.1.1 織帶

織帶的建模分兩部分，和人接觸的部分要用2D單元建模，其他部分用1D單元建模，在滑環和帶扣處的1D單元要有足夠的長度才能確保安全帶的合理滑動。仿真建模中需要的安全帶力學特性需要做試驗來獲取，通過如圖9所示的織帶拉伸試驗，得到圖10所示的有限元建模中織帶的延伸率曲線。

圖9 織帶拉伸試驗

圖10 織帶延伸率曲線

2.1.2 卷收器

安全帶的卷收器控制織帶的拉出量，一般通過圖11所示的靜態卷收器芯軸織帶環繞拉伸試驗獲取拉出力和拉出位移的曲線。通過卷收器織帶拉出試驗，在對標中得到安全帶仿真的準確模型，可以模擬和試驗效果一致的安全帶拉伸性能。

當安全帶卷收器里面的織帶長度不一樣，會影響織帶的拉出量和假人的胸部受力，即為卷收器的卷軸效應。因此通過圖12的安全帶卷收器不同長度織帶保有量的卷軸效應試驗，測試得到其對假人胸部傷害的影響。取50分位HybidⅢ假人做安全帶滑臺試驗測試卷軸效應，試驗結果如圖13所示，得出卷收器安全帶織帶的保有量越多，對假人胸部的壓縮量越小，傷害越少，因此在仿真對標模型中要考慮卷軸效應的影響，較試驗嚴苛地模擬安全帶肩帶拉力。

圖11 卷收器織帶拉出試驗

圖12 卷軸效應試驗

圖13 卷軸效應對胸部傷害的影響

2.1.3 限力器

由于過高的安全帶肩帶拉力對胸部肋骨傷害很大，限力式安全帶可以很好地解決這個問題。當安全帶拉力達到限定值時通過可以扭轉的限力桿來使織帶在鎖止狀態時釋放所承受的力，減少由于安全帶導致的胸部的壓縮變形。常用的限力桿有恒力限力桿和遞減限力桿。選擇合適的限力形式和級別要考慮具體車型的碰撞試驗加速度以及成本。

安全帶的限力通過限力扭桿來實現，限力器的限力級別根據肩帶力和胸部的肋骨變形量來調節。安全帶的限力作用只對肩帶有效果，對腰帶不起作用，通過調整仿真模型中安全帶限力器的徑向剛度，對標安全帶肩帶力的試驗結果如圖14所示，其對應肩帶力的胸部壓縮位移量結果如圖15所示，對標安全帶腰帶力的試驗結果如圖16所示。由于碰撞試驗中假人的傷害峰值在100 ms之前，故為了節省計算的時間，仿真模型只需計算到150 ms。

圖14 安全帶肩帶力

圖15 胸部肋骨壓縮量

圖16 安全帶腰帶力

2.2 座椅

整車碰撞ODB64試驗中，對后排女性假人傷害的考察主要是頭部、頸部和上軀干，而且MPV車型由于座椅位置較高，如圖17所示，一般后排座椅的變形和假人前移量比較小，對假人的傷害有限。根據仿真計算的模型分析，后排座椅泡沫的剛度影響骨盆和下軀干向X方向前面移動的位移量。

座椅的泡沫材料通過圖18所示的壓縮機剛度試驗獲取。根據試驗和仿真分析，后排座椅泡沫優化前和優化后的剛度曲線如圖19所示，優化后的泡沫比優化前的軟。

圖17 碰撞試驗后排座椅 圖18 后排座椅泡沫剛度試驗

圖19 座椅泡沫剛度曲線對比

3 對標和優化

3.1 對標結果

在汽車碰撞安全性能的評價法規C-NCAP中，后排女性假人頭部若在向前移動過程中未發生二次碰撞，則頭部直接得到1分[8]，圖20為假人頭部加速度的對標。頸部得分通過測量假人相關指標而產生，其評價指標包括剪切力Fx、張力Fz和伸張彎矩My，試驗中Fz達到1 800 N，圖21為頸部張力對標。

圖20 頭部加速度

圖21 頸部Z向張力

圖22為碰撞試驗發生在t=120 ms時刻的錄像，圖23為仿真對應t=120 ms時刻的動畫，從假人的運動姿態看，仿真和試驗比較接近，說明較好地完成了假人傷害的仿真對標。

圖22 偏置碰撞試驗錄像

圖23 偏置碰撞仿真動畫

3.2 安全帶和座椅的優化設計

奇瑞汽車的王燦軍等在某微型轎車乘員前排約束系統的改進設計中，通過選擇延伸率大的織帶和匹配帶有限力裝置的安全帶，對減小假人的損傷取得較好的效果[9]。

由于該MPV車型后排女性假人在碰撞試驗中只是胸部傷害較大，壓縮量為49 mm，超過了C-NCAP法規的上限48 mm，故采用限力式安全帶來降低安全帶對胸部的傷害，其限力功能通過安全帶卷縮器中心軸的扭轉桿實現，可通過設定扭轉桿的材料來實現不同的限力等級,通常從2.5～6.5 kN不等。

該MPV車型是后排的約束系統優化，不是前排駕駛員的約束系統，沒有方向盤等前排結構，但對安全帶優化改進較好的措施可以運用到該車型中。選擇延伸率為15%的織帶，并且選擇限力為3.5 kN規格的安全帶，從對標模型中調整相關參數計算后，胸部傷害值曲線如圖24所示，胸部肋骨壓縮變形量從優化前的51.2 mm減小到了30.4 mm,減小的幅度為40.6%，較大程度改善了胸部的損傷。

圖24 安全帶改進后胸部傷害曲線

4 結論

(1)從座椅泡沫的剛度試驗、安全帶織帶的拉伸試驗、卷收器芯軸織帶環繞拉伸試驗以及整車偏置碰撞試驗，仿真都較好地完成了和試驗曲線的擬合。分析假人傷害的試驗和仿真對標的曲線和動畫，結果也基本一致，說明仿真模型較好地對標了試驗結果。

(2)通過對后排約束系統的改進，仿真結果表明，后排女性假人的胸部傷害得到了較大的改善，給后期優化設計提供了可行的方案。

(3)2018版的汽車安全法規C-NCAP，加上了對后排女性假人的傷害值考核，MPV車型的后排約束系統設計也處在起步階段。本文作者用試驗和仿真對標以及改進等手段來輔助后排約束系統的正向設計，取得較好的效果，提高了后排乘員的安全性能。