基于小偏置碰的乘員二次碰撞分析及約束系統(tǒng)仿真優(yōu)化

蔣成約，張 偉，任立海，胡遠(yuǎn)志，李 軍，黃 杰

(1.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 401320；2.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054)

國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示我國交通安全問題仍然十分嚴(yán)峻[1]。車輛碰撞事故中，正面小偏置碰撞工況(重疊率≤30%)致死率較高[2-3]。目前，美國公路安全保險協(xié)會及中國保險汽車安全指數(shù)均已將25%小偏置碰撞納入了測評范圍[4-5]，相關(guān)測試結(jié)果顯示小偏置碰撞工況對車輛的安全性能有獨特的要求[6]。

當(dāng)前，小偏置碰中的車體耐撞性與乘員防護(hù)是汽車碰撞安全領(lǐng)域的研究重點。文獻(xiàn)[7-11]為小偏置碰中的車身結(jié)構(gòu)評價與約束系統(tǒng)優(yōu)化提供了參考。研究表明，乘員約束系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)與乘員加權(quán)傷害指標(biāo)WIC值有較大相關(guān)性[12]；氣囊袋形設(shè)計可以兼顧不同乘員的接觸剛度需求[13]。

本文采用CAE方法開展小偏置碰的乘員二次碰撞響應(yīng)分析及約束系統(tǒng)優(yōu)化工作，以期完善相關(guān)工況中的乘員防護(hù)效能。

1 仿真模型的搭建與驗證

當(dāng)前小偏置碰試驗數(shù)據(jù)較少，本文首先建立某車型50 km/h正面碰撞工況(Front Rigid Barrier, FRB)約束系統(tǒng)模型并對標(biāo)；然后采用LS-DYNA仿真獲取該車型64 km/h小偏置碰(Small Overlap Barrier, SOB)的車體響應(yīng)數(shù)據(jù)，作為小偏置碰乘員仿真的運動輸入；最后開展小偏置碰乘員響應(yīng)分析與約束系統(tǒng)優(yōu)化。

1.1 約束系統(tǒng)模型搭建

本文采用美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)公開的2010款豐田Yaris(三廂版)已對標(biāo)車型為研究對象[14]。

該車型約束系統(tǒng)基礎(chǔ)模型主要包括乘員艙及各約束系統(tǒng)子模塊。根據(jù)實驗設(shè)定導(dǎo)入Hybrid-III 50th男性假人并調(diào)整假人的相應(yīng)位置與姿態(tài)。針對小偏置碰撞工況中車身繞垂直方向轉(zhuǎn)角大及乘員艙侵入大等特點，本文采用有限元軟件LS-DYNA中的*INTERFACE等關(guān)鍵字施加邊界條件以重現(xiàn)整車碰撞結(jié)果中車體的整體運動和局部變形，仿真精度較提取加速度曲線的方式更高，并且可以有效地反映外力的響應(yīng)。本文搭建的約束系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 約束系統(tǒng)模型

1.2 約束系統(tǒng)模型有效性驗證

圖2為60 ms與100 ms時刻的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的運動對比，由圖可知：仿真與實驗的兩個時刻假人運動姿態(tài)、氣囊展開形態(tài)基本一致。

(a)60 ms

此外，對假人關(guān)鍵部位傷害指標(biāo)進(jìn)行了對標(biāo)。圖3為部分實驗曲線與仿真曲線的對比。由圖可知，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果在趨勢、時域與峰值三個方面的擬合度較好，所建立的約束系統(tǒng)模型可作為后續(xù)分析與優(yōu)化的基礎(chǔ)模型。

(a)頭部X向加速度

上述實驗數(shù)據(jù)來源于NHTSA[14]。

2 小偏置碰車體運動及乘員損傷對比

利用LS-DYNA軟件完成小偏置碰的結(jié)構(gòu)仿真，并基于正碰對標(biāo)約束系統(tǒng)模型搭建小偏置碰約束系統(tǒng)模型，繼而分析小偏置碰中的乘員傷害。

2.1 車體運動對比分析

小偏置碰中車體與壁障的重疊率為25%，前縱梁等重要吸能結(jié)構(gòu)難以起到潰縮吸能的作用。小偏置碰結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果顯示：車身在70 ms左右時開始產(chǎn)生繞Z軸的轉(zhuǎn)動，在120 ms時刻達(dá)到20°左右，并在60 ms左右產(chǎn)生沿Y軸方向近35 g的加速度，見圖4。

(a)整車?yán)@Z軸轉(zhuǎn)角

2.2 小偏置碰中乘員運動及傷害分析

小偏置碰中車體繞Z軸產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)角，使得假人頭部與駕駛員側(cè)氣囊接觸后容易產(chǎn)生滑移，增大了假人頭部與A柱、側(cè)窗等硬接觸的概率。圖5所示為115 ms時刻假人頭部滑移后與車門內(nèi)側(cè)直接接觸的動態(tài)響應(yīng)示意圖，根據(jù)IIHS評價要求，發(fā)生類似狀況且造成假人頭部合成加速度超過70 g，則頭部傷害等級降低一級。

(a)俯視圖

仿真結(jié)果顯示乘員頭部與車門內(nèi)側(cè)接觸后使得頭部合成加速度峰值達(dá)102.8 g。此外，小偏置碰中頭部從氣囊表面滑落后使得頸部出現(xiàn)了明顯的彎曲運動，其最大頸部彎矩較正碰上升了44.55%，見圖6。

(a)頭部合成加速度

3 約束系統(tǒng)仿真優(yōu)化

上述分析顯示假人頭部側(cè)向滑移、頭部硬接觸、頭部與胸部的較大相對位移等因素是造成小偏置碰中頭部和頸部傷害指標(biāo)上升的主要原因。

3.1 側(cè)氣簾對乘員損傷的影響分析

為避免小偏置碰中假人頭部與內(nèi)飾產(chǎn)生硬接觸，本文分析了增配氣簾(Curtain Airbag，CAB)對假人頭部的保護(hù)效果。圖7為80 ms和115 ms時刻氣簾展開后與假人頭部的相對位置。

(a)80 ms

仿真結(jié)果顯示配備氣簾后，有效避免了假人頭部與車門內(nèi)側(cè)的硬接觸，但對頸部損傷指標(biāo)改善效果較小(頸部易陷入主駕氣囊與氣簾的夾縫中)，因而有必要對主駕氣囊的袋形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計來改善上述問題。

3.2 異形主駕氣囊設(shè)計與優(yōu)化

圖8(左)所示為普通的主駕氣囊(Driver Airbag，DAB)與氣簾夾縫處的切面示意圖。配備普通DAB存在以下問題：① 頭部受到Y(jié)向加速度時容易在DAB表面滑移；② 頭部較易陷入到DAB與氣簾的夾縫中。以上兩種情況均會對假人的頭部、頸部等部位的保護(hù)效果造成不同程度上的影響。圖8(右)為理想的氣簾與DAB夾縫處的切面示意圖，DAB的整體形狀呈中間凹陷兩端凸起的形式，增加了頭部在DAB上滑移時的阻力，降低了其滑落的可能性。同時DAB與氣簾的擠壓面積更大，頭部陷入夾縫的可能性也隨之降低。

圖8 氣簾與DAB夾縫處切面示意圖

普通DAB由兩層大小相同的圓形織布通過圓周邊界上下縫合組成，改進(jìn)后的DAB在兩層圓形織布間的左右兩側(cè)增加半圓形夾層，并進(jìn)行相應(yīng)的縫合。圖9為形狀改進(jìn)后的DAB與原始DAB展開后的形狀對比，由圖可知，改進(jìn)后的DAB中間位置的厚度和上下側(cè)的邊界輪廓基本保持不變，左右兩側(cè)的邊界輪廓得到延伸，氣囊厚度有所增加，此時氣囊的形態(tài)即為預(yù)期展開效果。原始DAB的體積為50 L，改進(jìn)后的DAB(后文簡稱異形DAB)的體積為80 L。

圖9 異形DAB(左)與原始DAB(右)展開形狀對比

DAB的形態(tài)與體積發(fā)生了較大的變化，需要重新匹配其相關(guān)參數(shù)以達(dá)到最佳的保護(hù)效果。從可行性與相關(guān)性的角度出發(fā)，選擇氣囊質(zhì)量流率、泄氣孔面積、拉帶長度為設(shè)計變量；以綜合損傷指標(biāo)WIC為目標(biāo)值[15-16]，即：

(1)

式中：HIC36為頭部綜合性能指標(biāo)；C3ms、Ccomp分別為胸部的3 ms合成加速度與壓縮量；Fl、Ff分別為左、右大腿軸向力。

利用Isight參數(shù)優(yōu)化設(shè)計軟件，首先以均勻超拉丁實驗設(shè)計方法構(gòu)造40組實驗方案；目前比較常用的響應(yīng)面近似模型構(gòu)造方法主要有：多項式法、Kriging法和徑向基法等，其中徑向基函數(shù)模型對于輸入變量與響應(yīng)關(guān)系非線性、輸入變量水平數(shù)比較高的問題可以獲得比較高的擬合度，所以選用該代理模型構(gòu)造響應(yīng)面并與NSGA-II算法結(jié)合得出最優(yōu)解方案，具體方案如表1所示，該方案中質(zhì)量流率和氣囊泄氣孔面積明顯增大，拉帶長度少量增加。

表1 最優(yōu)解方案

3.3 優(yōu)化效果驗證

圖10為120 ms時刻小偏置碰優(yōu)化前后的乘員保護(hù)效果對比，在配備氣簾與異形DAB的模型中，頭部處于兩個氣囊的雙重保護(hù)中，與車體內(nèi)飾未發(fā)生任何接觸；假人頸部彎曲運動也有所減小，假人姿態(tài)得到明顯的改善。

圖10 不同約束系統(tǒng)保護(hù)效果對比

約束系統(tǒng)優(yōu)化后，假人主要傷害指標(biāo)得以改善(如圖11所示)，具體損傷指標(biāo)如表2所示，假人頭部HIC36和頸部Nij相比優(yōu)化前分別降低了61.75%和31.3%；由于安全帶限力等級未進(jìn)行調(diào)整，所以胸部壓縮量和合成加速度變化不大。最終假人的WIC值降低47.22%，優(yōu)化效果較顯著。

(a)頭部合成加速度

表2 小偏置碰撞損傷值對比

圖12為50 km/h正面碰撞工況采用異形DAB并優(yōu)化該工況點火時間后的乘員運動形式對比。相較于原始方案，采用異形DAB后假人頭部空間余量變大。

(a)原始DAB

在50 km/h正面碰撞工況中，由于氣囊剛度的增大，假人頭部HIC36增加了5.05%(小于C-NCAP中的高性能限值650)，但頸部Nij改善幅度較大，整體WIC值減少了3.7%，具體指標(biāo)，見表3。

表3 正面碰撞損傷值對比

4 結(jié) 論

本文采用CAE仿真方法分析、比對了50 km/h全正碰與64 km/h小偏置碰兩種工況中的乘員運動響應(yīng)及損傷特性，并開展了約束系統(tǒng)優(yōu)化，初步結(jié)論如下：

(1)64 km/h小偏置碰中乘員上軀干相對車體產(chǎn)生較大的橫向加速度，導(dǎo)致頭、頸部損傷加劇，且乘員頭部易從DAB表面滑落，進(jìn)而導(dǎo)致硬接觸風(fēng)險。

(2)通過約束系統(tǒng)優(yōu)化，可顯著改善乘員運動姿態(tài)與損傷指標(biāo)。優(yōu)化后小偏置碰中假人頭部完全處于DAB與CAB的保護(hù)中，頸部的彎曲運動也得到改善；頭部HIC36與頸部Nij分別降低了61.75%與31.3%，使得整體WIC值降低47.22%。50 km/h正碰工況優(yōu)化后，頭部HIC36雖然增加了5.05%，但WIC值降低了3.7%。