某車型小偏置碰撞約束系統及假人評定項優化研究

畢思剛 張悅 王建勛 劉彥博 陳哲

（一汽奔騰轎車有限公司，長春 130013）

主題詞：小偏置碰撞 約束系統 乘員安全 側氣簾

1 前言

在眾多交通事故類型中，正面碰撞是發生概率最高的事故類型，且乘員傷亡率也很高[1]。其中，小偏置正面碰撞工況的死亡人數占正面碰撞死亡人數的22%[2]。因此，各國的安全性法規及評價規程紛紛將小偏置正面碰撞作為測試項目納入評價體系。

2018 年，中國保險汽車安全指數（China Insurance Automotive Safety Index，C-IASI）將正面25%偏置碰撞試驗（本文簡稱“小偏置碰”）作為車內乘員安全指數的一個試驗工況。正面25%偏置碰撞評價分為車輛結構、假人傷害、約束系統和假人運動3個方面[3]。

目前，小偏置碰中車輛結構耐撞性提升[4-8]、乘員傷害等級降低[9-11]、約束系統和假人運動等級優化均是被動安全領域的研究重點。在C-IASI小偏置碰規程中，假人傷害等級按單個身體部位進行評定，沒有進行假人整體傷害評定。研究表明，乘員加權傷害指標（Weighted Injury Criterion，WIC）可體現假人整體保護效果[11-12]。

本文采用計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）方法開展小偏置碰的假人傷害、約束系統和假人運動對標及優化，研究約束系統和假人運動等級評定項評定方法，并提出優化方案。

2 乘員傷害仿真與試驗對標

某車型正面25%偏置碰撞試驗結果為：車輛結構等級評定為較差（P）；假人傷害頭部和頸部、胸部等級評定為優秀（G），大腿和髖部等級評定為良好（A），腿部和腳部等級評定為一般（M）；約束系統和假人運動等級評定為較差（P）；總體評價為較差（P）。本文采用仿真與試驗對標的方式，優化約束系統，提升假人傷害、約束系統和假人運動等級。

2.1 約束系統模型搭建

本文采用Hypermesh軟件建立碰撞分析模型，計算求解器軟件為LS-DYNA。以整車模型的節點位移信息為輸入條件進行子結構模型的計算，相關零部件的運動和變形與整車模型的計算結果一致[13]。

子結構模型包括假人及約束系統和輸入節點位移部件2 個部分。假人及約束系統模型主要包括Hybrid Ⅲ型第50 百分位假人、乘員艙、座椅、儀表板、轉向管柱、轉向盤、地毯、安全氣囊、安全帶等約束系統子模塊。輸入節點位移部件的節點位移信息從整車模型的計算結果中獲得，作為邊界條件加載到子結構模型中。

按照C-IASI 小偏置碰規程的要求調整座椅位置、轉向管柱位置。由下向上調整假人姿態及腰帶力，控制假人整體運動響應。根據試驗腰帶力調整鎖扣摩擦因數及固定點位置安全帶剛度，根據試驗照片及數據調整腿部位置及姿態，根據試驗肩帶力調整安全帶滑環摩擦因數，適當調整安全帶、安全氣囊、座椅與假人的接觸參數。約束系統仿真模型如圖1所示。

圖1 約束系統仿真模型

2.2 約束系統模型有效性驗證

圖2所示為第0 ms、第60 ms與第90 ms時刻的仿真與試驗結果對比，由圖2 可知，仿真與試驗的假人動態響應基本一致：頭部接觸正面氣囊并滑過氣囊，同時，頭部發生偏轉。

圖2 假人動態響應對標

2.2.1 假人運動曲線對標

仿真與試驗中假人頭部、頸部、胸部及骨盆對應的假人運動曲線基本一致，如圖3 所示，仿真結果與試驗結果在趨勢、時域與峰值3 個方面的擬合度較好，所建立的約束系統模型可作為后續分析與優化的基礎模型。

圖3 假人運動曲線仿真與試驗結果

2.2.2 假人傷害等級評定對標

假人傷害等級評定結果如表1 所示：頭部和頸部、胸部仿真與試驗結果一致，均為優秀（G）；大腿和髖部仿真與試驗結果一致，均為良好（A）；腿部和腳部仿真與試驗結果略有差異。

表1 假人傷害等級評定

2.2.3 約束系統和假人運動等級評定對標

該車型未配備側氣簾，側面頭部保護安全氣囊未展開（2個缺陷），從圖2假人動態響應可以看出，正面頭部保護項為極小的正面安全氣囊作用（2個缺陷），同時頭部側向位移過度（1個缺陷），通過測量頸部與座椅距離及安全帶腰帶伸長量綜合判斷乘員前傾過度（1 個缺陷），約束系統和假人運動等級評定為較差（P）。約束系統和假人運動等級仿真結果與試驗結果缺陷項目及數量完全一致。

3 約束系統優化

結合假人傷害等級評定、約束系統和假人運動等級評定結果，對約束系統進行優化，優化措施為：

a.為消除極小的正面安全氣囊作用（2個缺陷）及側面頭部安全氣囊未展開（2 個缺陷），增加側氣簾，氣簾展開后氣袋向前至少延伸到轉向盤中心在其最前可伸縮位置正交垂直面處；

b.減小駕駛員髖部向前位移，將安全帶預緊時間由41 ms 優化為30 ms，安全帶肩帶力由3.5 kN 提升至4.0 kN，從而減小腿部壓縮力；

c.駕駛員氣囊的點爆時間由42 ms優化為32 ms，泄氣孔直徑由27 mm優化為32 mm，以減小頭部傷害值；

d.優化轉向管柱支架和儀表板支架結構，如圖4所示，縮短支架長度，降低轉向管柱及儀表板內部結構對大腿的傷害。

圖4 轉向管柱支架和儀表板支架結構優化

3.1 假人傷害等級評定優化結果

約束系統優化后，假人傷害等級評定：頭部和頸部、胸部等級評定為優秀（G），大腿和髖部等級評定為優秀（G），腿部和腳部等級評定為良好（A），假人傷害等級評定的4 項均處于良好以上。頭部加速度、頸部拉伸力、胸部壓縮量、腿部壓縮力優化結果如圖5所示。

圖5 假人傷害優化結果

從圖5 中可以看出頭部加速度改善，頸部拉伸力峰值由2 110 N 優化為271 N。假人腿部保護是業界難題[10]，本文將受傷最嚴重的左腿的軸向力由8 450 N優化為819 N，同時右腿軸向力優化為1 250 N，C-IASI 小偏置碰規程腿部評價項優秀評價閾值為4 000 N，證明優化后本車型在此碰撞工況下，可以保護乘員腿部安全。

3.2 綜合損傷指標優化結果

假人傷害等級評定無法衡量假人整體保護效果，研究表明，WIC可作為衡量假人總體傷害的標準[11-12]：

式中，CHIC36為頭部損傷指標；C3ms、Ccomp分別為胸部的3 ms合成加速度與壓縮量；Fl、Fr分別為左、右腿軸向力。

優化效果如表2所示。

表2 綜合損傷指標優化結果

3.3 約束系統和假人運動等級評定優化結果

優化后缺陷由6 個優化為1 個，約束系統和假人運動等級由較差（P）優化至優秀（G），存在1 個缺陷，即乘員前傾過度，可通過增加安全帶端片預緊的方法進一步優化，考慮已達成目標優秀（G），綜合目標與成本，因此本優化方案未增加此裝備。

通過以上優化方案，提升了車輛對假人大腿和髖部、腿部和腳部保護能力，將約束系統和假人運動等級評定項由較差（P）提升為優秀（G）。小偏置碰總體評價由較差（P）提升為優秀（G），如表3所示。

表3 總體評價優化結果

4 結束語

本文以某車型正面25%偏置碰撞試驗結果為基礎，對標得到準確的仿真模型。通過約束系統仿真分析及采用優化方案，將假人頭部和頸部、大腿和髖部、膝部和腿部等級進行了提升，將約束系統和假人運動等級評定項由較差（P）提升為優秀（G）。小偏置碰總體評價由較差（P）提升為優秀（G）。乘員加權傷害指標降低22.97%。