安全帶織物寬度對(duì)乘員保護(hù)效果的影響

高峰　韓嘯　劉雪姣　劉昕耀

摘 要：文章講述了安全帶織物寬度對(duì)乘員保護(hù)效果的影響。通過(guò)使用特殊編織方法，可以在碰撞事故發(fā)生時(shí)，使安全帶在拉伸過(guò)程中變寬，增大和乘員的接觸面積。通過(guò)仿真調(diào)整織帶寬度，驗(yàn)證對(duì)假人主要傷害指標(biāo)的影響，評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)思路實(shí)際保護(hù)效果，為安全帶實(shí)現(xiàn)更好的約束效果提供參考。研究基于仿真軟件的THOR假人進(jìn)行分析，對(duì)不同位置的肋骨位移進(jìn)行了考察，結(jié)果顯示織帶變寬對(duì)假人傷害指標(biāo)有空間位置上的分?jǐn)傋饔?，?duì)胸部變形量有一定的改善。

關(guān)鍵詞：仿真分析 安全帶 乘員保護(hù) THOR假人

1 引言

車輛被動(dòng)安全中的乘員保護(hù)，主要是指車輛在發(fā)生碰撞事故時(shí)，使用約束系統(tǒng)限制車內(nèi)乘員運(yùn)動(dòng)，避免其受傷或降低傷害程度。其中，安全帶是約束系統(tǒng)重要的一個(gè)組成部分，安全帶的約束性能對(duì)整個(gè)安全系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要。

約束系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)乘員的保護(hù)，整體來(lái)說(shuō)是個(gè)吸收能量的分配過(guò)程。首先應(yīng)盡量使乘員碰撞能量被車身和約束系統(tǒng)吸收。而剩下必須由乘員吸收的部分，則應(yīng)盡量在空間和時(shí)間上平均分配，避免最嚴(yán)重的傷害。目前市場(chǎng)上大部分車型都會(huì)配備預(yù)緊限力式安全帶，其預(yù)緊和限力等功能可以在時(shí)間上對(duì)能量吸收過(guò)程進(jìn)行平均分配。而能量吸收在空間上的平均分配策略還會(huì)復(fù)雜一些，一方面，載荷加載一般只能集中在一定區(qū)域，另一方面，乘員身體各部位可承載載荷的強(qiáng)度，受傷時(shí)的致命性都有差別。在空間上分配約束加載，是希望對(duì)載荷相對(duì)較小或者承受力相對(duì)較強(qiáng)的部位增大載荷，降低載荷集中或者傷害情況最惡劣位置所受的傷害。

近年來(lái)，隨著乘員保護(hù)水平的發(fā)展，進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)要求也更加嚴(yán)格和合理。出現(xiàn)了新的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和配套設(shè)施。THOR假人就是最近幾年開發(fā)的一款新型碰撞假人，目前在C-NCAP中用于MPDB工況前排駕駛員的傷害值評(píng)價(jià)。其特點(diǎn)之一就是分解了胸部傷害的整體變形量評(píng)價(jià)，改為四個(gè)不同位置的肋骨變形量，考察假人不同位置的傷害情況。這種分解的評(píng)價(jià)方式更好地關(guān)注乘員局部傷害的情況，有助于降低乘員受到的實(shí)際傷害。而應(yīng)對(duì)這種評(píng)價(jià)方法的變化，也需要我們?yōu)榧s束系統(tǒng)找到更好的保護(hù)方法。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路

從設(shè)計(jì)思路上講，增大載荷受力面積，有助于降低局部所受的集中載荷，更大的織帶寬度對(duì)分?jǐn)傒d荷能量有幫助。但是，國(guó)標(biāo)對(duì)安全帶寬度有明確要求。同時(shí)，安全帶是一種相對(duì)成熟，平臺(tái)化的產(chǎn)品，出于成本考慮，也應(yīng)盡量沿用原有的配件規(guī)格，所以難以直接增加織帶寬度。目前可以通過(guò)特別的織帶編織方法使織帶受拉伸作用力時(shí)寬度變大，在碰撞過(guò)程中臨時(shí)增加寬度和假人受力面積。

按照上述思路，建立仿真模型對(duì)假人保護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證。由于在仿真分析過(guò)程中，可以對(duì)織帶周邊的零部件進(jìn)行抽象化處理，不會(huì)因?qū)挾茸兓a(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻礙。所以理想情況下，可以直接增大織帶的寬度進(jìn)行分析，忽略織帶受力變寬過(guò)程。

仿真分析結(jié)果表明，較大的織帶寬度可以在假人不同身體位置上分?jǐn)倐Γ⑵鸬浇档妥畲髠Φ淖饔谩倪@個(gè)結(jié)果看來(lái)，使用更寬的織帶，對(duì)于改善假人傷害是有好處的，碰撞時(shí)變寬的織帶也會(huì)產(chǎn)生類似的效果，有利于對(duì)乘員的保護(hù)。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型的建立

使用仿真軟件進(jìn)行安全帶系統(tǒng)仿真技術(shù)研究。仿真模型使用加速度滑臺(tái)試驗(yàn)工況進(jìn)行搭建，加速度滑臺(tái)是對(duì)碰撞工況的一種簡(jiǎn)化試驗(yàn)方式，經(jīng)坐標(biāo)變換后可以看作等效于實(shí)車碰撞工況。參數(shù)設(shè)置參照GB14166-2013標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，使用THOR 50th男性假人、剛性座椅，預(yù)緊限力式安全帶卷收器，某知名主機(jī)廠某車型的坐標(biāo)點(diǎn)和碰撞波形。利用有限元方法模擬安全帶織帶、假人、座椅等零部件系統(tǒng)，其中安全帶織帶寬度原方案為47.5mm，優(yōu)化方案胸部附近織帶寬度增加到60mm。

仿照實(shí)際試驗(yàn)假人佩戴安全帶的情況生成安全帶織帶有限元模型，假人姿態(tài)、安全帶固定點(diǎn)位置等決定了織帶和假人相對(duì)位置。織帶和肋骨傳感器的相對(duì)位置對(duì)其變形量大小影響很大。如圖1所示，仿真模型中織帶與右下肋骨傳感器位置最近，左上和右上傳感器距離稍遠(yuǎn)一點(diǎn)，離左下傳感器位置很遠(yuǎn)。

3.2 仿真分析結(jié)果

3.2.1 假人運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)

根據(jù)GB14166-2013標(biāo)準(zhǔn)選取參考點(diǎn)，在滑臺(tái)仿真結(jié)果動(dòng)畫中測(cè)量骨盆/軀干位移曲線。如圖所示，織帶寬度變化前后假人運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)大致相同，沒(méi)有明顯差異。安全帶拉出量也變化不大。

3.2.2 安全帶力值曲線

由于安全帶織帶和滑環(huán)、假人等有摩擦作用，各段之間其內(nèi)部張力有很大差異。如圖3所示為仿真分析得到的安全帶各位置力值曲線對(duì)比。如圖所示，安全帶織帶寬度增加后，織帶各位置處張力基本沒(méi)有變化。

剛座椅滑臺(tái)車身不吸能，安全帶吸收能量和織帶張力和拉出量有關(guān)。由于二者都沒(méi)有明顯變化，所以安全帶吸能總量大致不變，假人吸能總量也可以認(rèn)為基本不變，寬度變化僅影響局部位置載荷分布。

3.2.3 假人傷害值（肋骨變形量）

肋骨變形量是假人傷害值一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，也是通常最常見的一個(gè)失分指標(biāo)。其評(píng)價(jià)對(duì)象包括假人胸腔內(nèi)不同位置的四個(gè)肋骨變形量（傳感器位置見圖1），最終評(píng)分取決于傷害值最高（評(píng)分最低）的一個(gè)位置。

分析結(jié)果顯示，織帶寬度變化前后，都是右下肋骨傷害值最高。如圖4所示，相比基礎(chǔ)方案（帶寬47.5mm），織帶加寬后（帶寬60mm）假人右下肋骨變形量有所降低，可以有效改善總體評(píng)分。

基礎(chǔ)方案左上肋骨傷害值僅次于右下，雖然對(duì)評(píng)分沒(méi)有貢獻(xiàn)，但也可以看出一定變化趨勢(shì)。

如圖5所示，織帶加寬后左上肋骨傷害值也有所降低，降低幅度相對(duì)于右下位置更加明顯。

圖6為右上肋骨傷害值對(duì)比，基礎(chǔ)方案右上肋骨傷害值低于左上，位居第三，屬于較小的一個(gè)。但織帶加寬后，傷害值有所升高，說(shuō)明其承受了更多載荷。右上位置傷害值升高后超過(guò)了左上位置，小于最大的右下位置，傷害值上升到第二位。

如圖7，左下位置肋骨傷害值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它三根，加寬后變化不明顯，無(wú)實(shí)際意義。

仿真結(jié)果顯示，在假人佩戴的安全帶織帶附近區(qū)域，安全帶的變化對(duì)局部假人傷害值變化有一定影響?？棊挾仍龃髸r(shí)，原來(lái)傷害值較大位置的局部傷害有所減小，而較小的局部傷害有所增大。總體來(lái)說(shuō)，有將較大傷害向較小位置轉(zhuǎn)移的分?jǐn)傋饔?，?duì)降低局部集中載荷有積極作用。

4 結(jié)論

本文研究了使用不同寬度安全帶織帶，對(duì)碰撞過(guò)程中假人身體局部載荷空間分配的影響。通過(guò)使用更寬的織帶，增加安全帶和假人的接觸面積的方法，將局部較大的載荷分配到更大的區(qū)域，由原來(lái)傷害值較小的區(qū)域分擔(dān)一部分傷害，從而降低最惡劣位置的傷害值。仿真分析結(jié)果顯示，織帶寬度改變的結(jié)果可以影響到相應(yīng)位置的傷害值大小，變化規(guī)律和設(shè)計(jì)思路基本一致，可以在一定程度上起到分?jǐn)傒d荷和降低最大傷害值的作用。