正面碰撞中后排假人伤害优化

卢翠 鞠春贤 蒋斌庆 岳国辉 陈现岭

（长城汽车股份有限公司技术中心；河北省汽车工程技术研究中心）

2012年C-NCAP（新车评价规程）中增加了对后排乘员的评价，其中的后排假人定量化，即对3 项碰撞试验中依据每个假人的指标给予最高2 分的评价[1]。系统规则变化后，由于汽车厂商还没有完全理解或设计不到位，因此相关厂商应加强优化后排约束系统的能力[2]。汽车厂商需要加大成本，研发更安全的汽车来保护车内后排乘员，满足消费者的要求。文章主要针对后排颈部和胸部得分较低的问题，建立50 km/h100%正面碰撞（50 FF）和64 km/h40%偏置碰撞（64 ODB）2种工况的仿真模型，对后排增加限力式安全带、预紧限力式安全带和安全气囊配置进行仿真分析。

1 后排得分现状及分析

在C-NCAP 的3 项碰撞试验中，后排乘员在100%正面碰撞和40%偏置碰撞中失分较多。因此正面后排优化成了一个难点。为了了解各大汽车制造厂后排安全配置和性能，统计了2013年2批C-NCAP 结果中的后排情况，如图1 所示。

由图1 可以看出，各大汽车制造厂后排安全带采用普通三点式安全带的占63%，结果普遍得分在0.8～1.74 分；加限力式安全带的车型得分基本能达到2 分以上；加预紧限力式安全带的车型得分接近3 分。正面碰撞试验工况中，后排乘员的评分标准为在不发生二次碰撞的情况下，考察z 方向颈部受力（Fz/N）和胸部压缩量。在C-NCAP 后排正面碰撞结果中，颈部和胸部得分均较低，因此优化约束系统可以从减小颈部和胸部伤害值两方面考虑。

从颈部受力来分析，颈部受力主要是头部和胸部，而头部z 方向受力情况，如图2 所示。根据牛顿第三定律得到平衡式：

式中：F'z——颈部对头部z 向力（局部坐标系），N；

G头z——头部自身重力z 向力（局部坐标系），N；

F合z——头部z 向合力（局部坐标系），N。

人体向前运动过程中，由于胸部被安全带束缚住，头部受惯性力作用向前冲，导致头部绕颈部y 方向转动。根据平衡式，F'z直接影响Fz，所以要想提高颈部得分，应尽量减小头部z 向受力或增加胸部向前的位移量。所以其优化方案主要是增加预紧限力式安全带和增加保护头部的气囊。

从胸部受力方向来分析，首先分析试验中用的HybridⅢ型第5 百分位假人的伤害机理，因为它是在人体解剖学的基础上通过大量尸体试验设计得到的，完全满足力学结构的仿真性、相似性和重用性，保证在碰撞过程中能准确预测身体各部位的损伤程度[3]。假人胸部传感器结构图，如图3 所示，其工作原理为当胸部受到挤压时接触的传感器顶部的感应球，传递到连接杆的转动量，其转动量被电位计检测并转化为胸部位移量。在正面碰撞过程中，与后排乘员胸部接触的只有安全带，安全带将乘员束缚住时给胸部带来副作用。所以要想减小胸部伤害值，应在人体与前排座椅空间允许的情况下，尽量减小安全带和人体的相互作用力。通常优化方式为增加限力式安全带。也可以增加保护膝部的气囊，减小假人向前运动量，以及安全带与人体的相互作用力，改善胸部得分。

2 某车型后排约束系统优化

以某款车型为例进行对标和仿真优化，该车型在完成实车碰撞试验后，统计后排得分，如表1 所示，这2种工况满分为4 分，但试验得分只有1.55 分，其中颈部得分率为0，胸部得分率不到50%。所以后排的优化空间很大，可通过仿真优化改进达到更高的星级目标。

表1 某车型碰撞试验中后排乘员得分表

2.1 模型建立

在Madymo 软件中，建立正面后排仿真模型。Madymo 软件结合了多刚体以及有限元计算方法，广泛应用于汽车行业中乘员约束系统的优化开发、人体生物学损伤研究及交通事故再现等领域，具有快速、直观及准确性高等优点[4]。模型主要包括前后排座椅、地毯和安全带模型。根据实车具体位置调整模型中的相对位置，模型中采用限力式安全带，输入CAE 仿真波形，构成完整的正面碰撞仿真模型[3]，如图4 所示。

2.2 仿真和试验对标

根据实车（约束系统配置与仿真的相同）50 FF 和64 ODB 的试验来验证模型的仿真精度，准确地预测假人伤害值，确保加预紧优化的准确性。根据试验与仿真波形对比，2种工况下的颈部伤害曲线，如图5 和图7所示，胸部压缩量伤害曲线，如图6 和图8 所示。

从图5～图8 中可以看出，仿真跟试验的相关性很好，关键指标均在15%的误差范围内，所以可将此仿真模型作为基本模型进行研究[5]。

2.3 后排优化方案和仿真验证

通过分析颈部和胸部伤害机理，制定了4 个优化方案：

方案1：增加保护后排头部的气囊；

方案2：限力等级不变，增加预紧功能；

方案3：增加保护膝部的气囊；

方案4：降低限力等级。

通过仿真计算，统计结果，如表2 所示。64 ODB 中颈部Fz和胸部压缩量伤害曲线图，如图9 和图10 所示（64 ODB 失分较多，重点分析）。

表2 4 种优化方案仿真结果统计表

从表2 中可以看出，与仿真基础相比较，4 种方案的得分都有提高。方案1：颈部改善效果最好，在64 ODB中，94 ms 时气囊接触头部，如图11 所示（图11 中紫色为仿真基础，红色为加气囊优化），头部受到气囊向上和向后的作用力，向上的作用力减缓了头部对颈部向下的作用力，并且向后的作用力减慢了头部向前的运动，使头部的转动量减小，因此Fz减小；而向后的分作用力使乘员在髋部运动不变的情况下上半身向前运动量减小，安全带对胸部的伤害也随之减小，虽然胸部改善效果最差，但总分提高1.51 分。

方案2：增加预紧功能，颈部和胸部都得到改善。预紧主要是在20 ms 时消除初始时人体与安全带的间隙，这时胸压开始增大，Fz开始缓慢减小。112 ms 时运动状态，如图12 所示（紫色为仿真基础，黄色为加预紧优化），加预紧后人体向前的运动量小，胸压、头部向下的加速度以及Fz均可减小。综合提高1.73 分。

方案3：加保护膝部的气囊后，相较于仿真基础，假人向前位移量减小10 mm，如图13 所示。胸压曲线起始时间晚了3 ms，胸压峰值减小，110 ms 时，髋部停止运动后，上半身继续向前运动，胸压增大，如图10 所示，减小了安全带对乘员胸部的伤害，可以降低胸部压缩量，总分提高0.59 分。

方案4：降低限力等级后安全带力减小，安全带拉出距离增大，假人向前运动距离增加，在117 ms 时假人头部与前排座椅发生了二次碰撞，如图14 所示，导致Fz迅速减小，胸压虽然最小但发生二次碰撞后评分规则发生了变化，最终只提高了0.19 分。

综上，方案1 和方案2 可有效提高后排得分。方案1 成本高，且目前技术还不成熟；方案2 提高后排得分最多，及早将后排乘员束缚在座椅上，缓解假人颈部和胸部的伤害。所以，增加预紧功能是最有效又经济的优化方法。

3 结论

对后排的4 种优化方案（加预紧、加后排头部和膝部气囊以及降低限力值）进行分析，加保护头部的气囊虽然对颈部有很好的保护效果，对胸部也改善良好，可优化空间大（拉带等各种参数的优化），但成本高，可行性差；加预紧不仅对胸部有很大的保护，同时颈部伤害也有很大降低；加保护膝部气囊对后排的优化作用较小，一般不采用；降低限力等级在后排空间允许的情况下是很好的优化方案。综合比较4 种优化方案，增加预紧功能是既经济又实用的一种方案，而且加预紧已经在国内某些车型上应用，结果（C-NCAP 公布结果中加预紧车型）得分提高，因此，加预紧是提高后排得分的有利方法之一。