基于假人胸部损伤的乘员侧约束系统改进

王玉超 亓向翠

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院）

假人胸部损伤在中国新车评价规程（C—NCAP 2015版）中具有举足轻重的地位，其反映的分值占正面碰撞总分值的25%，一直是业内研究的热点和难点。影响假人胸部损伤的主要因素是车体结构和乘员约束系统，在车体结构不变的情况下，通过匹配合适的乘员约束系统，能够有效地降低碰撞对乘员的损伤，提高汽车对乘员的保护能力。利用多体动力学Madymo软件对乘员约束系统进行仿真及优化，已经广泛应用于约束系统开发商、科研机构及各大汽车公司[1-2]。文章从降低假人胸部损伤的目的出发，利用某车型Madymo乘员侧约束系统模型，构建了假人胸部损伤的响应面模型，并分析了各变量参数对假人胸部损伤的影响。

1 乘员约束系统的建立及验证

乘员约束系统主要包括车体模型、假人模型、安全带及气囊模型四部分。

车体模型根据某车型乘员侧车体结构的实际布置尺寸建立，包括地板、防火墙、座椅、仪表板、前挡风玻璃、车顶及A柱等。其中与假人腿部接触的手套箱表面、地板及防火墙采用facet模型，能准确模拟其曲面形状，提高假人接触部位的损伤计算精度；挡风玻璃、座椅及仪表板上部采用多体平面建模；座椅、仪表板、地板及挡风玻璃的刚度特性均来自试验数据。

假人模型选择Madymo假人数据库中HybridⅢ50百分位多体假人，如图1所示，其中坐标系原点为整车坐标系原点。输入试验前假人定位参数的测量值，如表1所示，确保假人运动前的坐姿位置与滑台试验中的一致。

表1 HybridⅢ50百分位多体假人定位参数测量值 mm

安全带模型采用有限元和多体的混合模型。有限元安全带部分可模拟安全带在假人身体表面的滑动及安全带织物陷入假人身体表面的嵌入效应，多体安全带部分可将有限元安全带的端点与车身上各相应固定点连接起来，同时实现安全带在锁扣处流动。该车型配置的安全带为预紧限力式安全带。

气囊模型主要包括几何建模、有限元划分、气袋折叠及气体充气特性。根据气袋实际尺寸和材料建立有限元模型，由于试验前乘员处于正常坐姿状态，故气囊采用映射及缩放式折叠，充气算法选用均匀压力法，气囊体积为85 L。气囊的气体发生器质量流率曲线，如图2所示，主要反映气囊的充气过程。

采用关键字“*CONTACT”分别定义假人与车体、假人与气囊、假人与安全带以及气囊与挡风玻璃等接触，并将整车试验中采集到的B柱下端的加速度曲线施加在Madymo模型上，如图3所示。乘员侧完整的约束系统模型，如图4所示。

乘员约束系统模型的验证遵循“自下而上”的原则，即先下肢，然后髋部、胸部，最后头部，其中保证髋部加速度的正确性，才能正确反映假人的基本运动姿态，才能保证头部和胸部的响应正确性。Madymo约束系统模型中假人关键部位的响应与滑台试验的结果对比，如图5所示，各部位的对比曲线吻合程度较高，证明构建的模型能够很好地反映滑台试验，可以进一步优化。

2 假人胸部损伤响应面的建立

乘员约束系统有5个参数可调，分别是气囊点火时间（x1）、气体质量流率（x2）、卷收器点火时间（x3）、安全带限力值（x4）、气囊排气孔大小（x5）。其中，x1和 x3规定的点火时间介于0.012～0.025 s；x2的可调比例介于0.8～1.5，主要对图 2中的质量流率值进行缩放，时间值不变；x4的放大系数介于 1～2.4，对应的限力值为 2 500～6 000 N；x5的可调比例介于2.37～7.96，对应的排气孔直径为30～55 mm。假人胸部损伤参数分别是胸压量（y1）和胸部加速度（y2）。

采用优化超拉丁方方法进行试验设计，为了提高响应面精度，选取50个样本空间（即5个变量的10倍），具体试验规划及部分胸部损伤仿真值，如表2所示。

表2 假人约束系统参数及胸部损伤仿真值优化超拉丁方试验矩阵

基于50个样本空间的胸部损伤的二阶响应面模型：

其中：y1响应面模型的决定系数为0.998，校正决定系数为0.996；y2响应面模型的决定系数为0.982，校正决定系数为0.97，说明y1和y2模型精度均较高（要求响应面模型的决定系数与校正决定系数均大于0.9），可以利用y1和y2的响应面模型进行优化分析。由于初始模型的胸部损伤y1=0.027 6 m，y2=363.8 m/s2，胸部失分主要由于y1引起的，故优化的数学模型为：

采用NLPQL方法（序列二次优化法）进行优化，优化结果，如表3所示，y1=0.024 3 m，y2=376 m/s2，此时x1=0.0187s，x2=1，x3=0.012s，x4=1，x5=4.223。把优化后变量代入Madymo模型中，得y1=0.025 3 mm，y2=364 m/s2。因此，利用响应面优化的y1误差值为4%，y2误差值为3.3%，从而再次证明了y1和y2响应面模型的精确度较高。由于x1为气囊点火时间，0.018 7 s换算成毫秒为18.7 ms，而工程上的点火时刻要求为整数，四舍五入，取 x1=19 ms。最后确定 x1=0.019 s，x2=1，x3=0.012 s，x4=1（对应的安全带限力值为2 500 N），x5=4.223（对应的排气孔直径为40 mm），并通过滑台试验验证，最终结果为 y1=0.024 7 mm，y2=370 m/s2，优化后，假人胸部损伤得分提高了0.57分，效果较明显。

表3 乘员侧约束系统NLPQL方法优化值

对胸部损伤的影响因素进行分析得到变量所占比例值，如图6所示。

从图6可以看出，对胸压量影响因素较大的变量为x4，影响值达92%，其它变量对胸压量的影响较小，都低于5%。对胸部加速度影响因素较大的变量为x2和x4，影响值分别为45%和34%，x5的影响值为12%，而x2和x5反映的是气囊刚度，两者加起来的影响值为57%。因此，对胸部加速度影响因素最大的是气囊刚度，其次为安全带限力值，其余变量对胸部加速度的影响较小，都低于10%。

3 结论

1）采用优化超拉丁方方法进行试验设计，选用10倍于设计变量的样本空间，构建的响应面模型具有较高的精度；2）胸部损伤中的胸压量主要影响因素为安全带限力值，胸部加速度的主要影响因素为气囊刚度和安全带限力值；3）通过建立优化数学模型，得到了优化结果，对优化结果进行滑台试验验证，假人胸部损伤得分提高了0.57分，效果明显。