正面碰撞中副驾驶乘员约束系统的匹配研究

葛如海，张苏秀，卫姝琰

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013)



正面碰撞中副驾驶乘员约束系统的匹配研究

葛如海，张苏秀，卫姝琰

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013)

为了研究在正面碰撞中副驾驶乘员的安全性，针对某国产车型,使用多刚体动力学分析软件MADYMO，分别建立了正面100%重叠刚性壁障碰撞实验(正面全宽碰撞)和正面40%重叠可变形壁障碰撞实验(偏置碰撞)的副驾驶员侧的包括车体、假人、安全气囊等在内的约束系统仿真模型，分别与实车实验的碰撞结果进行对标，确定模型的有效性。且调入第95百分位男性假人，分析原约束系统对较大身材假人的保护情况，通过正交优化法确定该车型最佳的约束系统参数。结果表明，在气囊排气孔为40 mm,安全带的延伸率为7%，限力2 500 N，气囊的点爆时间分别为12 ms和32 ms时，第50百分位男性假人正面全宽碰撞和偏置碰撞加权伤害准则值分别降低了13.8%和15.7%，第95百分位男性假人分别降低了10.8%和4.3%。优化后的乘员约束系统增加了副驾驶乘员以及大身材乘员在不同碰撞下的安全性，该优化策略也可为其他新车型约束系统设计时提供参考。

副驾驶乘员；约束系统；仿真分析；较大假人；正交优化

0 引 言

在中国，汽车都是左开右行，右边是副驾驶的位置，在驾驶车辆发生危险时，驾驶员会在零点零几秒中做出决定下意识的将自己避开危险的那一侧，导致副驾驶座位乘员受到撞击，致使乘员受到伤害，尤其是在正面相撞中，车子前排乘员显而易见是最危险的[1]。然而在现有的研究中，国内外学者主要的研究方向在驾驶员侧乘员的安全性研究，对副驾驶员的研究相对较少，且一般仅对第50百分位的男性假人或第5百分位的女性假人进行研究。如高敬党[2]通过研究发现，仅仅以第50百分位男性假人为基础对现有乘员约束系统进行匹配并进行优化分析时并不能够得到最优的系统性能，因此补充第5百分位女性假人能够完善约束系统保护性能，提高对不同身材乘员的保护效果。张君媛等[3]的研究分析了FMVSS2208中所规定的四种碰撞工况，针对第50百分位男性假人和第5百分位的女性假人驾驶员侧的安全性进行研究，进行了多工况优化，在不增加约束系统配置的基础上，提高了不同身材假人的安全性。该文提出了多工况优化的方法，并且对比了不同假人的伤害值情况，但主要是针对驾驶员侧的伤害值分析研究，不涉及副驾驶乘员的安全性，也没有对较大身材的假人进行分析。商恩义等[4]通过试验结果发现，现有的约束系统依然可以很好的保护驾驶员侧第5百分位女性假人的头部和胸部，但假人的颈部伤害较重，因此提出了采取分级起爆安全气囊、调整拉带设计等方法进行系统优化，且不起爆安全气囊方法不可取。Evans[5]研究发现不同年龄和性别的乘员在碰撞中的致死率差别较大，女性、年龄较大的乘员在碰撞事故中的致死率更高。

MADYMO软件中自带的混Ⅲ第50百分位男性假人是身高为177 cm,体重为86 kg的普通身材，根据统计数据，我国50百分位成年男子身高为168.5 cm，体重78.15 kg，两者虽有一定的差距，但目前我国碰撞法规中规定的假人模型为混Ⅲ第50百分位的男性假人，基本能反映我国乘员在碰撞中的伤害情况。软件中混Ⅲ第95百分位男性假人的身高为188 cm，体重为108 kg的大型身材，则可基本覆盖我国身材比较高大的男性，可以用来研究大身材乘员在碰撞中的伤害值响应。

本文基于某车型建立MADYMO (Mathematical Dynamic Model)模型，以该车两种不同的碰撞模型，即50 km/h正面100%重叠刚性壁障碰撞实验和64 km/h正面40%重叠可变形壁障碰撞[6]的加速度模型作为输入，与实验数据进行对标确定模型的有效性。并对比不同工况下乘员的伤害值情况，即在两种碰撞下加入第95百分位男性假人对比其与第50百分位男性假人的伤害值。采用正交优化以及极差分析法研究对保护效果影响较大的约束系统参数，确定约束系统的最佳组合方案，实现了对不同碰撞情况下以及不同身材的乘员都能提供良好的保护。

1 模型的建立与验证

1.1 模型的建立

模型主要包括车体模型、假人模型、安全气囊模型和安全带模型等。车体模型坐标原点在车体前方中线处，X轴方向为车体运动的相反方向，Y轴方向为车体右侧，Z轴方向向上，车体模型采用多刚体模型[7]。由风窗玻璃、车门、仪表板、地板、座椅的Catia模型导入Hypermesh中，在Hypermesh进行网格划分，然后导入MADYMO中，用以将模型按实车情况进行定位，采用有限元外形、多刚体方法进行模型计算。MADYMO软件中自带的假人模型有椭球体假人、多体Facet假人和有限元假人。本文假人模型采用多体Hybrid Ⅲ 第50百分位男性假人，调用MADYMO中自带的假人模型d_hyb350el_Q_inc.xml[8-9]。使用Belt-fitting功能建立该车型的安全带模型。乘员安全气囊建模方法采用均匀压力法[10]，最终的模型如图1所示。

1.2 模型的验证

1.2.1 正面全宽碰撞模型的验证

将实车碰撞的B柱加速度模型输入到模型软件中。如图2所示，是50 km/h正面全宽碰撞B柱X轴向的加速度的波形图。由于正面全宽碰撞Y、Z向的加速度相对较小且对假人的伤害值影响不大，所以Y和Z向的加速度未放入。X向的加速度通过MOTION.JOINT_ACC将加速度加载到车体中。

图1 车体及假人模型

Fig.1 Model of car body and dummy

图2 正面全宽碰撞B柱X向加速度波形

Fig.2X-motion acceleration of B pillar in full frontal crash

图3是正面全宽模型假人伤害与碰撞中伤害响应对比，由对比图可以看出模型在经过调整对标后与实验曲线的吻合度较好，关键指标的误差范围都在15%以内[11]，该仿真模型可以作为基本模型进行研究。

1.2.2 偏置碰撞模型的验证

按照中国汽车技术研究中心制定的C-NCAP管理规则(2015年版)[12]进行碰撞实验，得到64 km/h偏置碰撞的实车碰撞曲线，偏置碰撞与正面全宽碰撞相比，车身的运动更加复杂[13]。如图4所示，分别是由传感器采集到的偏置碰撞中B柱下方X向和Y向的加速度波形。

根据实车碰撞的曲线将模型对标，如图5是在偏置碰撞伤害响应与模型假人伤害对比图。

由上面的分析可知，正面全宽碰撞和偏置碰撞的仿真模型得出的关键指标的误差都在15%以内，说明两个模型都可以作为基础模型使用。模型搭建完成且对标完成后在MADYMO中进行2次计算，如表1所示是两种碰撞中第50百分位男性假人的伤害值对比，伤害指标有头部伤害准则HIC，胸部伤害准则3MS，胸部压缩量准则Thpc，左侧大腿骨轴向力和右侧大腿骨轴向力FFCL和FFCR，加权伤害准则WIC[14]。可以看出，正面全宽中假人的头部伤害值比偏置碰撞大，胸部压缩量比偏置碰撞要小，加权伤害准则也比偏置碰撞要大。

(a) 头部合成加速度

(b) 胸部合成加速度

(c)胸部压缩变形量

(d) 骨盆合成加速度

(e) 安全带腰带力

图3 正面全宽模型假人伤害与碰撞中伤害响应对比

Fig.3 Injury curves comparison from the simulation model and the full frontal crash

(a) 车体B柱X向加速度波形

(b) 车体B柱Y向加速度波形

图4 偏置碰撞车体加速度波形

Fig.4 Acceleration of vehicle in offset crash

(a) 头部合成加速度

(b) 胸部合成加速度

(c) 胸部压缩变形量

(d) 骨盆合成加速度

(e) 安全带腰带力

(f) 安全带肩带力

2 不同身材乘员碰撞的伤害情况对比分析

(a) 第95百分位男性假人 (b)第50百分位男性假人图7 第95百分位和第50百分位男性假人对比图Fig.7 Comparison of the 95th% man dummy and the 50th% man dummy

在一般情况下，针对单一身材进行的约束系统匹配不能保证在其他假人时也能提供最有效的保护，有可能造成更严重的损伤。现针对身材较大的副驾驶乘员进行研究，分析该约束系统在正面全宽碰撞和偏置碰撞中对第95百分位男性假人的保护情况。

在MADYMO中调用第95百分位男性假人，替换原正面全宽的第50百分位的男性假人，如图7所示是第95百分位男性假人与第50百分位男性假人的身材对比图。在正面全宽碰撞中和偏置碰撞中分别将假人替换后，并将安全带重新调整至合适的位置，在MADYMO中分别进行计算。

如表2所示的分别是在正面碰撞中和偏置碰撞中第95百分位男性假人的伤害值对比。通过表1、表2的对比分析可知，该车的约束系统对身材较大的乘员的头部及胸部也能提供比较好的保护，但在第95百分位男性假人模型的正面全宽碰撞中膝部的伤害值较大，应该是由于假人体积及重量较大，发生碰撞后假人向前运动，膝部与膝部挡板发生了剧烈的硬接触。综合考虑，还需要对约束系统进行优化，以提供对乘员的更好的保护。

表2 两种碰撞中第95百分位男性假人伤害值对比

3 约束系统的优化

乘员约束系统优化设计的目标就是找到一种设计方案，该方案能从整车的被动安全性出发，为乘员提供最佳的保护性能[15-16]。影响约束系统性能的参数分为以下几类：车体结构参数，气囊系统参数，座椅系统参数，安全袋系统参数，转向系统参数(驾驶员侧)。安全气囊在碰撞过程中主要影响乘员头部伤害值，主要参数有气囊的排气孔大小、织布材料、点火时间、气囊包形、是否加拉带及拉带的长度、发生器的种类等[17]。安全带系统可调节的参数有安全带的限力、安全带的延伸率、高调的位置等[18]。

由于乘员的伤害指标涉及头部、胸部、腿部等多个部位，因此是一个多目标优化的问题。针对多目标优化问题可采用加权伤害准则(WIC)来全面的评价约束系统的保护性能,WIC值越低，说明该约束体统的保护性能越好[19]。从不同假人以及不同碰撞的WIC值的对比分析来看，第50百分位男性假人在两种碰撞下的伤害值比较接近，但胸部压缩量都偏大。第95百分位男性假人在两种碰撞下的伤害值都比较小。为了简化优化模型，现只对WIC值最高的第50百分位男性假人的正面全宽碰撞情况进行优化。对于同一辆车来说，约束系统的参数一般是一定的，在不同的碰撞情况下，除了安全气囊的点火时间会有所不同，其他参数正常情况下应保持应一致。

3.1 正面全宽碰撞模型的约束系统优化

原约束系统的参数为气囊排气孔直径大小45 mm,安全带延伸率9%，安全带限力3 000 N。在正面全宽碰撞中气囊点火时间为15 ms。首先选取气囊排气孔直径大小A，安全带延伸率B,安全带限力C，安全气囊点火时间D这四个参数，进行四因素三水平正交试验[20]。各因素的参数值变化如表3因素水平表所示。

表3 因素水平表

在MADYMO中按正交因素表进行运算，计算的伤害值结果如表4所示。

表4 正交试验的伤害值结果

为了确定不同的参数对伤害值的影响情况，采用极差分析法对不同的参数进行分析，以WIC值为试验指标，WIC值越低，保护性能越好[21]。由极差计算分析可得，安全带限力对WIC的影响最大，其次是安全带的延伸率，安全气囊的两个参数对WIC结果的影响基本一致，且影响较小。最优的选择是A3B2C1D1，即排气孔大小为40 mm，安全带延伸率为7%，安全带限力2 500 N，安全气囊点火时间为12 ms时保护性能最佳。由于在原正交表中并没有此约束系统组合，需要进行重新计算。并且也将此种组合放入第95百分位男性假人的正面全宽碰撞模型中进行计算，将WIC值与原模型对比，表5是正面全宽碰撞优化前后的伤害值对比。

表5 正面全宽碰撞优化前后的伤害值对比

由表5分析可知，通过优化，第50百分位和第95百分位男性假人的正面全宽碰撞的WIC值分别减少了13.8%和10.8%，对不同身材的乘员的保护效果都有较大的提升。在第50百分位男性假人的伤害值中，除了左、右大腿力变大，其他伤害值都有不同程度的变小。而在第95百分位男性假人的伤害值中，所有的伤害值都变小。

3.2 偏置碰撞模型的约束系统优化

通过优化已确定约束系统的参数值为安全带限力2 500 N,延伸率为7%，安全气囊排气孔大小为40 mm。因为偏置碰撞的气囊点火时间与正面全宽碰撞的点火时间不同，原两个偏置碰撞模型的点火时间为35 ms。可以对偏置碰撞的气囊点火时间进行优化，分别在第50百分位假人偏置碰撞模型中设置点火时间为32 ms,35 ms和38 ms的伤害值,进行3次计算，计算结果WIC值分别为0.234 7，0.234 9和0.240 4。根据结果选择偏置碰撞的气囊点爆时间为32 ms。

将上述的约束系统的参数分别放入到第50百分位男性假人和第95百分位男性假人的模型中进行计算，并分别与未优化时的假人伤害值进行对比，表6是偏置碰撞优化前后的伤害值对比。

表6 偏置撞优化前后的伤害值对比

由表6的结果分析可知，优化后从WIC值来看，约束系统对乘员的保护性能变好，第50百分位男性假人的WIC值有明显的下降，降低了15.7%，而在第95百分位男性假人中WIC值下降较小，为4.3%。在第50百分位男性假人伤害值中头部、胸部的伤害值也有较大的改善，只有右腿部的伤害值有提升。第95百分位男性假人的伤害值改进较小，且胸部压缩量和左大腿力有一定的提升。

由上述的数据分析,根据第50百分位男性假人的正面全宽碰撞情况进行优化后，得出的约束系统的参数为气囊排气孔大小为40 mm,安全带的延伸率为7%，安全带限力2 500 N。在正面全宽碰撞中，气囊的点爆时间为12 ms,偏置碰撞中气囊的点爆时间为32 ms。虽然优化后第50百分位假人左右大大腿力在正面全宽碰撞中有一定的提升，以及第95百分位假人的胸部压缩量在偏置碰撞中有所增加，但优化后第50百分位男性假人和第95百分位男性假人分别在两种碰撞工况下WIC值均有不同程度的降低。与张学荣等[22]的研究分析相比，都进行了第95百分位假人的安全性研究，但本文侧重的是副驾驶乘员侧，且分别分析了正面全宽和偏置两种碰撞工况。而针对副驾驶侧研究如艾军等[23]的研究，对单一工况碰撞工况下副驾驶乘员伤害值进行分析，并进行优化研究，但不涉及不同身材假人和不同碰撞下的伤害值情况。本文在多碰撞工况下的副驾驶乘员侧的安全性进行研究，在研究所得出的约束系统的参数下，不同碰撞形式中都能够对普通身材以及较大身材的副驾驶乘员提供良好的保护。

4 结 论

以某车型为研究对象，建立了该车型正面100%重叠刚性壁障碰撞实验和正面40%重叠可变形壁障碰撞副驾驶乘员侧的仿真模型并进行了模型验证，综合考虑了两种碰撞工况和目前法规还未规定的副驾驶大身材假人的伤害值响应情况，数据表明原约束系统对体型较大的副驾驶乘员的保护性能更好。运用正交优化法通过改变气囊排气孔大小、安全带的延伸率和限力等参数对原约束系统进行优化，优化后第50百分位男性假人正面全宽碰撞和偏置碰撞副驾驶员侧的WIC值分别减少了13.8%和15.7%，头部伤害值有明显减小，两种碰撞HIC分别减少了18.1%和17.8%。相应的第95百分位男性假人的WIC值分别降低了10.8%和4.3%，且正面全宽碰撞中的Thpc值明显减少了12.4%，提高了副驾驶乘员的安全性。

本文对身材较大的副驾驶乘员的安全性进行了研究分析，提供了一定的优化思路和方法，在今后的研究中将增加第5百分位女性假人在副驾驶员侧的伤害值情况，以提出能够使车辆的约束系统对各种身材的乘员都能提供良好保护的设计和优化方法。

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(责任编辑 梁 健)

Parameter optimization research on co-driver’s restraint system in vehicle frontal impacts

GE Ru-hai, ZHANG Su-xiu, WEI Shu-yan

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In order to study the safety of the co-driver’s side in frontal impacts, the software called mathematical dynamic model (MADYMO) is used to build full frontal rigid barrier crash test model and frontal 40% offset deformable barrier crash test model, which include car body, dummy and restraint system like airbag and so on. After calibration, bigger dummy——the 95th% man dummy is put into the models and then the injury of the four models is compared. Orthogonal experimental method is adopted to decide the best parameters of the restraint system. The result shows that when the vent hole of the airbag is 40 mm, the elongation and load limit for seatbelt is 7% and 2 500 N respectively and the ignition time is 12 ms and 32 ms, the values of weighted injury criterion reduced 13.8% and 15.7% in full frontal test and offset deformable barrier test respectively, for the 50th% man dummy, the corresponding values for the 95th% man dummy are 10.8% and 4.3%. It is concluded that after the optimization of the restraint system, the safety for the co-driver and bigger size passenger is improved in different crashes, this optimazation strategy also provides idea for designing new car restraint system.

co-driver; restraint system; simulation analysis; bigger dummy; orthogonal experimental method

2016-07-06；

2016-08-19

中国博士后科学基金项目(2013M541607)

葛如海(1957—),男,江苏如皋人,江苏大学教授，博士生导师, E-mail:grh@ujs.edu.cn。

葛如海，张苏秀，卫姝琰.正面碰撞中副驾驶乘员约束系统的匹配研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(5)：1349-1357.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1349

U461.91

A

1001-7445(2016)05-1349-09