汽车正面碰撞时乘员约束系统能量的研究*

葛如海，卫姝琰，应 龙,张苏秀

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013; 2.无锡职业技术学院，无锡 214121)



汽车正面碰撞时乘员约束系统能量的研究*

葛如海1,2，卫姝琰1，应 龙1,张苏秀1

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013; 2.无锡职业技术学院，无锡 214121)

通过寻找约束系统能量分配及其与乘员保护之间的关系，为约束系统的优化提出新思路。基于MADYMO建立某A级车的乘员约束系统模型，通过仿真和试验验证其有效性。结合能量分析理论，基于乘员的动能传递方式，研究各个约束子系统的吸能情况，获得约束系统能量分配曲线。比较优化前后约束系统能量的分配差异，并结合18组正交试验数据，分析约束系统能量分配与乘员综合损伤值(WIC)之间的关系。结果表明：乘员综合损伤值与约束系统的吸能峰值存在较强的相关性；WIC值与防火墙和地板的吸能峰值成正相关；与安全肩带、安全腰带和汽车座椅的吸能峰值成负相关。

正面碰撞；约束系统能量；乘员综合损伤值

前言

正面碰撞是最常见的碰撞形式，且在这种形式下，死亡人数最多[1-2]。汽车发生正面碰撞时，乘员能量主要转变为约束系统能量和压溃能量[3-4]。文献[5]～文献[6]中基于整车-乘员正撞简化模型，对乘员各部位进行划分，分别从时间域和位移域对能量进行分析，并利用Simulink模块建立数学模型，快捷地计算出能量。

然而，针对各约束子系统的吸能研究十分有限。文献[7]中对正面偏置碰撞试验驾驶员侧安全气囊的吸能特性进行了研究。文献[8]中提出合力和合外力的方法，分析了正撞中乘员头部和胸部的运动和受力情况。文献[9]～文献[10]中分别对正撞和追尾两种工况下汽车座椅的吸能特性进行了研究。目前的研究主要局限于单个约束系统，并未全面分析各子系统间的关系。本文中从乘员的动能传递方式出发，分析各约束子系统的吸能情况，寻找出约束系统能量分配与其对乘员保护之间的关系。

1 正面碰撞模型的建立

以某A级车驾驶室的实际尺寸为基础，基于MADYMO软件，建立正撞仿真模型。该模型的验证已在课题组之前的工作中完成[11]，如图1所示。主要包括以下4个部分：

(1) 构建汽车车身模型，包括风窗玻璃、仪表板、转向系统、汽车座椅和加速踏板；

(2) 导入Hybrid_III_50th假人多刚体模型，并采用预模拟与试验数据相结合的方式进行假人定位；

(3) 建立乘员约束系统，包括安全气囊有限元模型和安全肩带、安全腰带的有限元与多体混合模型等；

(4) 定义各部件的载荷特性和相互间的接触，并施加碰撞波形。

图1 正面碰撞MADYMO模型

2 约束系统吸能研究

2.1 能量分析理论

汽车正撞模型可划分为5个子模型：Hybrid_III_50th假人多刚体模型、汽车车身多刚体模型、安全气囊有限元模型、安全肩带与安全腰带混合模型和汽车座椅有限元模型。在正撞过程中，子模型之间主要产生4种力，即惯性力、阻尼与摩擦力、弹性变形力和外界载荷作用力。由此对应4种形式的能量，即动能、耗散能、内能和外能[12]。上述力和能量都得到平衡。因此，各子模型的总能量WTotal为

(1)

式中：v为碰撞速度；M为部件质量；a为碰撞加速度；C为阻尼系数；K为弹性模量；l为变形量；Fext为外界载荷作用力。

2.2 假人部位划分

考虑到内能和耗散能相对较小[13]，本文中只分析动能的改变量及其传递方式。由于假人各部位受到的力与加速度各不相同，且相互之间存在能量传递，因此在分析能量之前，先对假人进行部位划分。根据2015年中国新车评价规程(C-NCAP)对假人损伤指标的评价和假人各部位的连接关系，将其分为4个部分进行分析，分别为头部、胸部(包括颈部和手臂)、髋部和腿部(包括大腿、小腿和脚)，如图2所示。

图2 假人部位划分

2.3 假人能量耗散分析

2.3.1 假人头部能量分析

正面碰撞假人与约束系统接触的主要运动过程在140ms时结束，因此选取0～140ms进行研究。在正撞过程中，头部一方面受到颈部的牵制作用，另一方面受到气囊的缓冲作用。因此，头部的总能量EHead主要转移到颈部和安全气囊，即

EHead=EH-N+EH-AB

(2)

式中：EH-N为头部传递给颈部的能量；EH-AB为安全气囊吸收头部的能量。

头部传递给颈部的能量可由Energy模块输出。由于安全气囊不仅与假人头部接触，还与假人胸部、转向盘、安全气囊盒都存在接触关系，Energy模块无法单独输出气囊吸收的头部能量。根据文献[7]，通过计算在安全气囊作用下头部X，Y，Z方向的加速度和速度，计算出安全气囊吸收的头部能量，如图3所示。

图3 安全气囊吸能分析

将假人头部EHead曲线与MADYMO输出的假人头部能量变化曲线对比，如图4(a)所示。由图可见，两条曲线的峰值基本相同，峰值时间基本一致，整个曲线趋势吻合。因此可认为以上对头部能量的分析准确可靠，假人头部能量的分布曲线如图4(b)所示。

图4 头部能量分析

2.3.2 假人胸部能量分析

汽车发生正撞时，假人胸部主要受到内力和外力的作用。其中，内力包括头部和髋部对胸部的作用力；外力包括安全肩带和安全气囊对胸部的约束力以及仪表板对上肢的作用力。因此假人胸部的一部分能量将通过铰链传递到头部和髋部，另一部分能量则由于接触关系，传递到安全肩带、安全气囊和仪表板，即

EThorax=ET-H+ET-SB+ET-AB+ET-IP+ET-P

(3)

式中：ET-H为胸部传递到头部的能量；ET-SB为安全肩带吸收胸部的能量；ET-AB为安全气囊吸收胸部的能量；ET-IP为仪表板吸收胸部的能量；ET-P为胸部传递到髋部的能量。

最终可验证和获得假人胸部能量EThorax的分布曲线，如图5所示。

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图5 胸部能量分析

2.3.3 假人髋部能量分析

汽车正撞时，假人髋部主要受到安全腰带的约束作用、汽车座椅的支撑作用、胸部和左右大腿对髋部的连接牵制作用。因此，假人髋部的一部分能量通过铰链传递到胸部与大腿，另一部分能量通过接触传递到安全腰带和汽车座椅，即

EPelvis=EP-T+EP-LB+EP-F+EP-S

(4)

式中：EP-T为髋部传递到胸部的能量，数值与ET-P相同；EP-LB为安全腰带吸收髋部的能量；EP-F为髋部传递到腿部的能量；EP-S为汽车座椅吸收髋部的能量。

最终可验证和获得假人髋部能量EPelvis的分布曲线，如图6所示。

图6 髋部能量分析

2.3.4 假人腿部能量分析

汽车正撞过程中，腿部受到汽车座椅、安全腰带、防火墙和地板的约束作用，一部分能量转变为约束系统的变形能，另一部分能量通过铰链传递到髋部，即

EFoot=EF-P+EF-LB+EF-S+EF-Fl+FW

(5)

式中：EF-P为腿部传递到髋部的能量，数值与EP-F相同；EF-LB为安全腰带吸收腿部的能量；EF-S为汽车座椅吸收腿部的能量；EF-Fl+FW为地板与防火墙吸收腿部的能量。

最终可验证并获得假人腿部能量EFoot的分布曲线，如图7所示。

图7 腿部能量分析

3 约束系统能量分布与假人损伤值分析

3.1 约束系统优化分析

由上述对乘员动能传递方式的分析，可得出各约束子系统的吸能曲线。为寻找约束系统能量分配与其对乘员保护之间的关系，可通过优化约束系统对不同情形下的约束系统能量进行研究。

考虑到假人损伤值的评价指标，选择安全气囊排气孔直径、安全气囊点火时间、安全气囊气流率、安全带限力、安全带刚度、座椅倾角、座椅刚度和膝垫刚度共8个因素进行灵敏度分析。选取每个因素上下浮动20%的取值范围，在MADYMO中计算出损伤值，通过灵敏度分析，确定影响WIC的主要因素[14]：安全气囊点火时间、安全气囊排气孔直径、安全带刚度、安全带限力和安全气囊气流率。

根据实际情况，对以上5个主要影响因素各选取3个水平，进行18次试验。采用正交优化和极差分析的方法[15]，得出约束系统参数的最优组合和对应的WIC值。

3.2 约束系统能量分布研究

采用该研究方法，对原始试验、最优试验和最差试验进行对比分析，得出它们的能量分布曲线，如图8所示。第①组线表示安全肩带的吸能曲线，第②组线表示安全腰带的吸能曲线，第③组线表示防火墙和地板的吸能曲线，第④组线表示汽车座椅的吸能曲线，第⑤组线表示安全气囊的吸能曲线。

图8 原始、最优和最差约束系统能量分布

由图8可知，在正撞过程中，假人的能量主要被安全腰带和安全肩带吸收，其次是防火墙和座椅，安全气囊在该工况下吸能最少。

不同情形下的约束系统具有不同的能量分配。WIC值不断优化的过程中约束系统分配到安全肩带、安全腰带和汽车座椅的能量逐渐增加，分配到安全气囊、防火墙的能量逐渐减少，如表1所示。

由表1可知，比较原始试验和最优试验，除安全肩带的吸能起始时间提前3.2ms外，优化前后各约束子系统的吸能起始时间基本一致。吸能峰值时间和峰值大小都存在差异。其中，安全气囊的吸能峰值时间推迟了2.3ms，峰值减少64J，吸能降低18.70%；安全肩带的吸能峰值时间推迟了1.8ms，峰值增加74.9J,吸能提高3.93%；安全腰带的吸能峰值时间推迟了0.8ms，峰值增加27.1J，吸能提高1.4%；汽车座椅的吸能峰值时间提前了0.7ms，峰值增加10.3J,吸能提高2.90%；防火墙和地板的吸能峰值时间提前了0.1ms，峰值减少20.7J,吸能降低3.0%。结合上文可得，在优化后的约束系统吸能分布下，WIC值由0.434 2降至0.404 2，下降幅度为6.91%。比较最差、原始和最优3组试验，可以发现安全气囊、防火墙和地板的峰值逐渐减小，其中安全气囊的最大变化量达82.5J，吸能降低了22.8%；安全肩带、安全腰带和座椅的峰值逐渐增大，其中安全肩带最大变化量达88.1J，吸能提高4.65%。除安全气囊外，其他约束子系统的峰值时间都存在一定规律的提前或滞后。

表1 约束系统吸能分析

3.3 约束系统能量分布与WIC值关系

结合18组正交试验、原始试验和最优试验，利用MATLAB线性回归方法进一步分析约束系统能量分配与WIC值的关系，如图9所示。参数之间的关系用直线或二次多项式拟合，R2表示其相关性[16]。

图9 约束系统能量峰值与WIC值关系分析

由图9可知，在各约束子系统中，由于安全气囊作用部位太多，与WIC值没有明显相关性。图9(a)～图9(d)中的R2分别为0.726 5，0.800 7，0.814 2和0.812 2。可见，WIC值与约束系统能量峰值相关性较强，与安全肩带、安全腰带和汽车座椅吸能峰值成负相关；与防火墙及地板的吸能峰值成正相关。即约束系统能量分配给安全肩带、安全腰带和汽车座椅的能量越多，分配给防火墙的能量越少时，WIC值越低，约束系统对乘员的保护性能就越好。

4 结论

研究了汽车100%正面碰撞时，乘员的动能传递方式，并对约束系统的吸能情况逐一进行分析，进一步细化了约束系统能量的研究。在此基础上，寻找出约束系统能量分配与乘员损伤值之间的关系。

通过能量分析，发现在正撞过程中，乘员能量主要被安全腰带和安全肩带吸收，其次是防火墙和座椅，安全气囊吸能最少。

WIC值与约束系统的吸能峰值存在线性关系：WIC值与防火墙和地板的吸能峰值成正相关；与安全肩带、安全腰带和汽车座椅吸能峰值成负相关。在正撞过程中，当乘员动能传递到安全肩带、安全腰带和汽车座椅的能量值增加，传递到防火墙的能量值减少时，乘员的WIC值将降低，约束系统的保护性能提高。

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A Study on Occupant Restraint System Energy in Vehicle Frontal Crash

Ge Ruhai1,2, Wei Shuyan1, Ying Long1& Zhang Suxiu1

1.SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013; 2.WuxiInstituteofTechnology,Wuxi214121

By finding the energy distribution of restraint system and its relationship with occupant protection, a new idea of restraint system optimization is put forward. The occupant restraint system model for an A-class car is established based on MADYMO with its effectiveness verified by simulation and test. Combined with energy analysis theory and based on the transmission mode of occupant kinetic energy, the energy absorption pattern of each restraint subsystem is studied with the energy distribution curves of restraint system obtained. By comparing the distribution of the restraint system’s energy before and after optimization, combined with 18 sets of orthogonal experimental data, the relationship between the energy distribution of restraint system and the occupant’s weighed injury criterion(WIC)is analyzed. The results indicate that the occupant’s WIC has a strong correlation with the absorbed energy peak of restraint system. WIC value is also positively correlated with the absorbed energy peak of fire wall and floor, but is negatively correlated with the absorbed energy peak of safety shoulder belt, safety lap belt and car seat.

frontal crash; restraint system energy; occupant weighted injury criterion

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.005

*江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(KYLX_1023)资助。

卫姝琰，硕士研究生，E-mail:18796083877@163.com。

原稿收到日期为2016年5月31日。