正面碰撞中乘员约束系统模型的建立及参数优化研究

曾庆勇 程文明＊ 陈浩然

1.江西农业大学 江西 南昌 330045

2.江西科技学院 江西 南昌 330098

引言

自进入本世纪以来，我国经济提升到了全新台阶，人民生活生活水平和质量得到了质的提升。而作为代步工具的汽车自然而然走进了千家万户，给人们的生活带来了方便，提高生活质量。但是，近年来汽车数量快速增加的同时也导致了汽车交通事故的急剧上升。这不仅给家庭（失去至亲，经济能力的下降）乃至国家和社会（劳动力的损失）都是不可估量的损失。由此可见，对汽车安全的研究，尤其是约束系统的研究有重要意义。

本文主要研究当汽车发生碰撞时，改变乘员约束系统中安全带有关的不同参数对驾驶员的损伤影响，结果主要以胸部3MS积累加速度指标（g）、胸部压缩指标ThCC（mm）、胸部黏性指标VC（m/s）、CTI为主要参考依据，对比碰撞试验数据，对仿真数据进行验证，为汽车座椅的设计提供理论上的支持。

1 国内外研究现状

目前，国内外对被动安全性研究主要是车身结构抗撞性、碰撞生物力学和乘员安全约束系统三方面[1]。在海量的文献中，我们可于查阅到的对于汽车碰撞时乘员约束系统优化设计很多都是以一个或多个假人作为研究对象，通过调整假人的坐姿、安全带、安全气囊的设计参数等来达到降低假人的损伤指标。例如，扬州大学鞠海蒙，沈辉[2]等利用MADYMO 建立了某车型正面碰撞约束系统多体模型，利用假人的坐姿作为优化目标以及假人的头部损伤值 HCI 为主要参考依据，对模型进行了验证优化。中国汽车工程研究院汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室费敬，陈可明[3]等运用 MADYMO软件建立了正面碰撞下驾驶员侧约束系统仿真模型，从正面碰撞中不同安全带预紧方式的角度方面分析了驾驶员的损伤影响。湖南大学隆旭[4]基于MADYMO 工程软件，建立正面碰撞约束系统仿真模型后，把对不同的安全带预紧器组合方式为目标，分析了碰撞中预碰撞阶段的紧急制动操作和五种不同的安全带预紧器组合方式对乘员整体的保护效果，同时，研究了在同一种安全带预紧方式的情况下，对不同体型乘员保护效果以及差异性。浙江大学董龙[5]在建立正面碰撞乘员约束系统的模型的基础上，进行了参数灵敏度分析，同时，采用正交试验以及极差分析法进行变量的灵敏度筛选。最终得到最优方案，与试验设计得到的最优方案比较并进行对比，并作出了稳健性评价。湖南大学齐晓明等人[6]利用MADYMO软件建立了驾驶员侧正面碰撞仿真模型，以不同预紧方式入手，研究了汽车的制动和碰撞过程中的动态响应。仿真结果表明，主动式安全带预紧装置效果比其他预紧方式更显著。

2 驾驶员系统模型的建立

整个正碰模型由车体模型、假人模型、安全带模型、安全气囊模型以及乘员和约束系统等构成。

2.1 MADYMO车体建模

以丰田 Yaris 模型的驾驶舱数据为例，建立车体模型。如图1所示。

图1 乘员室内环境模型

乘员室内环境模型的各个刚体的形状和位置关系以及各缸体之间的约束是根据丰田 Yaris 模型实车数据确定的。挡风玻璃主要是由一个平板模型以及一个模拟柱的拉长椭球模型组成；制动踏板和加速踏板由两个长方体的椭球模型组成；车体的地板、座椅都是平板模型；车体的仪表台是有两个椭圆形板模型组成；十六个椭球模型组成的方向盘，两个拉长椭球模型组成转向柱，这便是该车体转向系。考虑到正面碰撞仿真时，车体和假人模型会有接触，于是各刚体部件都是通过滑移铰链来定义，这是对其侵入运动的描述，同时，为了预防车体可能发生的形变，需要采用运动铰对车体的多刚体部件进行连接，然后依据各部件之间可能发生的相对运动来定义运动铰类型。最后还需要定义乘员舱内座垫，座盆的刚度等特性以及摩擦系数等参数。

2.2 假人模型及定位

在MADYMO工程软件中，有着丰富的假人模型库，通过 INCLUDE 语句就可以直接调用以及替换，INITIAL.JOINT_POS以及ORIENTATION.SUCCESSIVE_ROT来改变假人的位置，通过CONTACT.MB_MB定义假人和乘员舱内的接触，同时，还需要使用GROUP_MB语句来定义一些刚体组，通过LOAD.SYSTEN_ACC来定义加速度场。本文使用的假人模型是 Hy-bridⅢ 男性第50百分位假人模型，如图2所示。在试验中要是假人的定位精确度不高，直接影响我们的试验结果。通常假人的定位有以下两种方法：一种是试验前就测量出物理假人的定位参数值，然后精准输入，而另一种是利用重力场的作用，对假人施加一个重力场，这样假人在与转向系、座椅之间的相互作用下便可以达到静力平衡状态了。

图2 Hy-bridⅢ 男性第50百分位假人模型

2.3 有限元安全带模型

安全带包括传统的多刚体安全带、有限元安全带、混合安全带模型，本文使用的是混合形安全带，即有有限元安全带能够精确的模拟带在假人身体表面的移动的效果，同时，也弥补了传统式安全带织带陷入假人身体表面的嵌入效应，也可以使用正交各向异性摩擦系数来模拟，部分织带也继承了传统安全带计算量小的优点[7]。根据卷收器（RETRACTOR）、高度调节器（HEIGHT_ADJUSTER）、锚点（ANCHOR_POINT）、预紧器（PRETENSIONER）、D环、带扣（BUCKLE）定位参数来确定安全带的各节点的连接关系以及走向关系。图3所示便是为安全带模型示意图。

图3 安全带模型示意图

实线表示传统多刚体安全带，虚线表示有限元安全带

2.4 安全气囊模型

建立安全气囊模型，并将其固定在方向盘上，气囊采用FE模型，膜单元采用带旋转自由度的平板三四边形单元[8]。其中气囊初始体积为0.1m3，环境气体成分采用N2和O2的混合。气囊系统中气体喷射使用均匀压力模型，其重要参数包括充气时间、点火时刻、速度、加速度、压力、温度和气体的质量[9]。

2.5 车体模型替换

在 Hypermesh 工程软件中建立 Yaris 模型，车原来自美国国家高速公路交通安全管理局（national highway traffic safety ad-ministration，NHTSA）官网，试验编号为5677。如下图4所示在 Hypermesh工程软件中将Yaris模型前处理得到替换MADYMO车体的模型，如图5所示。

图4 Yaris车体有限元模型

图5 处理后Yaris车体有限元模型

将处理后的模型导入MADYMO工程软件，便会自动生成MADYMO格式，由于生成后的模型与原先建立的 MADYMO 车体模型是相互独立的，需要先调节仪表盘、地板、座椅、假人等模型的位置，然后进行替换，将原先的地板、挡风玻璃、座椅等删除，导入并复制处理后的各模型，并定义相应的属性。最后建立好的驾驶员侧约束系统仿真模型如图6所示。

图6 驾驶员侧约束系统仿真模型

3 仿真分析

对于汽车主动、被动安全性来说最可靠的莫过于实车碰撞试验，但是实车碰撞成本高、周长且不可重复，不能成为我们汽车研发的唯一手段。面对当下计算机技术的兴起，正是汽车的研发新的机遇，不但弥补了实车碰撞试验的缺陷，而且在设计初期阶段就能够达到车辆的安全性能，精度也相当高，对于汽车的研发设计来说意义重大[10]。

3.1 胸部的评价指标

按照国标《GB 11551-2014汽车正面碰撞的乘员保护》的要求，对于胸部的评价指标主要有3MS（CONTIGUOUS_3MS,CUMULATIVE_3MS）、胸部的压缩量（ThCC）、胸部的黏性指标（VC）、胸部的总指数等。

（1）3MS

通常描述胸部严重损伤（AIS≥4）的人体耐受级别是上胸部重心位置受60ɡ的最大线性加速度，持续3ms或更长[11]。因此，损伤指标是线性加速度的持续时间级别，而不是单个的线性加速度。3MS指标包括连续3毫秒损伤指标以及累积3毫秒损伤指标。

（2）胸部的黏性指标 (VC)

胸部是事故中评价乘员伤害的重要器官，按照国标《GB 11551-2014汽车正面碰撞的乘员保护》的要求，胸部的黏性指标必须小于1.0m/s。

黏性指标=压缩量×变形率。这两个值都是通过测量胸部的变形量得出，t时刻的肋骨变形速率按下式求得：

式中 ，

D(t)——t时刻滤波后的变形量（m）；

δ（t）——变形测量的时间间隔（s），最大值为

（3）胸部性能指标（ThPC）以及胸部的压缩量 （ThCC）

按照国标《GB 11551-2014汽车正面碰撞的乘员保护》的要求，正面碰撞胸部的性能指标（ThPC）必须小于75mm，胸部的压缩量（ThCC）必须小于50mm。

（4）胸部总指数 (CTI)

胸部指数 (CTI) 是胸部损伤的一种测量方法，是胸部变形的最大值以及上脊柱 3ms合成加速度的最大值的组合。CTI 的计算公式如下：

式中，Aint和Dint为与假人相关的常数。

3.2 头部的损伤准则HIC（头部的性能指标HPC）

按照国标《GB 11551-2014汽车正面碰撞的乘员保护》的要求，不管是正面碰撞、正面偏置碰撞还是侧面碰撞头部的性能指标HPC应不大于1000，并且头部合成加速度大于80g的时间，累积不应超过3ms，但不包括头部反弹。其计算公式如下：

式中，

T0 为模拟的起始时刻；

TE 为模拟的结束时间；

R(t)为头部在时间范围内的合成加速度（单位g，头部重心测量值）；

t1起始时刻、t2结束时刻，在这段时间间隔内HIC值最大，t2-t1≤36ms。

3.3 优化方案设计

选取对乘员约束系统影响较大的因素，如安全带织带延伸率、安全带上挂点高度、腰带位置、卷收器锁止时间，每个因素分别对应3个水平，然后将各及其对应的水平相互交织，取9种优化方案如表1，表2所示。实验结果见表3。

表1 选取因素及其对应的水平

表2 方案设定

3.4 结果分析

表3 试验结果

由表3我们可以看出方案c、d、h胸部3MS积累加速度指标都超过标准值，方案b、f、g有所改善但是效果不佳，而方案a、e、i有明显的改善，由此可以得出卷收器锁止时间对胸部3MS积累加速度指标影响最大，同理卷收器锁止时间对各项指标影响度是最大的，其次是安全带的延伸率（%）、腰带位置、安全带上挂点高度，可以得出可以得出e为最优方案，乘员的各项指标都得有效的控制。

4 结论

本文建立了一个 MADYMO 车辆正面碰撞有限元模型。将不同的乘员约束系统方案带入模型中计算，通过分析得到最佳方案，并比较各方案的结果，得出以下结论：

对于本文选取的影响因素，卷收器的锁止时间对乘员各伤害指标影响是最大的，但是不能太大，随着锁止时间不断增大，伤害值也不断增加。除了卷收器的锁止时间外，其他因素对乘员各伤害指标也都有影响，但影响相对较小。

本文确定的最佳方案为：安全带的延伸率 A（12%），安全带上挂点高度 B（初始位置），腰带位置 C（30mm），卷收器锁止时间 D（13ms）。此方案实验乘员的到了很好的保护，各伤害评价指标都有所减小。

在科技高速发展的当下，配备完善的乘员约束系统是研究碰撞中乘员保护的重要方法，对于其它研究也相当重要。同时，计算机技术的发展，仿真软件的运用在研发过程中作用也是相当的大，极大的缩短研发周期、降低成本。