基于能量分析的汽车副驾驶乘员安全性研究
2019-12-17葛如海蔡朝阳顾瑶芝黄可鑫
葛如海，蔡朝阳，顾瑶芝，黄可鑫
(1.江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013；2.硅湖职业技术学院，江苏 昆山 215332)
随着社会经济的飞速发展，人们的生活水平日益提高，汽车已经成为人们出行最重要的一种交通工具。据统计，截止2018年末我国的汽车保有量已经达到3.2亿辆，但在汽车带给人们便利的同时，交通事故的数量也在不断增加，汽车的安全性问题也因此越来越受到重视，如何提高乘员的安全性成为现在研究的热点。
约束系统作为现代汽车安全必不可少的一部分，在汽车在碰撞过程中能够为乘员提供保护，将乘员的能量转移吸收，从而降低成员的伤害。商恩义等[1]分析了正面偏置碰撞中安全气囊对乘员能量各方向吸收情况，发现当安全气囊x方向吸能越多，乘员头颈部伤害越低。张燕等[2]对汽车碰撞过程中乘员能量的Ride-down效率与乘员伤害的关系进行了分析，发现过高或过低的Ride-down效率都不利于乘员的保护。葛如海等[3]对正面碰撞中驾驶员侧各约束子系统的吸能进行了研究，并找到了约束子系统吸能与WIC之间的关系。基于以上研究，可以发现碰撞过程中乘员与约束系统之间的能量传递对乘员安全性存在影响。但是前人对乘员与约束系统间能量的研究大多针对驾驶员侧乘员的安全性，针对副驾驶乘员的很少，且主要是头部、颈部伤害。
由于副驾驶侧约束系统与驾驶员侧不同，在碰撞过程中副驾驶乘员与驾驶员的运动响应不同，且当车辆处于碰撞危险中时，驾驶员下意识的避险操作可能导致副驾驶乘员暴露在危险中[4]。因此,本文对副驾驶员侧各约束子系统对乘员能量的吸收进行了研究，并较为全面地分析了副驾驶乘员各部位伤害与约束系统吸能之间的关系。
1 仿真模型建立及验证
基于某款车的实际尺寸，在MADYMO软件中建立了该车的副驾驶乘员的碰撞仿真模型，如图1所示。
图1 副驾驶侧正面碰撞MADYMO模型
将实车碰撞试验中采集的该车型B柱下方的X向加速度波形(如图2) 输入到模型中。Y、Z向的加速度相对较小，且对假人的伤害值影响不大，故未输入。实车试验基于中国新车评价规程C-NCAP。
图2 碰撞加速度波形
汽车碰撞模型的验证主要从假人的动态响应及伤害值两个方面进行验证。MADYMO正面碰撞模型的验证遵循从下至上的原则，即先下肢、髋部、胸部，最后到头部响应。力与加速度信号应满足“起始时刻、形状、峰值、峰值时刻及脉宽”等基本特征[6]。
图3为实车碰撞试验与MADYMO碰撞仿真得到的伤害值响应对比,由此可以看出：仿真模型在经过调整及对标后与实车试验的响应曲线有较高的吻合度，关键指标的误差都在合理范围之内，因此该仿真模型验证有效，可以作为基本模型进行研究。
图3 试验与仿真中的假人伤害响应曲线对比
2 副驾驶员约束系统吸能分析
2.1 乘员能量分析
正面碰撞中，副驾驶乘员的能量一部分被约束系统吸收，一部分转化为内能而消耗。同时，随着乘员能量的向外转移或消耗，乘员的动能不断降低[7-8]。因此，碰撞过程中乘员的能量存在如下平衡：
ETotal=EK+Ers+EI
(1)
式中：ETotal为乘员的总能量；EK为乘员的动能；Ers为乘员经约束系统转移的能量；EI为内能。
2.2 假人部位及约束系统划分
在碰撞过程中，由于约束系统的作用使乘员身体各部位运动响应不一致，从而在乘员内部发生能量转移，因此为了分析碰撞过程中各约束子系统吸收的假人能量，需要同时对假人内部的能量转移进行分析。本文依据目前的汽车碰撞安全法规以及中国新车评价规程C-NCAP，并根据分析需要以及假人各部位之间的连接关系将假人划分成5个部位，分别为头部、胸部(包括手臂和颈部)、髋部、大腿、小腿(包括脚部)，如图4所示[9]。
图4 假人部位划分
同时，根据不同约束子系统在假人身上的主要作用部位，本文将约束子系统分为4部分进行研究，分别为头部约束子系统、胸部约束子系统、髋部及大腿约束子系统、小腿约束子系统。具体分类情况如表1所示。
表1 约束系统划分
2.3 副驾驶员约束系统吸能分析
正面碰撞时，乘员与约束系统接触的主要运动过程在140 ms时结束，因此本文选取0～140 ms碰撞过程进行研究。根据本文对假人部位的划分，对约束系统作用部位以及假人内部的能量转移进行分析，然后结合MADYMO软件的ENERGY模块[10](如图5)，从而获得各约束子系统吸能曲线。
图5 ENERGY模块
2.3.1头部约束子系统吸能分析
在正碰过程中安全气囊主要作用于假人的头部，因此安全气囊吸收的能量主要来自假人头部。安全气囊与假人头部之间的能量转移情况可通过 ENERGY模块得到[10]，由此获得安全气囊的吸能曲线即头部约束子系统的吸能曲线，如图6(a)所示。
2.3.2胸部约束子系统吸能分析
本文中胸部约束子系统只有安全肩带，安全肩带主要作用于假人的胸部和髋部，因此胸部约束子系统吸收的假人能量为：
ETR=ETH-BS+EA-BS
(2)
式中：ETR为胸部约束系统吸收假人的总能量；ETH-BS为假人胸部转移至安全肩带的能量；EA-BS为假人髋部转移至安全肩带的能量。ETH-BS和EA-BS可通过MADYMO的ENERGY模块得到，最终可获得胸部约束系统的吸能曲线，如图6(b)所示。
2.3.3髋部及大腿约束系统吸能分析
本文中髋部及下肢约束系统包括安全腰带、座椅两个约束子系统。这一部分约束系统吸收的假人能量主要来自于假人的髋部和腿部，故这部分约束系统吸收的假人能量为：
ERA&F=EA&F-EA-TH-EA-BS-EF-TI-
EKA&F-EIA&F
(3)
式中：ERA&F为髋部及大腿约束系统吸收假人的总能量；EA&F为假人髋部和大腿的总能量；EA-TH为假人髋部转移至胸部的能量；EA-BS为假人髋部转移至安全肩带的能量；EF-TI为假人大腿转移至小腿的能量；EKA&F为假人髋部和大腿的能量；EIA&F为假人髋部和腿部的内能。最终可获得髋部及下肢约束系统的吸能曲线，如图6(c)所示。
2.3.4小腿约束系统吸能分析
本文小腿约束系统包括护膝板、地板两个约束子系统。这一部分约束系统吸收的假人能量主要来自于假人的小腿，故这部分约束系统吸收的假人能量为：
ERTI=ETI-ETI-F-EKTI-EITI
(4)
式中：ERTI为小腿约束系统吸收假人的总能量；ETI为假人小腿的总能量；ETI-F为假人小腿转移至大腿的能量；EKTI为假人小腿的动能；EITI为假人小腿的内能。最终可获得小腿约束系统的吸能曲线，如图6(d)所示。
图6 约束系统吸能曲线
3 约束系统吸能与乘员伤害关系分析
3.1 实验设计
由上述对假人与约束系统之间的能量转移的分析，可得出各约束子系统的吸能曲线。为寻找副驾驶员约束子系统吸能与假人伤害值的关系，可通过设计实验进行分析。
通过对前人研究的分析，选取对约束系统性能影响较大的参数做进一步的灵敏度分析，确定对WIC影响较大的因素，共有7个参数，分别是：安全气囊排气孔直径、安全气囊点火时间、安全气囊质量流率、安全带限力、安全带刚度、安全带预紧时间、座椅刚度。以各参数的初始值为基础，上下浮动30% 作为各参数的取值范围，在MADYMO中计算出损伤值。确定出影响WIC的主要因素:安全带限力、安全带刚度、安全带预紧时间、座椅刚度和安全气囊质量流率。WIC的计算公式如下：
0.05(FL+FR)/20.0
(5)
式中：HIC36为头部伤害指标值；C3ms为胸部合成加速度3 ms值(g)；Ccomp为胸部压缩变形量(mm)；FL、FR分别为左右大腿骨所受最大轴向力(kN)。根据实际情况，确定5个要影响因素的取值范围，如表2所示。
表2 因素取值范围
然后采用拉丁超立方实验设计方法，根据5个因素取值范围设计出30组实验，并通过仿真得出其响应值，如表3所示。
3.2 约束系统吸能与假人伤害关系分析
在140 ms时，主要的碰撞过程基本结束，各约束子系统的吸能曲线也趋向于平稳，故取该时刻各吸能曲线的相应值为各约束子系吸收的假人能量。
然后利用Matlab线性回归方法分析正面碰撞时各约束子系统吸收的假人能量与假人伤害值的关系，如图7、8所示。参数之间的关系用多项式拟合，R2表示其相关性。
表3 实验响应值
由图6可知，副驾驶侧约束系统吸能与副驾驶乘员的伤害值有较强的相关性。头部约束系统吸能与假人的加权伤害指数WIC、头部伤害指标、颈部剪切力FZ均成负相关；胸部约束系统吸能除了与假人的伤害指标WIC、FZ成负相关，与假人的胸部伤害指标Ccomp、C3ms亦均呈负相关。由图7可知，小腿约束系统吸能与假人的大腿轴向压缩力FL、FR以及小腿压缩力FZL、FZR均呈正相关。由于髋部及大腿约束系统接触部位较多，导致该部分吸能与假人的伤害值关系不明显。
图7 约束系统吸能与乘员伤害值关系(一)
图8 约束系统吸能与乘员伤害值关系(二)
4 结束语
分析了正面碰撞中副驾驶员的能量传递情况，对副驾驶员侧各约束子系统对假人能量的吸收情况进行了分析。在能量分析的基础上，进一步寻找出了副驾驶侧约束子系统吸能与乘员损伤值之间的关系：假人的加权伤害指数WIC、头部伤害指标、颈部剪切力FZ与头部约束系统、胸部约束系统吸能均成负相关；假人的胸部伤害指标Ccomp、C3ms与胸部约束系统吸能呈负相关。假人的大腿轴向压缩力FL、FR和小腿的压缩力FZL、FZR与小腿约束系统吸能呈正相关。
即当碰撞过程中副驾驶侧安全气囊和安全肩带吸收的乘员能量越多，约束系统对乘员的综合保护性越好。且当安全气囊吸收的乘员能量越多，对乘员的头部和颈部保护效果越好。安全肩带吸收的乘员能量越多，对乘员的头部、颈部、胸部的保护效果越好。当护膝板和地板吸收的乘员能量越少，对乘员的大腿、小腿保护效果越好。
