基于智能约束系统对不同身材乘员的保护与优化

张光辉，田林，黄杰，曾嫱

（1.威马汽车科技集团有限公司，四川 成都 610100；2.中国汽车工程研究院，重庆 401122）

引言

乘员约束系统是在汽车发生碰撞时，为车内乘员提供保护的安全装置[1]，良好的约束系统能有效地降低乘员的伤亡率。目前，乘用车约束系统的开发设计都是为了满足法规或行业标准[2-3]。Adam等[4]研究表明标准设计的约束系统在交通事故中会增加乘员的损伤风险。鞠海蒙等[5]人研究了在正面碰撞工况下假人不同躯干角对假人伤害的影响，分析结果表明不同的躯干角会影响安全气囊的保护效果。潘如杨等[6]研究了在正面50km/h碰撞中对比分析了第5百分位女性驾驶员与第50百分位男性假人的损伤，结果表明标准约束系统对第5百分位女性假人的保护效果相较于第50百分位男性假人较差，通过对安全气囊的点火时间、安全气囊排气孔直径、安全带的预紧时间、安全带限力大小进行优化后达到了对第5百分位女性驾驶员的更好的保护效果。商恩义等[7]研究了基于第50百分位假人开发的约束系统对第5百分位女性假人的保护，结果表明该约束系统对第5百分位女性假人的头部和胸部有较好的保护效果，但对颈部会造成严重的损伤，通过优化安全气囊的拉带长度和采用分级起爆方法能降低第5百分位女性假人的颈部伤害。Takashi Deguchi等[8]人研究出了“S”型气囊以解决第5百分位女性假人与第50百分位男性假人头部向前运动空间的不同需求，第5百分位女性假人向前运动的空间小于第50百分位男性假人。

对于标准设计的约束系统，不同驾驶员的身高/坐高和体重参数不同，会影响约束系统的保护效果。为了研究正面碰撞工况下标准设计的约束系统对第5百分位女性假人和95百分位的男性假人的保护效果，并针对存在的损伤和潜在风险进行优化。本文基于智能约束系统，即根据不同百分位假人调整约束系统参数来实现对假人更好的保护。

1 模型的建立

依据威马汽车某款车型驾驶员舱总布置的数据建立车身模型，主要包括地板、歇脚板、加速器踏板、座椅、仪表板、转向管柱等。用MADYMO软件建立的驾驶员侧约束系统模型，主要包括安全带、安全气囊等。为保证模型的准确性，调整模型中假人身上的JOINT使假人的坐姿姿态与实车试验时测量的假人位置信息一致[9]，定位好的假人姿态如图1所示，假人主要空间距离见表1。

图1 第50百分位假人姿态

虽然有限元安全带能很好地模拟碰撞过程中安全带在假人胸部的滑动与嵌入效应，但是在滑环和卡扣位置，有限元安全不能很好地模拟安全带在其中的滑动。因此，为高效准确地模拟安全带对假人的保护效果，对安全带的建模采用两种方法，与假人接触的安全带采用有限元法建立安全带模型，不与假人接触的部分采用多刚体方法建立安全带，随后调整安全带在假人胸部的位置，使安全带距离第50百分位假人下巴的距离试验一致，安全带位置信息见表1。

表1 实车试验时驾驶员空间位置信息

本文中安全气囊的模拟方法采用的是CV法（Control Volume）模拟安全气囊的点爆、展开及充气过程。该方法假设流入和流出囊袋的气体是理想气体且该气体的热容量系数不变，囊袋内的气体没有与外界进行热量的交换。CV法的优点是考虑了囊袋气体泄漏对气囊的影响，而且模型不需要建立气体发生器模型，只需要定义气囊的质量流量曲线和温度特性曲线，因此该方法能准确地模拟气囊的展开和充气过程。但由于假设囊袋内温度和压力是均匀的，所以此方法有一定的缺点，但能够达到工程上对模型精度的要求。

2 模型对标

为了保证所建MADYMO模型的准确性，需要将仿真模型与试验进行对标。模型的输入波形采用实车100%正面50km/h碰撞刚性壁障左侧B柱下端X向加速度波形，如图2所示。本次实车碰撞试验中约束系统参数配置为：Hybrid III 50th假人骨盆角为23°、DAB（Driver Airbag）的体积为50L、气囊的排气孔直径为25mm、排气孔数量为2个、安全带限力为3.5kN、DAB的点爆时间为20ms、安全带的预紧时间为16ms。在实际对标过程中，安全带输出参数的对标要先于假人伤害参数的对标，因为只有确定了安全带参数包括肩带力、腰带力，才能够保证假人骨盆加速的正确性。在假人伤害参数对标时，因正面碰撞过程中假人的下肢先于头部与内饰接触，故本文中采用“由下到上”顺序进行对标[10]。综上，本文模型的对标顺序为肩带力、腰带力、骨盆加速度、胸部压缩量、胸部加速度、头部合成加速度。

图2 实车碰撞试验左侧B柱下端X向加速度波形

仿真模型中的安全带力与试验测量的安全带力基本一致，如图3和图4所示，因此假人骨盆处的合成加速度与试验基本吻合。因此，在安全带座椅的约束下假人骨盆的运动姿态和试验一致性较好。由于假人的肩带力仿真和试验吻合度很高，所以假人胸部压缩量和胸部合成加速仿真和试验基本吻合，如图7和图8所示。如图8所示假人头部合成加速度仿真和试验基本吻合。通过对比仿真模型与实车试验的假人主要部位的损伤对比，仿真模型得到有效验证可以用于接下来的分析工作。

图3 安全带肩带力

图4 安全带腰带力

图5 假人骨盆合成加速度

图6 假人胸部压缩量

图7 假人胸部合成加速度

图8 假人头部合成加速度

3 驾驶员位置假人损伤分析及优化

3.1 模型建立

对驾驶员位置第5百分位女性假人在正面碰撞中损伤情况进行分析，需要对模型中座椅的位置进行调整，参考Euro-NCAP中正面碰撞中对前排第5百分位女性假人定位要求调整假人的H点，其他的约束系统参数保持不变，如图9所示。

图9 第5百分位假人坐姿

在正面碰撞中对驾驶员位置是第95百分位男性假人损伤进行分析时，需要对模型中的座椅位置进行调整，参考GB11552-2009中对驾驶员位置95百分位假人前排座椅的定位要求[11]，将座椅调整到设计位置R点，随后将95百分位假人调整到对应位置，其他约束参数保持不变，如图10所示。

图10 第95百分位假人坐姿

3.2 损伤分析

在正面碰撞工况中，驾驶员侧乘员的伤害主要集中在头部、颈部、胸部和骨盆。因此，分析假人时主要查看这些部位的伤害情况，其中头部伤害指标选择HIC36；颈部伤害指标选择剪切力（Fx）、张力（Fz）、弯矩（My）；胸部伤害指标选择Chest3ms；骨盆伤害指标选择合成加速度。

由于第5百分位女性假人座椅的位置是在最前，所以第5百分位女性假人要比第50百分位男性假人更接近气囊，在气囊点爆展开过程中第5百分位女性假人接触气囊的时间要早于第50百分位男性假人。如图11（a）和（b）所示，在53ms时，第5百分位女性假人的头部开始接触气囊，而第50百分位男性假人头部和气囊之间还有一定距离。第5百分位女性假人仿真模型中，安全气囊的展开形态不正常，气囊由明显向风窗玻璃方向倾斜，造成这种显现的主要原因是气囊展开过程中过早地与假人胸部接触，这种现象容易造成胸部和腹部与方向盘轮缘接触，增加假人胸部和腹部的损伤风险，第5百分位假人伤害指标见表2。

图11 53ms时假人运动姿态对比

第95百分位男性假人H点相对于第50百分位男性假人更靠后，所以在约束系统参数不变的情况下，第95百分位的男性假人离气囊更远，在气囊点爆过程中第95百分假人接触气囊的时间更靠后。在碰撞开始53ms时，50百分位假人下巴距离气囊的距离60mm，95百分位假人下巴距离气囊129mm。如图12所示，对比第50和第95百分位假人碰撞模型可知，在气囊点爆并充气完成时第50百分位的假人头部刚好接触气囊，而第95百分位假人距气囊还有68mm。因此第95百分位的假人头部HIC36、胸部Chest3ms和胸部压缩量相对于50百分位的假人偏高，第95百分位假人伤害见表2。另外，第95百分位假人头部在压缩气囊的过程中距离方向盘的距离最小为4mm，有击穿气囊的风险，如图13所示。

图12 63ms时假人运动姿态对比

图13 第95百分位假人头部与方向盘的距离

表2 第5/50/95百分位假人伤害指标结果对比

3.3 基于智能约束系统对第5/50/95百分位假人进行优化

智能约束是指能够根据乘员的坐高、体重、事故发生时的车速等指标调整碰撞时的约束系统参数，如气囊排气孔泄气面积、气囊的点爆时间、安全带的预紧时间、安全带的限力等级、座椅姿态的调整[12]。本文选取气囊点爆时间、排气孔直径大小、安全带预紧时间、安全带限力特性进行研究。

由于对于第5百分位女性假人的位置相对于第50百分位男性假人更靠前，所以碰撞发生时气囊的点爆时间和安全带预紧时间的作用时间要更靠前，因此将点爆时间和预紧时间提前6ms。另外，碰撞发生时5百分位假人的冲击能量要小于50百分位假人，故将5百分位假人安全气囊的排气孔直径大小随时间的变化设置成如图14所示，安全带限力等级随拉出量的变化设置为如图15所示。

图14 05/50/95百分位假人安全带限力等级

图15 05/50/95百分位假人气囊排气孔直径

对于第50百分位假人为进一步优化假人的胸部的伤害，将50百分位假人气囊排气孔直径大小随时间的变化设置为如图14所示，安全带限力等级随拉出量的变化设置为如图15所示。

第95百分位男性假人的位置相对于第50百分位男性假人更靠后，所以碰撞发生时气囊的点爆时间和安全带的预紧时间要靠后，因此将点爆时间和预紧时间延后5ms。因碰撞发生时95百分位假人的能量大于50百分位假人，因此将95百分位假人气囊排气孔直径大小随时间的变化设置成如图14所示，安全带限力等级随时间的变化设置为如图15所示。

使用智能约束系统参数后5/50/95百分位假人的损伤都有不同程度地降低，三种假人的头部HIC36下降最为明显，50/95百分位假人胸部压缩量降低较为明显，假人伤害见表3。如图16所示，采用智能约束系统参数后第95百分位假人在压缩气囊的过程中，最小距离有24mm，有效降低了头部击穿气囊的风险。

图16 第95百分位假人与方向盘的距离

表3 优化后第5/50/95百分位假人损伤结果

4 结论

针对目前汽车配置的前排约束系统是基于第50百分位男性假人设计开发的，而对第5/95百分位假人的保护不一定是最适合的。文中通过验证的MADYMO仿真模型，采用智能约束系统参数对5/50/95三种不同百分位假人进行优化，从优化后的假人伤害结果可以看出，在同一碰撞工况下智能约束系统能够对不同身材的假人提供更好的保护。