面向副驾驶员约束系统安全性能的仿真实验开发

洪 亮 耿国庆 丁 华 张学荣

（江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013）

我国汽车保有量逐年攀升，导致汽车交通事故频发。据国家统计局的统计数据表明：2019 年全国汽车交通事故致死、致伤人数分别高达43413 人、157157 人，同时造成近12 亿元的直接财产损失。提升乘员约束系统的安全性能是减少汽车交通事故伤亡人数与财产损失的重要措施[1-2]。

许多大专院校都开设有《车身结构与设计》、《汽车安全》课程，这些课程均重点讲授乘员约束系统的基本概念、基础理论以及实际设计时的注意事项。“乘员约束系统”知识点具有很强的工程实践特征，亟需实车碰撞实验课程补充、整合课堂知识，以加深学生对乘员约束系统设计要点的理解。然而，开展实车碰撞实验，不仅需有3 千平米以上的实验场地；同时需要牵引装置、照明系统、碰撞假人、实验车辆等价格昂贵的仪器设备。单次实车碰撞实验费用高达20 万元，整个操作流程耗时12 小时以上。此外，实车碰撞实验危险系数高，所有操作只能由专人完成，致使学生参与度极低，教学效果不佳[3]。因此，大专院校难以开设实车碰撞实验课程。

为克服大专院校难以开设实车碰撞实验课程的现状，本文引入虚拟仿真技术[4-6]，开发“面向副驾驶员约束系统安全性能的仿真实验”，利用成熟可靠的汽车碰撞仿真软件，引导学生探究在正面偏置碰撞中，副驾驶员约束系统的各设计参数对副驾驶员头部、胸部、腿部损伤的影响，以便学生结合课堂知识，厘清副驾驶员约束系统的设计参数值与人体伤害指标间的关系，为今后的乘员约束系统研发工作奠定坚实的基础，最终达到“以虚补实，虚实结合，深度交互，理实融合”的教学效果。

1 实验方法

1.1 仿真模型的构建与验证

Madymo 是一款融合多体动力学计算功能和有限元计算功能的汽车碰撞仿真软件[7-8]。HyperView 与HyperGraph（转下页）是两款通用的可视化后处理软件，将Madymo 软件计算生成的kn3 文件导入HyperView 软件中，可查看仿真动画；将Madymo软件计算生成的lac 文件、injury 文件导入HyperGraph 软件中，可查看仿真曲线[9]。上述三款软件为本仿真实验顺利实施提供了有力保障。

为达到实验目标，基于某车型的副驾驶员区域的相关尺寸与性能参数，运用Madymo 软件，构建正面偏置碰撞副驾驶员约束系统仿真模型（以下简称为“仿真模型”）[10]，如图1 所示。调入Madymo 软件中自带的Hybrid Ⅲ50 百分位男性假人模型，并将其定位在副驾驶员座椅上，用以模拟副驾驶员。

图1 正面偏置碰撞副驾驶员约束系统仿真模型

所建仿真模型须经实车碰撞试验的验证，试验测得的假人伤害响应曲线与仿真模型计算的伤害响应曲线间的对比如图2所示。由图2 可知，试验曲线与仿真曲线间基本吻合，因此仿真模型具备较强的可信度，能够作为基础模型进行仿真实验[11]。

图2 试验与仿真曲线的对比

1.2 设计参数与伤害指标的选取

本实验探究副驾驶员约束系统的各设计参数值变化对副驾驶员头部、胸部、腿部伤害指标的影响规律。各设计参数及其取值如下：

（1）安全带的织带延伸率比例系数：0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3。

（2）安全气囊起爆时刻：10ms、15ms、20ms、25ms、30ms。

副驾驶员的伤害指标包括头部伤害指标HIC36，胸部3ms合成加速度T3MS，胸部压缩量THPC，左、右大腿力FL、FR 以及加权伤害指标WIC，WIC 的表达式见公式（1）[12]。前五种伤害指标可在Madymo 软件计算生成的peak 文件中查找获得。

公式（1）中，HIC36 为头部伤害指标；T3MS 为胸部3ms 合成加速度，m/s2；THPC 为胸部压缩量，mm；FL、FR 分别为左、右大腿力，N。

2 仿真实验结果

2.1 织带延伸率的仿真模拟

当车辆发生碰撞时，安全带是保证车内人员安全的最重要装置，织带延伸率是安全带的主要设计参数。通常用沿织带长度方向，织带受到11100N 的拉力作用后的相对伸长量，来表示织带延伸率。将七种织带延伸率分别代入仿真模型，进行仿真实验，以分析在正面偏置碰撞中，织带延伸率变化对副驾驶员头部、胸部、腿部损伤的影响，仿真结果如图3 所示。由图3 可知，随着织带延伸率由1.3 逐渐减小至0.7，副驾驶员的头部伤害指标HIC36，胸部3ms 合成加速度T3MS，左、右大腿力FL、FR以及加权伤害指标WIC 都呈现显著下降的趋势，下降幅度分别为11.23%，5.71%，30.00%，19.99%与8.30%，但胸部压缩量THPC 上升4.28%。这是由于减小织带延伸率，即安全带变紧后，能够增强安全带的束缚能力，有效降低副驾驶员头部、胸部、腿部的运动幅度和运动速度，最终避免或减轻驾驶员伤害；但也将加大织带对副驾驶员胸部的挤压，造成胸部压缩量THPC 上升。

图3 织带延伸率的实验结果

2.2 起爆时刻的仿真模拟

安全气囊起爆时刻决定安全气囊的完全展开时刻与泄气时刻，将五种起爆时刻10ms、15ms、20ms、25ms、30ms 分别代入仿真模型中，以探索起爆时刻变化对副驾驶员头部、胸部、腿部损伤的影响，仿真实验结果如图4 所示。随着起爆时刻逐渐提前，头部伤害指标HIC36 与加权伤害指标WIC 逐渐增大，其它伤害指标无显著变化；相比于起爆时刻为30ms 的情况，当起爆时刻分别提前至25ms、20ms、15ms、10ms 时，HIC36 分别增大了4.93%，11.82%，18.09%，22.19%，WIC 分别增大了2.76%，6.71%，10.32%，12.63%。由于副驾驶员头部与安全气囊的安装位置相距较远，无论如何提前或滞后起爆时刻，安全气囊总是完全展开后，才对副驾驶员头部进行约束。然而，提前起爆时刻的同时，也会提前泄气时刻，使得安全气囊过早泄气。当头部与过早泄气的安全气囊接触时，因安全气囊内部压力不足，难以有效约束头部的运动，导致垂直方向上的头部加速度逐渐增大，最终使得HIC36、WIC 上升。

图4 起爆时刻的实验结果

3 结论

本文基于Madymo、HyperView 与HyperGraph 软件，将“面向副驾驶员约束系统安全性能的仿真实验”引入实验教学中，能够达到以下教学目的：

3.1 采用虚拟仿真技术克服大专院校缺乏实车碰撞实验课程的现状，提高学生的学习兴趣，丰富实验教学内容和方法。

3.2 通过仿真实验，使得学生高效、安全地厘清在正面偏置碰撞中，安全带的织带延伸率、安全气囊的起爆时刻变化对副驾驶员的头部伤害指标HIC36，胸部3ms 合成加速度T3MS，胸部压缩量THPC，左、右大腿力FL、FR 以及加权伤害指标WIC的影响规律，加深学生对“乘员约束系统”知识点的感性、理性认知，为今后的乘员约束系统研发工作打下坚实的基础，提升理论教学效果。