小型电动汽车正面碰撞的约束系统关键设计

段大禄，贾丽刚，易超，解维杰，陈涛，陈自凯

1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007；2.湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司，湖南长沙 410100；3.宝山钢铁股份有限公司中央研究院，上海 201900；4.汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室（宝钢），上海 201900

0 引言

汽车在行驶过程出现交通事故时，约束系统是最有效也是最重要的乘员保护装置[1]。乘员约束系统包括安全带、安全气囊、座椅、转向系统、仪表板等，在车辆受到正面碰撞时，约束系统可以约束住座椅上因为加速度而向前冲的乘客，避免乘员与车内其他部件产生撞击造成人员伤害[2]，也可以作为乘员与部件撞击时的缓冲装置[3]，对乘员的保护效果显著。

近些年来，小型电动汽车由于车身小、灵活方便的优势被广泛认可。但小型电动汽车在碰撞过程中有比较恶劣的乘员加速度，会对头、颈、胸等部位造成较大的伤害。另外，相比于普通乘用车，小型电动汽车的吸能空间有限，遭受碰撞时的乘员侵入量较大，易使腿部受到伤害。

本文基于小型电动汽车正碰时车内乘员的伤害问题，通过相关建模仿真分析对约束系统参数进行重新匹配，同时对仪表板结构进行改进，主要是对安全气囊的拉带参数、安全气囊泄气孔大小、安全带限力大小的匹配分析以及对仪表板与腿部接触部分吸能块的设计改进，以达到减小乘员伤害的目的。

1 实车试验

实车试验（图1）是指汽车主机厂的试验车生产完成后，通过实车碰撞试验检验约束系统对驾乘人员的保护效果，其目的是最大可能地还原具有代表性的交通事故，以此来获得对应条件下驾乘人员的伤害值，对试验车的安全性进行评价[2]。

图1 实车试验

实车试验参考GB 11551—2014《汽车正面碰撞的乘员保护》[4]相关要求安排正面100%刚性壁碰撞试验，试验整车质量838 kg，前轴负荷386 kg，后轴负荷452 kg，假人选用Hybrid III 50th男性假人。在试验场地以50 km/h的速度进行正面100%碰撞试验，该场地足够大，壁障的大小和重量都足够且固定在地面上，方位准确。

试验中测得的速度为48.68 km/h，符合法规要求的速度范围，试验结果数据与法规限值的比较见表1。

表1 试验结果数据与法规限值的比较

从试验结果可以得出，该约束系统对乘员保护效果较差，尤其是乘员头部，伤害指标与法规限值接近；颈部、胸部与腿部受到的伤害也较大。由此可知，原定的约束系统参数匹配方式、原有的仪表板结构都需要进行改进设计，以保证小型电动汽车在正碰时对乘员能有较好的保护效果。

2 伤害分析

从上文试验结果可知，汽车碰撞时，乘员头、颈、胸、腿等部位都会受到相应的伤害，由此引用加权伤害准则综合损伤值（WIC）来评价约束系统对乘员保护的整体情况，WIC的值越小代表约束系统对乘员的保护效果越好。加权伤害准则综合损伤值WIC的计算公式如下[5]：

式中，HIC为头部综合性能指标；C3ms为胸部3ms加速度值，g；D为胸部压缩量，mm；FFL和FFR分别为左右大腿轴向压力，kN。

HIC计算公式[6]为：

式中，AR代表在T0≤t≤TE内，头部质心的合成加速度；T0、TE代表碰撞的开始时间和碰撞结束的时间；t1、t2代表计算时HIC达到最大值的起始和终止时刻；时间间隔一般取（t1－t2）≤36 ms。

在实车正面碰撞试验时乘员受到的各种损伤主要受加速度的影响，又因为小型电动汽车空间较小，试验时乘员在向前加速运动的过程中，胸部会推动安全气囊的气袋上移，导致胸部与气囊接触减少，造成乘员胸部压缩量增加；同时气囊上移也会挤压到头部，造成乘员头部伤害增大，HIC偏高，实车试验结果为897，接近GB 11551—2014的法规限值。除此之外，乘员头部3 ms累积合成加速值也较大，接近法规限值；小型电动汽车经过撞击后，转向管柱跳动会对乘员颈部造成伤害，气袋的上移也对颈部造成伤害，最终导致乘员颈部损伤My接近正碰条件下的法规限值；在碰撞后加速度很高的情况下，大腿部位对小型电动汽车仪表板侵入量很大，导致大腿受力也偏高。实车试验的WIC为0.92，WIC值较大代表该小型电动汽车在正碰条件下对乘员整体保护效果也差，需要在仪表板结构改进的基础上进行约束系统参数改进。

3 模型建立及仿真分析

碰撞过程中主要承担冲击力的是车身前部，所以车身前部对碰撞结果影响较大的部位需要利用UG精确建模[7]。本文的CAD模型是参考所研究的小型电动汽车驾驶员区域相关尺寸和性能参数建立的[8]，约束系统仿真建模使用HyperMesh进行前期的几何处理与网格划分，仿真建模时需要考虑建模的复杂以及计算时间的消耗，对CAD模型中不必要的烧焊、螺钉等对仿真结果影响不大、受力较小的部位进行简化[9-10]。

重要受力结构部位按要求抽中面进行5 mm×5 mm或是10 mm×10 mm的网格划分，最终建立的仿真模型有1029 672个网格单元，该车型设计的转向管柱没有压溃性能。试验使用安全带的限力选用8.5 kN，最后建立的仿真模型以及安全带肩带力的结果分别如图2和图3所示。

图2 仿真模型

图3 安全带肩带力

试验使用的气囊为DAB（ driver airbag）驾驶员安全气囊，它是在汽车正面碰撞时对驾驶员起防护作用的防护气囊[11]。在试验中安全气囊点火时间定为8.5 ms，有两个泄气孔，直径相同为36 mm，所用的拉带为Y型3拉带，它的匹配方式为（250×250×200）mm，对应的仿真模型如图4所示。

图4 安全气囊仿真模型

为了保证仿真模型的有效性，在Prime中导入假人定位后，还需要结合HyperView软件对座椅坐垫进行预压，并利用LS-PrePost软件对安全带进行预模拟（图5）。

图5 安全带的预模拟仿真

所有子系统仿真模型在建立完成后应进行集成，假人与车体结构、安全带、安全气囊、座椅、转向系统的接触均采用面面接触，在子文件中通过关键字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_ID定义。

根据实车试验结果得到的速度为48.68 km/h，在仿真模型加载时单位对应m/s，换算关系为＝m/s 。所以加载的初速度=13.52（m/s）。之后给车体定义6个方向的运动，六向运动的曲线可以从试验结果或是有限元仿真结果中获取。

子系统集成及边界条件定义完成后即可提交LSDYNA计算，LS-DYNA是一种能够模拟复杂实际问题的通用有限元仿真软件，以Lagrange算法为主，能够处理几何非线性（大位移、大变形等）、材料非线性等问题，是一种功能齐全的非线性程序，且其强大的材料库囊括了近200多种非线性材料。除此之外，还提供了50多种非线性的接触方式，被广泛应用到汽车、航空航天、建筑、军事、制造和生物工程等诸多行业[9-12]。最终的仿真结果可以用来与试验结果对比进行模型精确度分析及约束系统安全性评价。

4 仿真模型的有效性验证

实车试验结果和仿真结果的指标对比见表2。

表2 试验与仿真对比

由表2可知，实车试验结果与相应的模型仿真结果的头部、颈部和胸部指标的误差最大为15.2%，小于20%，在可控范围内[6]。乘员关键部位的曲线与仿真结果的对比，如图6和图7所示。

图6 关键部位的曲线对比

图7 实车与仿真运动状态对比

从实车试验结果与仿真结果的乘员运动状态对比和乘员关键部位的曲线对比可以看出，乘员头部、颈部、胸部相关曲线都是从20 s左右开始改变，在50～60 s间达到一个峰值，100 s过后各个曲线波动变小后趋于平缓，且在100 s时的运动状态完全对应。实车试验结果和仿真结果在趋势、时域与峰值三个方面基本一致，说明所建立的驾驶室约束系统模型可以作为后续分析改进的基础模型[13]。

5 约束系统关键设计

5.1 泄气孔直径

参考上文的实车试验和仿真建模，本文研究选取可改动的参数为安全带限力大小、泄气孔直径及安全气囊的拉带长度。首先尝试将泄气孔直径36 mm改为31 mm进行仿真分析对比，仿真结果对比见表3。

表3 泄气孔直径修改前后结果对比

仿真结果对比发现，直径改为31 mm后，乘员的头部与颈部伤害增加，约束系统的泄气孔参数改进无效，说明气囊直径在36 mm时约束系统对乘员保护效果较好。

5.2 安全带限力

在气囊直径36 mm的基础上，尝试将安全带限力大小由设计状态的8.5 kN降至6.5 kN（限力杆直径由11.8 mm降至9.9 mm），修改前后仿真结果对比见表4。

表4 安全带限力修改前后结果对比

从对比结果可以看出，安全带限力的设计状态改为6.5kN时对乘员的头部与颈部伤害指标有很大改善，故约束系统的安全带限力大小改进有效，为6.5kN。

5.3 安全气囊的拉带匹配方式

在气囊直径36mm、安全带限力大小状态6.5kN的基础上，安全气囊的拉带匹配方式选取（240×240×240）mm与（250×250×200）mm进行分析。仿真计算结果对比见表5。

表5 安全气囊拉带匹配方式修改前后结果对比

由仿真结果对比可知，在两种匹配方式下颈部、胸部、腿部的伤害差别较小，故通过结果中的头部性能指标来选择保护效果较好的拉带设计。气囊拉带在（250×250×200）mm时对乘员头部保护效果较好，故采用原方案。

5.4 仪表板改进

上述仿真分析中的大腿压缩力指标都较大，因此本文尝试在气囊直径36 mm、安全带限力大小设计状态6.5 kN、气囊拉带（250×250×200）mm的基础上，对仪表板进行内部吸能设计，包括乘员左右膝盖与仪表板接触位置的溃缩空间预留，以及吸能块设计，如图8所示。

图8 仪表板改进前后结构对比

改进前后的仿真结果对腿部膝盖的碰撞效果对比如图9所示，可以看出在原有的设计情况下，碰撞过程中乘员腿部对仪表板的侵入量过大，造成仪表板变形，同时腿部受到的伤害也相应过大；而在改进后的仪表板设计情况下，碰撞过程中乘员腿部与仪表板接触时双方的变形都很小，对乘员腿部伤害较小。

图9 膝盖碰撞效果对比

原结构与改进后的仿真结果对比见表6。从仿真对比结果可以看出，仪表板结构改进后对乘员头部、颈部、胸部的保护效果影响较小，对腿部保护效果改善明显，乘员的腿部伤害得到很大降低，说明仪表板的结构改进有效。

表6 改进前后仿真结果对比

所以最终确定的改进方式为：在约束系统参数匹配方式为安全气囊直径36 mm、安全带限力大小为6.5 kN、安全气拉带匹配方式为（250×250×200）mm的同时，对仪表板吸能块等部位也进行了结构改进。

5.5 改进前后效果对比

最终改进方案的仿真结果与改进前伤害指标的改进百分比见表7。

表7 改进百分比

由改进前后仿真对比结果可知，改进后的乘员头部性能指标减小，远小于法规限值，颈部、胸部指标也都得到改善，大腿力裕度充足，超标风险较小，综合损伤值WIC得到减小，为0.68。改进百分比最大为68.4%，证明改进后的约束系统在正碰过程中对乘员保护效果有很大提升。

6 结论

本文基于某款小型电动汽车在正面100%实车碰撞试验中乘员受伤害过大的问题，进行约束系统关键设计。通过建立与实车模型相对应的仿真模型进行改进分析，最终得到约束系统相应的参数匹配方法以及仪表板吸能部位的结构改进方法，大大降低了乘员头部、颈部、胸部及腿部受到的伤害，使乘员整体伤害得到减小，表明本文的约束系统关键设计对小型电动汽车正碰条件下乘员整体保护效果有显著提升。