曹立波 喻偉雄 白中浩 蔣彬輝 吳 俊

湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410082

0 引言

車輛發(fā)生碰撞事故時(shí)，車內(nèi)乘員可能遭受多個(gè)方向的二次碰撞，如駕駛員頭部和胸部與方向盤的碰撞，乘員頭部與擋風(fēng)玻璃的碰撞等。二次碰撞是致使乘員受傷甚至死亡的重要原因之一，汽車乘員約束系統(tǒng)就是為了避免二次碰撞或者降低二次碰撞對(duì)乘員造成的損傷而開發(fā)的［1］。大量實(shí)踐表明，通過合理匹配約束系統(tǒng)，可以在車輛發(fā)生碰撞時(shí)有效減輕乘員與車內(nèi)部件的碰撞，降低傷害［2］。因此，為車輛匹配性能優(yōu)越的乘員約束系統(tǒng)，提高車輛的安全等級(jí)，是我國(guó)汽車行業(yè)研究的重要課題，也是汽車制造企業(yè)的實(shí)際所需。

某量產(chǎn)SUV車的正面碰撞結(jié)果表明，除車輛前部變形嚴(yán)重外，碰撞過程中駕駛員側(cè)假人損傷值較大，某些指標(biāo)甚至超過損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，說明乘員約束系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)乘員的保護(hù)效果不佳。本文結(jié)合該車型碰撞安全性能改進(jìn)項(xiàng)目，采用試驗(yàn)和MADY MO［3］仿真分析相結(jié)合的手段，對(duì)其約束系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 乘員約束系統(tǒng)及其工作原理

乘員約束系統(tǒng)主要由安全帶、安全氣囊、儀表板、座椅和膝墊等組成。對(duì)乘員約束系統(tǒng)的研究主要集中在安全帶和安全氣囊的機(jī)械特性上，以獲得最優(yōu)的約束系統(tǒng)性能［3］。安全帶一般由織帶、卷收器、帶扣和長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)組成［4］，安全帶的作用是使乘員在汽車碰撞時(shí)不飛離座椅以避免乘員與汽車內(nèi)飾件發(fā)生劇烈碰撞。安全氣囊由氣體發(fā)生器、傳感器、控制系統(tǒng)、氣囊及其附件組成，當(dāng)傳感器探測(cè)到相關(guān)的碰撞信號(hào)，并經(jīng)分析確認(rèn)氣囊應(yīng)被打開時(shí)，控制器觸發(fā)氣體發(fā)生器，短時(shí)間內(nèi)氣體發(fā)生器產(chǎn)生大量氣體對(duì)氣囊充氣，使氣囊在人體與汽車內(nèi)飾件間形成一個(gè)氣墊，達(dá)到保護(hù)人體的目的。汽車座椅是汽車中將乘員與車身聯(lián)系在一起的重要部件，它不僅要減輕駕駛員及乘員在長(zhǎng)期乘坐時(shí)的疲勞以滿足主動(dòng)安全性要求，還要與安全帶和安全氣囊一起對(duì)乘員實(shí)現(xiàn)定位的同時(shí)緩解碰撞的強(qiáng)度，使乘員的損傷程度盡量減輕。

2 SUV車輛乘員約束系統(tǒng)正面碰撞模型建立及驗(yàn)證

2．1 仿真模型的建立

根據(jù)乘員約束系統(tǒng)工作原理，建立的約束系統(tǒng)模型主要包括安全帶、安全氣囊和乘員艙。其中安全帶包括預(yù)緊器和限力器，建模所需的幾何尺寸、織帶的剛度、卷收器的卷軸特性、預(yù)緊特性和限力特性參數(shù)由供應(yīng)商提供。安全氣囊模型采用有限元建模，建模所需氣囊的尺寸參數(shù)及物理參數(shù)、氣囊起爆時(shí)間和氣囊的p－t（壓力－時(shí)間）曲線從生產(chǎn)廠家處獲得。乘員艙模型主要包括的部件有地板、護(hù)膝板、儀表板、風(fēng)擋玻璃、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、踏腳板、坐墊和靠背等，各部件的空間位置按車輛實(shí)際尺寸布置。同時(shí)，為了保證座椅及安全帶的物理特性被準(zhǔn)確模擬，本文分別進(jìn)行了座椅接觸剛度試驗(yàn)、安全帶延伸率試驗(yàn)，獲得了建模所需參數(shù)。按GB／T 13060－91，測(cè)量得到座椅靠背和坐墊靜剛度載荷－撓度曲線如圖1所示，以此作為MADY MO仿真輸入的座椅坐墊和靠背的力和位移的關(guān)系曲線。按照GB14166－2003，采用勻速拉伸試驗(yàn)獲得的安全帶拉伸伸長(zhǎng)量的時(shí)間歷程曲線如圖2所示，安全帶拉伸后增加的長(zhǎng)度與原長(zhǎng)度之比即為安全帶的延伸率。

圖1 座椅靠背、坐墊載荷撓度曲線

圖2 安全帶拉伸量的時(shí)間歷程曲線

假人模型采用MADY MO仿真軟件提供的經(jīng)過驗(yàn)證的HybridⅢ50th男性假人模型，與汽車正碰法規(guī)試驗(yàn)中要求采用HybridⅢ50t h男性假人保持一致。結(jié)合乘員艙、安全帶、安全氣囊及假人模型，正確定義假人與約束系統(tǒng)各部件的接觸，并進(jìn)行預(yù)模擬后，得到整車乘員約束系統(tǒng)模型，如圖3所示。

圖3 正面碰撞約束系統(tǒng)模型

2．2 仿真模型的驗(yàn)證

汽車乘員約束系統(tǒng)模型建立后，必須對(duì)關(guān)鍵部件——安全氣囊的特性和整個(gè)系統(tǒng)的人體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，以評(píng)估模型與真實(shí)情況的吻合度。

根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的安全氣囊p－t曲線獲得質(zhì)量流曲線，需要進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證質(zhì)量流曲線的正確性。建立60L壓力筒模型，將質(zhì)量流曲線輸入壓力筒，然后輸出壓力筒內(nèi)的壓力－時(shí)間曲線與廠家提供的p－t曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比曲線如圖4所示。由圖4可見，仿真曲線和試驗(yàn)曲線吻合較好，后期有些偏差的原因是試驗(yàn)中壓力筒會(huì)漏氣而導(dǎo)致筒內(nèi)壓力降低，而仿真分析中不存在漏氣，故其后期壓力恒定。

圖4 質(zhì)量流對(duì)比曲線

為了驗(yàn)證氣囊仿真模型的有效性，分別進(jìn)行了氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)和仿真分析對(duì)比（圖5）、靜態(tài)頭錘跌落仿真與試驗(yàn)對(duì)比（圖6）。通過前者使氣囊仿真模型與試驗(yàn)中氣囊的展開時(shí)間歷程保持一致，通過后者使氣囊仿真模型與試驗(yàn)中氣囊的壓力特性保持一致。

圖5 靜態(tài)展開仿真與試驗(yàn)對(duì)比

在車輛正面碰撞事故中，乘員身體各部位傷害頻率最高的為頭部，其次為胸部，頭部的傷害頻率為97%，胸部的傷害頻率為93%。因此，仿真模型計(jì)算所得的假人頭部和胸部的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性必須與試驗(yàn)所得的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證整個(gè)模型的可靠性。仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)車碰撞試驗(yàn)的假人頭部加速度、胸部壓縮量對(duì)比如圖7和圖8所示。

圖6 靜態(tài)頭錘跌落仿真與試驗(yàn)對(duì)比

圖7 頭部加速度仿真曲線與試驗(yàn)曲線

圖8 胸部壓縮量仿真曲線與試驗(yàn)曲線

仿真計(jì)算和實(shí)車碰撞的假人頭部加速度、胸部壓縮量的對(duì)比分別如表1、表2所示，結(jié)果表明計(jì)算誤差都在15%以內(nèi)，仿真模型具有較好的逼真度，可以作為約束系統(tǒng)優(yōu)化研究的基礎(chǔ)。

表1 頭部加速度對(duì)比

表2 胸部壓縮量對(duì)比

3 乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化

利用以上驗(yàn)證后的乘員約束系統(tǒng)模型，對(duì)乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)變量的選取基于便于實(shí)車改進(jìn)調(diào)節(jié)的原則，選取乘員約束系統(tǒng)的四個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)：座椅X向和Z向、D環(huán)Z向和錨點(diǎn)Z向的調(diào)節(jié)范圍。其中，座椅X向的調(diào)節(jié)范圍是座椅行程中間位置向前和向后各60 mm，座椅Z向的可調(diào)范圍為0～20 mm，D環(huán)調(diào)節(jié)范圍是其所在中間位置向上、向下調(diào)節(jié)50 mm，錨點(diǎn)的調(diào)節(jié)范圍是以其設(shè)計(jì)位置向下10 mm，向上30 mm。

優(yōu)化目標(biāo)：加權(quán)傷害準(zhǔn)則（weighted inj ury criterion，WIC）綜合了頭部、胸部以及大腿骨各損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，以全面評(píng)價(jià)事故中乘員的損傷程度以及乘員約束系統(tǒng)的保護(hù)性能。WIC值越低，約束系統(tǒng)的保護(hù)性能越好。WIC值的定義如下：

式中，HIC36為頭部傷害準(zhǔn)則的數(shù)值；C3ms為胸部3 ms準(zhǔn)則的數(shù)值，g；CCOMP為胸部壓縮量，m；Ffemurleft為左大腿骨最大軸向力，k N；Ffemurright為右大腿骨最大軸向力，k N。

按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表L25（56）安排乘員約束系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果及對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)值如表3所示。

表3 乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化仿真試驗(yàn)

從表3所示的優(yōu)化結(jié)果可知，第22組的WIC值最小，此值對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)值為：座椅前移30 mm，座椅上升20 mm，D環(huán)上移25 mm，錨點(diǎn)上移10 mm。

按上述方案進(jìn)行臺(tái)車試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖9所示。結(jié)果顯示各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)表現(xiàn)良好，其中假人頭部加速度曲線如圖10所示，根據(jù)頭部合成加速度計(jì)算得到HIC值為267．56，較改進(jìn)優(yōu)化前的415下降了35．6%，頭部3 ms合成加速度也從改進(jìn)前的C－NACP測(cè)試項(xiàng)的得分為零到改進(jìn)優(yōu)化后的達(dá)標(biāo)，驗(yàn)證了改進(jìn)優(yōu)化方案的良好效果。

圖9 臺(tái)車碰撞試驗(yàn)

圖10 改進(jìn)前后假人頭部加速度合成曲線對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某SUV車輛乘員約束系統(tǒng)的改進(jìn)需要，基于方便實(shí)車改進(jìn)的原則，選取座椅前后及上下位置、D環(huán)上下位置和錨點(diǎn)上下位置等參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，采用正交化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，座椅的設(shè)計(jì)位置適當(dāng)前移并適當(dāng)提高，D環(huán)適當(dāng)上移調(diào)整，錨點(diǎn)適當(dāng)下移能在較大程度上降低乘員傷害指標(biāo)，達(dá)到改進(jìn)乘員約束系統(tǒng)的目的。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與試驗(yàn)相結(jié)合的方法來改進(jìn)車輛的乘員約束系統(tǒng)，能夠減少實(shí)車碰撞試驗(yàn)次數(shù)，有利于降低汽車的研發(fā)成本，縮短改進(jìn)周期。

［1］ 鐘志華，張維剛，曹立波，等．汽車碰撞安全技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［2］ 張學(xué)榮，劉學(xué)軍，陳曉東，等．正面碰撞安全帶約束系統(tǒng)開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證［J］．汽車工程，2007，29（12）：1055－1058．

［3］ 孫奕．汽車乘員約束系統(tǒng)碰撞安全性的數(shù)值模擬與匹配設(shè)計(jì)［D］．上海：上海交通大學(xué)，2004．

［4］ 鐘志華．汽車安全氣囊技術(shù)及其應(yīng)用［J］．中國(guó)機(jī)械工程，2000，11（1／2）：234－238．