文 華晨汽車工程研究院 王志濤，喬鑫，孔繁華

正面碰撞中的乘員約束系統(tǒng)仿真分析與驗(yàn)證

文 華晨汽車工程研究院 王志濤，喬鑫，孔繁華

本文通過對某華晨汽車自主開發(fā)車型進(jìn)行正面碰撞仿真分析，考察乘員在佩帶三點(diǎn)式安全帶條件下的運(yùn)動響應(yīng)和傷害情況。為減少車體變形對約束系統(tǒng)的影響，在車身結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與仿真對標(biāo)的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行乘員約束系統(tǒng)對標(biāo)。從車身的變形形態(tài)、乘員的運(yùn)動響應(yīng)、假人傷害值等幾個方面綜合評價乘員保護(hù)的碰撞安全性能，通過約束系統(tǒng)良好的對標(biāo)表現(xiàn)，分析出對正面碰撞乘員約束系統(tǒng)的影響因素。經(jīng)過驗(yàn)證表明，采用有限元的乘員約束系統(tǒng)碰撞仿真分析方法能較真實(shí)地反映出試驗(yàn)碰撞的狀況和結(jié)果，具有實(shí)際工程應(yīng)用價值，可用于后期的優(yōu)化工作。

有限元方法；正面碰撞；乘員約束系統(tǒng)；對標(biāo)；影響因素

1 引 言

汽車被動安全性研究中最直接的方法是進(jìn)行實(shí)車碰撞試驗(yàn)。但實(shí)車碰撞試驗(yàn)費(fèi)用昂貴、周期長、重復(fù)性差，不利于車型開發(fā)的成本和質(zhì)量控制。運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真分析模擬整車碰撞過程，不僅可以彌補(bǔ)上述缺陷，并且能夠在設(shè)計(jì)過程中、樣車完成前預(yù)測和優(yōu)化車輛的碰撞安全性能，指導(dǎo)汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)。

20世紀(jì)80年代后期，車輛碰撞的計(jì)算機(jī)模擬在汽車技術(shù)發(fā)達(dá)國家開始興起，基于高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及碰撞理論、材料理論、有限元理論、多剛體動力學(xué)系統(tǒng)等理論的發(fā)展完善而迅速發(fā)展。

國內(nèi)的車輛碰撞計(jì)算機(jī)模擬研究始于90年代中期。近30年來，整車及乘員約束子系統(tǒng)在碰撞條件下的CAE仿真分析取得很多成就。其中前10年是建模方法和基本應(yīng)用，而后17年是更廣泛的應(yīng)用和更復(fù)雜的分析。后17年的不足之處：①精度的提高有限，一些難題很少有進(jìn)展；②基本上仍然是驗(yàn)證性的實(shí)踐；③還很難做到預(yù)測計(jì)算[1-2]。

傳統(tǒng)上，正面碰撞的模擬已進(jìn)行使用了多體參數(shù)動力學(xué)軟件。但在這個過程中，多體不能完全被預(yù)測，要依賴于試驗(yàn)來調(diào)試CAE模型。它是用于目標(biāo)設(shè)置，碰撞后的調(diào)試，以及快速連續(xù)的比較。近些年，可預(yù)測有限元模擬軟件已成為一個不可或缺的工具，它是基于詳細(xì)的幾何和材料屬性零部件和系統(tǒng)的開發(fā)。這已經(jīng)能夠增加約束系統(tǒng)和假人的模擬精度。

目前，多體和有限元方法通常兩者都是并行使用，圖1展示了它們在系統(tǒng)調(diào)試到零部件開始如何關(guān)注于不同零件的范圍。它們之間的間隙表示在參數(shù)環(huán)境下復(fù)雜幾何的考慮[3]。

本文將FTSS的有限元假人引進(jìn)整車有限元模型中，使用LS-DYNA求解器進(jìn)行求解。考察在發(fā)生正面碰撞時，約束系統(tǒng)對乘員安全性能的保護(hù)，這樣就能更真實(shí)、完整地反映出碰撞時乘員的運(yùn)動響應(yīng)，從而做出更直觀、可靠的評價。

2 整車碰撞試驗(yàn)與仿真對標(biāo)

2.1 整車及車身局部變形對標(biāo)

圖2和3為整車試驗(yàn)與仿真分析的對比，結(jié)果顯示，在碰撞過程中，機(jī)蓋產(chǎn)生彎折，左前車門、A柱及門檻均未發(fā)生較大變形。兩者變形趨勢基本一致。

從試驗(yàn)和仿真車身局部細(xì)節(jié)表現(xiàn)來看，在左縱梁A和A′及右縱梁B和B′區(qū)域產(chǎn)生相同的彎曲變形。試驗(yàn)與仿真在結(jié)構(gòu)件的變形有較好的一致性，如圖4-7所示。

2.2 整車加速度對標(biāo)

通常試驗(yàn)與仿真中加速度傳感器布置均在車體左B柱下端位置，用該處的加速度作為評價整車的安全性能重要指標(biāo)之一。根據(jù)試驗(yàn)與仿真加速度的對比，兩者的峰值大小和時刻吻合度都較好，如圖8所示。

從圖8的曲線可以看出：

(1) 在整車碰撞過程中，前橫梁碰撞性能是比較關(guān)鍵的。通過對前橫梁剛度的控制，在0-12ms時間段的峰值大小能夠與試驗(yàn)較為接近，趨勢基本一致。

(2) 吸能盒和前縱梁的變形模式與試驗(yàn)狀態(tài)基本一致。在12-30ms時間段，加速度波形的走勢與試驗(yàn)狀態(tài)較為接近。

(3) 副車架材料失效都發(fā)生在螺栓位置，通過設(shè)置該結(jié)構(gòu)的失效時刻，在35ms-50ms的峰值仍有差異，但趨勢是一致的。造成差異的因素其主要有二個，其一是失效時間，通過手動去調(diào)整的失效時間來得到與試驗(yàn)接近的結(jié)果；其二是失效的方式，試驗(yàn)中，材料的失效方式都是發(fā)生在懸置支架上，它可以持續(xù)一段時間，而在仿真中，模型只能設(shè)置的失效方式是發(fā)生在一瞬間，兩者有所區(qū)別[4]。

為了便于觀察整車運(yùn)動響應(yīng)，在試驗(yàn)與仿真相同的位置布置加速度傳感器，位置分別是變速器上部及中央通道后部。通過試驗(yàn)與仿真前部和后部的加速度對比可知，兩個位置的運(yùn)動趨勢基本一致，加速度吻合較好，如圖9-10所示。

綜上所述，基于現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)與仿真對標(biāo)的一致性較高，為約束系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

3 整車正面碰撞約束系統(tǒng)模型的建立

有限元假人約束系統(tǒng)的模型是在整車結(jié)構(gòu)對標(biāo)基礎(chǔ)上完成，增加駕駛員側(cè)與乘員側(cè)的假人和安全氣囊，定義安全帶及其附件，如織帶的剛度、預(yù)緊特性、卷收器的卷軸特性、限力特性參數(shù)和滑環(huán)等，如圖11-16所示，這些數(shù)據(jù)是由供應(yīng)商提供，并完善轉(zhuǎn)向管柱、方向盤、儀表板、氣囊模塊、踏板和風(fēng)擋玻璃等部件，以適用于約束系統(tǒng)分析。

根據(jù)供應(yīng)商提供的安全氣囊尺寸參數(shù)、物理參數(shù)、氣囊起爆時間及氣囊的壓力隨時間曲線，建立LS-DYNA環(huán)境下的安全氣囊。將氣囊縮放到合適的大小并安裝在模型中，然后定義氣囊的參考幾何，從而保證氣囊起爆后的幾何尺寸，如圖17和18所示。

該車型使用LS-DYNA中的HYBRID_JETTING氣囊關(guān)鍵字，HYBRID氣囊最多允許同時充入8種氣體，分別定義每種氣體的充入質(zhì)量流曲線，定義泄氣孔面積，定義外部環(huán)境的壓力、溫度、密度，定義氣體發(fā)生器的噴射方向及角度等，如圖19-20所示[5]。

駕駛員側(cè)氣囊和乘員側(cè)氣囊使用同一種方法計(jì)算，分別根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整質(zhì)量流曲線和泄氣孔面積。

4 有限元的乘員約束系統(tǒng)仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

在整車碰撞對標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元假人約束系統(tǒng)的分析，考察約束系統(tǒng)對乘員的傷害情況。經(jīng)CAE分析得出，假人胸部傷害過大，主要原因是假人與方向盤距離太近，導(dǎo)致與安全氣囊過早接觸。但由于結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本定型，改變假人與轉(zhuǎn)向盤的距離困難比較大。因此，從削弱假人與氣囊的接觸這個方向進(jìn)行考慮。根據(jù)以上思路制定以下初步方案：①增強(qiáng)安全帶的預(yù)緊效果，減少假人在碰撞初期向前的位移量；②安全帶及安全氣囊的點(diǎn)火時間提前；③降低安全氣囊質(zhì)量流動率曲線，減少氣囊對胸部的沖擊；④保證可壓潰式轉(zhuǎn)向管柱正常工作，緩和氣囊對胸部的沖擊。

按照上述初步方案中的措施，驗(yàn)證方案的效果。通過對比仿真計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該方案對減小假人胸部壓加速度的效果還是比較明顯的。

在CAE分析改進(jìn)的同時，試驗(yàn)的約束系統(tǒng)匹配也在進(jìn)行。CAE工程師將改進(jìn)方案反饋給設(shè)計(jì)部門，經(jīng)各專業(yè)部門的溝通與討論后，確定該方案的實(shí)施，需進(jìn)行仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 駕駛員側(cè)和乘員側(cè)假人對標(biāo)

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力學(xué)響應(yīng)特性必須與試驗(yàn)所得的動力學(xué)響應(yīng)特性進(jìn)行對比，以驗(yàn)證整個模型的可靠性。仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)碰撞的假人頭部加速度、胸部加速度對比，如圖21-23所示[6]。

從駕駛員側(cè)頭部、胸部的加速度分析，試驗(yàn)與仿真的變化趨勢一致，峰值大小分別相差8g和5g，原因是安全氣囊的壓力和安全帶的織帶特性對假人頭部傷害以及軀干運(yùn)動姿態(tài)的影響最大。而乘員側(cè)的加速度與駕駛員側(cè)運(yùn)動趨勢一致，峰值大小相差7g，原因同駕駛員側(cè)一樣[7]。

分別對試驗(yàn)和仿真計(jì)算的假人頭部加速度、胸部加速度進(jìn)行對比，如表1、表2及表3所示，結(jié)果表明計(jì)算誤差都在10%以內(nèi)，仿真模型具有較高的逼真度。

表1 駕駛員側(cè)頭部加速度對比

表2 駕駛員側(cè)胸部加速度對比

表3 乘員側(cè)胸部加速度對比

4.2 假人運(yùn)動姿態(tài)對標(biāo)

李占雷(2014)認(rèn)為供應(yīng)鏈?zhǔn)菫榱藢?shí)現(xiàn)全鏈價值的提升。整合全鏈資源，幫助節(jié)點(diǎn)上的企業(yè)融資。表現(xiàn)出是一種金融產(chǎn)品、市場等的特點(diǎn)。

在整個碰撞過程中，有限元的假人運(yùn)動都受到了約束系統(tǒng)較好的控制。為便于觀察假人碰撞保護(hù)的全過程，分別對39ms、48ms、60ms和81ms的運(yùn)動軌跡來分析假人運(yùn)動姿態(tài)。從這4個時刻來看，試驗(yàn)與仿真的假人與安全氣囊接觸時刻以及假人的運(yùn)動姿態(tài)都基本一致，驗(yàn)證了仿真模型的有效性，如圖24-27所示。

表4 試驗(yàn)與仿真假人傷害值對比情況

按照法規(guī)要求所考察的指標(biāo)，通過后處理軟件計(jì)算獲得了商業(yè)假人的傷害值，具體指標(biāo)是指頭部與胸部的加速度、頭部傷害指數(shù)HIC、胸部性能指標(biāo)THPC、大腿性能指標(biāo)FPC，及小腿性能指標(biāo)，試驗(yàn)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對比如表4所示。通過兩者對比發(fā)現(xiàn)，分析結(jié)果較為接近。

由表4和圖28可知，試驗(yàn)與仿真的胸部和小腿得分存在較小差異。引起胸部差異的原因是安全帶限力值和預(yù)緊器參數(shù)不同；而引起小腿的差異是儀表板的剛度所致。從兩者正面碰撞的傷害值得分表明，計(jì)算誤差都在6%以內(nèi)，仿真模型具有較高的可信度。

綜上所述，在約束系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時，正面碰撞假人得分能夠滿足C-NCAP四星目標(biāo)要求，可作為后期約束系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)。

4.3 影響正面碰撞乘員約束系統(tǒng)的對標(biāo)因素

通過調(diào)試約束系統(tǒng)的對標(biāo)模型發(fā)現(xiàn)，與假人接觸的零件較多，約束系統(tǒng)對周圍的環(huán)境較為敏感，任何區(qū)域的疏忽和處理不合理，都能影響約束系統(tǒng)的對標(biāo)失敗，模型調(diào)試過程中涉及到修改的參數(shù)如下：

(1) 在車身結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與仿真的對標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)行約束系統(tǒng)對標(biāo)，減少結(jié)構(gòu)件變形對約束系統(tǒng)的影響。

(3) 增加氣囊拉帶長度使假人頭部與氣囊的接觸時間和試驗(yàn)一致。

(4) 座椅的形狀和剛度會影響假人的運(yùn)動。

(5) 小幅度調(diào)整假人小腿和腳的位置。

(6) 儀表板和空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部零件的缺失，僅有表面，要表現(xiàn)內(nèi)部特征較為困難，因此該區(qū)域剛度表現(xiàn)不真實(shí)，通過調(diào)整殼單元的厚度來增大剛度，這些都會影響腿部對標(biāo)精度。

(7) 調(diào)整滑環(huán)單元的摩擦系數(shù)，從而優(yōu)化安全帶的力。

(8) 優(yōu)化了預(yù)緊裝置的峰值力和卷收器的鎖止長度。

5 結(jié) 語

(1) 基于車身結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)與仿真對標(biāo)結(jié)果，可減少車體變形對約束系統(tǒng)的影響，使有限元的乘員約束系統(tǒng)對標(biāo)更合理、更有效。

(2) 通過仿真與試驗(yàn)對比，采用有限元的乘員約束系統(tǒng)數(shù)值模擬方法，能較真實(shí)地反映出試驗(yàn)碰撞過程，具有較好的實(shí)際工程應(yīng)用價值。

(3) 通過約束系統(tǒng)良好的對標(biāo)情況，得出對正面碰撞乘員約束系統(tǒng)的影響因素，然后利用相關(guān)零部件試驗(yàn)，進(jìn)行零部件的對標(biāo)，使約束系統(tǒng)的試驗(yàn)與仿真對標(biāo)更精確。

(4) 采用有限元的乘員約束系統(tǒng)可以很好地預(yù)測和評估車身結(jié)構(gòu)的抗撞性、人體的傷害指標(biāo)，極大的減少了實(shí)車碰撞試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)約大量研發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，對設(shè)計(jì)具有重要意義。

致謝

感謝華晨汽車工程研究院從事碰撞CAE分析和試驗(yàn)的同事提供幫助和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使本論文得以順利完成。

1 王宏雁,肖凡,帶乘員及約束系統(tǒng)汽車正面碰撞的有限元法仿真研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2004(4).

2 吳沈榮,汽車碰撞仿真分析理論與技術(shù),恒士達(dá)培訓(xùn),2012.

3 Richard brown, David Coleman, Ian Bruce, Simplified FE Simulation of Frontal Occupant Restraint Systems [J], 7th European LS-DYNA Conference.

4 王志濤, XX車型正面碰撞仿真與試驗(yàn)對標(biāo)分析報(bào)告[R]. 華晨汽車工程研究院,2012.

5 LS-DYNA KEYWORD USER’S MANUAL [M]. May 2007 Version 971. Livemore Software Technology Corporation, 2011

6 曹立波,喻偉雄,白中浩,蔣彬輝,吳俊,基于正面碰撞防護(hù)的SUV車輛乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化[J]. 中國機(jī)械工程2011(3).

7 XX車型正面碰撞CAE項(xiàng)目分析報(bào)告[R]. 華晨汽車工程研究院,2012(3)