田國紅，齊登科，孫立國，王吉成

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州121000）

生活中最常見的交通事故之一是100%正面碰撞，且汽車正面碰撞事故造成的死亡人數(shù)也是最多的，因此汽車正面碰撞中駕駛員側(cè)和乘員側(cè)傷害值的研究是被動安全性研究的主要研究內(nèi)容。目前各主要汽車生產(chǎn)國制定了嚴(yán)格的碰撞安全法規(guī)，我國也在2000年實(shí)施了“關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計規(guī)劃（CMVDR294）”。除了各個國家制定的嚴(yán)格法規(guī)，各大汽車生產(chǎn)廠商也制定了行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)NCAP（新車評價標(biāo)準(zhǔn)），我國于2006年由中國汽車技術(shù)研究中心正式建立了C-NCAP。

汽車碰撞安全研究的最終目的是要在發(fā)生碰撞事故時保護(hù)乘員安全，約束系統(tǒng)是汽車碰撞乘員保護(hù)的重要裝置。本文是通過某車型實(shí)車正面碰撞試驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合MADYMO軟建立約束系統(tǒng)模型并進(jìn)行求解，在經(jīng)過仿真數(shù)據(jù)分析，驗證模型的有效性，為后續(xù)的汽車約束系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)提供支持。

1 模型建立

本文采用MADYMO軟件建立汽車前碰撞乘員約束系統(tǒng)仿真分析模型，包括駕駛室有限元模型、安全帶模型、安全氣囊有限元模型和HybridⅢ橢球體假人模型。為了較真實(shí)仿真汽車正碰，駕駛室模型是根據(jù)車輛實(shí)際尺寸來構(gòu)建的有限元模型，由地板、儀表板、風(fēng)窗玻璃、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向盤、踏板和座椅等組成，另外還增加了左側(cè)部分部件；安全帶模型采用多剛體和有限元結(jié)合的方法模擬，模型中還包括卷收器、限力器和預(yù)緊器，根據(jù)實(shí)際情況定義限力器的大小和預(yù)緊器的預(yù)緊時間以及與假人之間的接觸等；假人模型采用50百分位的HybridⅢ模型，假人以正常姿態(tài)坐于駕駛室中；安全氣囊采用有限元模型和均勻壓力算法展開。

初始模型的安全帶限力器限力值為3.5kN，安全帶預(yù)緊器的預(yù)緊長度為110mm；安全氣囊直徑650mm，拉帶210mm，泄氣空直徑為25mm，體積約48L。建立的數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

圖1 正面碰撞MADYMO模型

通過真實(shí)汽車的正面碰撞獲得B柱的加速度曲線，正面碰撞一般把實(shí)車的B柱減速度曲線作為仿真模型中的脈沖函數(shù)如圖2所示。

圖2 B柱下端減速度曲線

2 正面碰撞試驗方法

《GB11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》規(guī)定了車輛的正面碰撞時前排乘員保護(hù)的技術(shù)要求和試驗方法。要求試驗車輛在每個前排外側(cè)座椅上安放一個HybridⅢ技術(shù)要求且滿足相應(yīng)調(diào)整要求的假人，用以測量前排人員受傷害情況。以一定速度撞擊由鋼筋混泥土制成的壁障，壁障前表面應(yīng)鉛垂，其法線應(yīng)與車輛直線行駛方向成0°夾角，且壁障表面應(yīng)覆以2cm厚、狀態(tài)良好的膠合板。在碰撞瞬間速度應(yīng)為50-2km/h（試驗速度不高于50km/h）。圖3所示為正面剛性壁碰撞示意圖。

圖3 正面剛性壁碰撞示意圖

將傳感器安裝在需要測量加速度、變形量等數(shù)據(jù)的地方采集數(shù)據(jù)，通過了解側(cè)碰假人各傳感器的安裝位置，并結(jié)合試驗錄像和試驗數(shù)據(jù)，可以對假人在試驗中的運(yùn)動形態(tài)態(tài)進(jìn)行分析，得出假人的傷害情況。

3 仿真結(jié)果分析

對仿真模型進(jìn)行求解計算，從結(jié)果文件中輸出假人頭部加速度、頸部力和力矩、胸部加速度、胸部壓縮量及駕駛員安全帶力和大腿受力等主要數(shù)據(jù)和真實(shí)碰撞數(shù)據(jù)對比，仿真與試驗輸出結(jié)果如圖4a～4e所示。

由圖4對比發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果在趨勢和峰值出現(xiàn)的時刻基本上都與試驗結(jié)果相符。假人頭部傷害值HIC為680，和試驗值的660幾乎吻合；頸部損力、胸部加速度、胸部壓縮量與試驗值具有較好的吻合度度，大腿受力的仿真值出現(xiàn)一個較大峰值，可能原因為前圍板侵入量大造成的?？傮w來看，仿真模型是有效性的，可用于進(jìn)一步的仿真優(yōu)化。

另外對上面的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)此車型在正面碰撞中各個部位的得分中假人頭部、頸部、大腿、胸部加速度及胸部黏性響應(yīng)都符合損傷標(biāo)準(zhǔn)，說明實(shí)車試驗和仿真模型對假人的傷害程度都沒有超過規(guī)定的范圍。

圖4 仿真與試驗輸出結(jié)果

4 結(jié)語

一個良好的MADYMO模型能如實(shí)地反映整個碰撞的物理過程和假人的響應(yīng)情況，本文以某實(shí)車碰撞試驗為基礎(chǔ)，結(jié)合軟件MADYMO建立約束系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行求解，通過分析對比仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)，MADYMO模型的計算結(jié)果的變化趨勢與實(shí)驗結(jié)果基本吻合，得出此仿真模型的有效性和約束系統(tǒng)對假人具有一定的保護(hù)作用。在碰撞過程中，假人身體各部位自下而上與車體以及約束系統(tǒng)逐步發(fā)生接觸，力和加速度信號的起始時刻是對碰撞過程的直接反映。同時，利用MADYMO軟件仿真是重要的設(shè)計手段，減少了加速度滑臺實(shí)驗次數(shù)，大大降低了實(shí)驗成本和提高了研發(fā)周期。為進(jìn)一步進(jìn)行安全氣囊及安全帶的后續(xù)優(yōu)化的研發(fā)而進(jìn)一步降低乘員傷害指，具有指導(dǎo)意義。

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