唐友名,顏凌波，羅 騫,曹立波

(1.廈門理工學(xué)院，福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，廈門 361024；2.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410082)

正面碰撞中小身材女性駕乘人員損傷防護(hù)研究*

唐友名1,2,顏凌波2，羅 騫2,曹立波1,2

(1.廈門理工學(xué)院，福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，廈門 361024；2.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410082)

事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在碰撞事故中，約束系統(tǒng)對(duì)小身材女性乘員損傷的防護(hù)效果比男性差。本文旨在確定約束系統(tǒng)中對(duì)前排小身材女性駕乘人員的響應(yīng)有顯著影響的主要參數(shù)，并利用遺傳算法NSGA-II優(yōu)化約束系統(tǒng)，以提高其對(duì)小身材女性乘員的防護(hù)效果。結(jié)果表明，合理匹配約束系統(tǒng)參數(shù)可有效降低前排駕乘人員的頭部損傷，但對(duì)其胸部損傷的影響較小。駕駛員和前排乘員胸部損傷的主要來(lái)源分別為安全氣囊和安全帶載荷。參數(shù)優(yōu)化后，前排駕乘人員頭部和頸部損傷風(fēng)險(xiǎn)明顯降低，在歐洲NCAP測(cè)試中總評(píng)分提高37.3%。

女性乘員；正面碰撞；約束系統(tǒng)；遺傳算法

前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1996-2005年的汽車碰撞事故中，女性死亡人數(shù)約占全部死亡人數(shù)的32%，而男性死亡人數(shù)約占68%[1]。盡管死亡人數(shù)少，但在同類事故中女性乘員的死亡風(fēng)險(xiǎn)比男性乘員高出(22%±9%)[2]～(28%±3%)[3]。盡管有研究表明在致命事故或嚴(yán)重?fù)p傷的事故中，女性駕乘人員的安全帶佩戴率明顯高于男性[4-5]，但文獻(xiàn)[6]中通過(guò)分析碰撞事故中乘員的損傷數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在相似的碰撞事故中，佩戴三點(diǎn)式安全帶的女性駕駛員承受嚴(yán)重?fù)p傷的風(fēng)險(xiǎn)約比男性駕駛員高出47%。文獻(xiàn)[7]中分析了NASS-CDS數(shù)據(jù)，并得出結(jié)論，除了頭部和腹部外，女性乘員身體部位承受嚴(yán)重?fù)p傷的風(fēng)險(xiǎn)整體較高。

盡管對(duì)于小身材女性乘員損傷的關(guān)注已相當(dāng)明顯，但對(duì)提高小乘員損傷防護(hù)的研究并不多見(jiàn)。鑒于如今先進(jìn)的約束系統(tǒng)通常是基于中等身材的男性乘員設(shè)計(jì)的，亟需針對(duì)小身材女性乘員進(jìn)行約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)研究顯示，研究人員通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真研究了約束系統(tǒng)對(duì)不同身材乘員的保障效能，并得出結(jié)論，很難為不同身材的駕乘人員都提供理想的保護(hù)。文獻(xiàn)[8]中使用MADYMO軟件研究了針對(duì)50百分位男性乘員設(shè)計(jì)的約束系統(tǒng)對(duì)5百分位和95百分位男性乘員的保護(hù)效果。結(jié)果表明，調(diào)整安全氣囊泄氣孔的面積和安全帶限力值能夠避免95百分位乘員的二次碰撞，但對(duì)5百分位女性乘員和50百分位男性乘員的損傷防護(hù)效果將惡化。文獻(xiàn)[9]中研究了50km/h正面碰撞下，轉(zhuǎn)向管柱角度、安全帶限力值、安全氣囊起爆時(shí)間和泄氣孔面積對(duì)5百分位女性假人響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，在同一車輛的正面碰撞工況下，女性駕駛員的損傷比50百分位男性乘員的損傷更為嚴(yán)重，且較早的安全氣囊起爆時(shí)間和較大的泄氣孔面積可減小女性駕駛員的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

各國(guó)不斷地更新各自的新車評(píng)價(jià)測(cè)試程序和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[10]。自2010年起，US-NCAP使用混III第5百分位女性假人來(lái)評(píng)價(jià)碰撞試驗(yàn)中前排乘員的安全性。2013年，K-NCAP決定使用混III第5百分位女性假人評(píng)價(jià)正面碰撞試驗(yàn)中汽車的安全性[11]。2014年，歐洲NCAP在成年乘員保護(hù)評(píng)估中加入了正面全寬碰撞試驗(yàn)，并于2015年開始實(shí)行[12]。在全寬正面碰撞中，歐洲NCAP使用兩個(gè)5百分位女性假人進(jìn)行評(píng)價(jià)，一個(gè)安放在駕駛員位置，另一個(gè)安放在后排座椅位置。為確保約束系統(tǒng)為所有駕乘人員提供相似的保護(hù)水平，前排乘員的得分(制造商提供的數(shù)據(jù))不能低于駕駛員總分的90%。當(dāng)不能滿足該要求時(shí)，前排得分將采用駕駛員和前排乘員得分最差的身體部位進(jìn)行評(píng)估。表1為Euro-NCAP全寬正面碰撞的基本評(píng)估指標(biāo)及其上下限。當(dāng)一個(gè)身體區(qū)域存在多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，采用得分最低的參數(shù)確定該身體區(qū)域的得分[13]。

小身材女性乘員存在較高的嚴(yán)重傷害風(fēng)險(xiǎn)和死亡風(fēng)險(xiǎn)，且混III第5百分位女性假人已被用于各國(guó)新車正面碰撞安全性能的評(píng)價(jià)。但在提高小身材女性乘員損傷防護(hù)效果方面的研究還很不夠。

表1 Euro-NCAP全寬正面碰撞試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其上下限

因此，本研究的目的是確定約束系統(tǒng)中對(duì)前排小身材女性乘員的響應(yīng)有顯著影響的主要參數(shù)，并基于歐洲NCAP評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用優(yōu)化方法提高約束系統(tǒng)對(duì)小身材女性乘員的損傷防護(hù)效果。

1 模型的建立和驗(yàn)證

本文中建立了駕駛員側(cè)和前排乘員的多剛體正面碰撞模型。兩個(gè)碰撞模型基于同一汽車建立。正面碰撞模型中采用了由有限元和MADYMO單元組合成的混合安全帶模型。這種安全帶模型可有效模似腰帶和肩帶在帶扣處的滑動(dòng)，且模型中添加了力-輸出特性以模擬卷收器的卷收效果。

為驗(yàn)證模型的有效性，根據(jù)歐洲NCAP進(jìn)行了車速50km/h的全寬正面碰撞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)混III第5百分位女性假人，座椅被調(diào)節(jié)到最前端，兩車加速度波形分別如圖1和圖2所示。駕駛員側(cè)的安全氣囊在18ms左右起爆，約23ms與駕駛員發(fā)生接觸。乘員側(cè)的安全氣囊在20ms起爆，并于43ms左右與乘員接觸。由圖1和圖2可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)和仿真的輸出相似，駕駛員和乘員側(cè)模型與碰撞實(shí)驗(yàn)相關(guān)性分析(CORA)的平均得分分別達(dá)到了87.55%和91.86%。表2為實(shí)驗(yàn)與仿真中混III第5百分位假人的損傷值對(duì)比。除駕駛員的右大腿力峰值的相對(duì)誤差為10.31%外，其余部位損傷值的誤差均小于10%。駕駛員的右大腿力峰值的誤差可能是由于假人下肢在模型中的位置不同和仿真模型中缺乏加速踏板造成的。該右大腿力峰值遠(yuǎn)低于歐洲NCAP的高性能限值，因此可以接受。

圖1 實(shí)驗(yàn)與仿真中混III第5百分位女性駕駛員的響應(yīng)對(duì)比

圖2 實(shí)驗(yàn)與仿真中混III第5百分位女性乘員的響應(yīng)對(duì)比

指標(biāo)駕駛員前排乘員實(shí)驗(yàn)仿真相對(duì)誤差實(shí)驗(yàn)仿真相對(duì)誤差HIC1524732522201%31872975666%頭部3ms合成加速度H3ms/g49905061142%58535622395%胸部3ms加速度峰值C3ms/g51445036210%42114206012%盆骨加速度峰值/g53655301119%50964806569%左大腿力L＿FC/kN16541535719%20452112328%右大腿力R＿FC/kN213319131031%20202082307%

2 參數(shù)靈敏度分析

為確定對(duì)假人響應(yīng)有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)，利用兩個(gè)碰撞模型分別進(jìn)行了參數(shù)靈敏度分析。表3為輸入變量值。其中，氣體質(zhì)量流率是相對(duì)原始模型氣體質(zhì)量流率的倍數(shù)，D環(huán)摩擦因數(shù)、氣體質(zhì)量流率、安全氣囊泄氣孔面積和氣囊體積為連續(xù)值。分析過(guò)程中，采用拉丁方設(shè)計(jì)進(jìn)行均勻采樣，生成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表，并以表1中的評(píng)價(jià)指標(biāo)為輸出參數(shù)。

表3 參數(shù)靈敏度分析中研究的參數(shù)

根據(jù)輸入?yún)?shù)大小，將所有輸入?yún)?shù)分成兩個(gè)級(jí)別，分別為“高”和“低”。將所有實(shí)驗(yàn)分成兩個(gè)大小相等的組，并計(jì)算出這些數(shù)據(jù)的平均值，以查看輸入?yún)?shù)對(duì)輸出參數(shù)的影響。采用Student-t檢驗(yàn)檢測(cè)兩個(gè)組的平均值之間是否存在顯著差異，即檢測(cè)輸入?yún)?shù)對(duì)輸出參數(shù)是否有明顯影響；并利用兩個(gè)平均值的差值表示輸入因子對(duì)各輸出參數(shù)的影響。“+”代表正影響，“-”代表負(fù)影響，數(shù)值表示影響的水平。為對(duì)比不同損傷指標(biāo)所受的影響，所有仿真輸出均利用歐洲NCAP的低性能值進(jìn)行了正則化。

圖3為對(duì)駕駛員各部位響應(yīng)有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)。其中指標(biāo)HRaccP表示頭部合成加速度峰值。由圖可知，安全氣囊起爆時(shí)間對(duì)駕駛員頭部的影響最大，安全帶限力值是主要影響因素且對(duì)駕駛員全身各部位都有影響。較小的安全帶限力值可減小駕駛員頸部和胸部的損傷。推遲安全氣囊起爆時(shí)間，可有效減小駕駛員頭部損傷，但會(huì)使頸部張力增加?？傮w來(lái)看，頭部響應(yīng)主要受安全氣囊參數(shù)的影響，頸部和胸部響應(yīng)主要受安全帶參數(shù)的影響。在參數(shù)范圍內(nèi)，約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)駕駛員頭部的影響比對(duì)胸部和頸部的影響大。

圖3 對(duì)駕駛員響應(yīng)有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)(p<0.05)

圖4 對(duì)前排乘員響應(yīng)有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)(p<0.05)

圖4為對(duì)前排乘員各部位響應(yīng)有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(shù)。氣囊起爆時(shí)間是最主要的影響因素，并且對(duì)所有身體部位都有影響，其次是泄氣孔面積。較晚的安全氣囊起爆時(shí)間將增加頭部和胸部的損傷，減小頸部的彎矩。增加泄氣孔面積會(huì)降低頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)，增加乘員頸部剪切力和張力。整體而言，安全氣囊參數(shù)對(duì)乘員身體各部位響應(yīng)都有明顯的影響。對(duì)比駕駛員和前排乘員身體各部位響應(yīng)，乘員頭部和胸部的響應(yīng)較駕駛員小，而乘員頸部的響應(yīng)較駕駛員大。

3 約束系統(tǒng)優(yōu)化

僅當(dāng)約束系統(tǒng)的所有部件能完美匹配時(shí)，才能符合各類消費(fèi)者測(cè)試要求。因此，本文中對(duì)駕駛員和前排乘員兩個(gè)約束系統(tǒng)分別進(jìn)行了參數(shù)匹配。使用代理模型可減少計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化所需時(shí)間。根據(jù)上述靈敏度分析結(jié)果，將安全氣囊起爆時(shí)間、泄氣孔面積、安全帶限力值和預(yù)緊作用時(shí)間作為兩個(gè)約束系統(tǒng)參數(shù)匹配的優(yōu)化變量。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)與約束條件

表4為利用歐洲NCAP成年乘員保護(hù)法規(guī)對(duì)本文中前排乘員進(jìn)行的評(píng)分。由表可知，5百分位女性駕駛員的胸部壓縮量、前排乘員的頸部彎矩和胸部壓縮量失分嚴(yán)重。因此，將最小化胸部壓縮量作為駕駛員約束系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)：最小化胸部壓縮量和頸部彎矩(兩者等權(quán)重)作為前排乘員約束系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)。

式(1)為利用Euro-NCAP正面碰撞測(cè)試中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的下限定義的加權(quán)損傷指數(shù)(WIC)。

根據(jù)靈敏度分析，某些約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)身體區(qū)域的影響并不一致。例如較早的安全氣囊起爆時(shí)間，有利于乘員頸部的保護(hù)，但不利于乘員頭部的保護(hù)。優(yōu)化過(guò)程中可能出現(xiàn)頸部損傷得到改善，但乘員頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)急劇增加的情況。因此，在優(yōu)化過(guò)程中使WIC<1，防止此類情況的出現(xiàn)。

表4 基于Euro-NCAP正面碰撞實(shí)驗(yàn)的前排駕乘人員得分

(1)

Euro-NCAP的成年乘員保護(hù)條例中，當(dāng)頭部合成加速度峰值HRaccp超過(guò)80g時(shí)，說(shuō)明假人頭部發(fā)生了硬接觸；當(dāng)肩帶力超過(guò)6kN時(shí)，將扣除兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行懲罰[12]。這兩種情況都不利于乘員保護(hù)。因此，優(yōu)化過(guò)程中的約束條件為

(2)

3.2 響應(yīng)面和優(yōu)化結(jié)果

采用Kriging響應(yīng)面代理模型，選用拉丁超立方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在變量范圍內(nèi)隨機(jī)均勻取點(diǎn)，自動(dòng)生成一個(gè)包含輸入變量和輸出變量的表格。選擇50種組合，運(yùn)用軟件MODE-FRONTIER中的遺傳算法(NSGA-Ⅱ)進(jìn)行仿真。

為檢測(cè)響應(yīng)面的可靠性，將優(yōu)化獲得的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)輸入到MADYMO模型中進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。表5對(duì)比了真實(shí)仿真(MADYMO模型)和虛擬仿真(響應(yīng)面模型)的結(jié)果。真實(shí)仿真與虛擬仿真之間最大的相對(duì)誤差僅為7.49%，說(shuō)明創(chuàng)建的響應(yīng)面是可靠的。

表5 響應(yīng)面的相對(duì)誤差分析

表6為該約束系統(tǒng)根據(jù)Euro-NCAP全寬正面碰撞中前排乘員的評(píng)價(jià)指標(biāo)獲得的分?jǐn)?shù)。參數(shù)優(yōu)化后，前排駕乘人員的總得分增加了37.3%，說(shuō)明優(yōu)化后，約束系統(tǒng)為小身材女性乘員提供了更好的保護(hù)性能。其中，駕駛員的得分增加了3.8%，前排乘員得分增加了28.9%；前排乘員的頸部彎矩降到高性能值以下。駕駛員和前排乘客的胸部壓縮量分別減少了2.8和0.26mm。

表6 優(yōu)化后前排約束系統(tǒng)損傷防護(hù)評(píng)估

表7為優(yōu)化前后的約束系統(tǒng)參數(shù)。結(jié)合表4和表6可知，安全帶限力值減小，使駕駛員胸部壓縮量減小。增加泄氣孔面積，使右側(cè)小身材女性乘員的頸部彎矩明顯減小。對(duì)于駕駛員和前排乘員，胸部壓縮量都沒(méi)有明顯減小，該結(jié)果與參數(shù)靈敏度分析一致。

綜上所述，通過(guò)匹配安全帶限力值、預(yù)緊作用時(shí)間、泄氣孔面積和安全氣囊起爆時(shí)間，前排乘員頸部損傷明顯降低，但前排乘員胸部損傷的變化較小。Euro-NCAP規(guī)定碰撞過(guò)程中駕駛員的座椅應(yīng)位于其行程的最前端，這使駕駛員與安全氣囊的距離很小；由仿真動(dòng)畫可知，駕駛員與安全氣囊的接觸發(fā)生在氣囊起爆過(guò)程中，這使駕駛員胸部損傷嚴(yán)重。前排乘員與乘員側(cè)安全氣囊的距離較大，但是第5百分位女性乘員身材嬌小，碰撞過(guò)程中，安全氣囊主要作用于乘員頭部，對(duì)胸部的影響很小。文獻(xiàn)[14]中研究了正面碰撞事故數(shù)據(jù)，并對(duì)與胸部壓縮量有關(guān)的損傷進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)女性駕駛員胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)是男性胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)的1.77倍，前排女性乘員胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)是前排男性乘員的1.3倍。結(jié)合本文中優(yōu)化結(jié)果可得出結(jié)論，當(dāng)前的約束系統(tǒng)參數(shù)范圍不利于前排小身材乘員的胸部損傷防護(hù)，在后續(xù)的研究中應(yīng)關(guān)注小身材乘員胸部損傷防護(hù)。

表7 約束系統(tǒng)參數(shù)

4 結(jié)論

基于Euro-NCAP的法規(guī)流程模擬了50km/h的正面全寬碰撞工況下，駕駛員位置和副駕駛位置上混III第5百分位女性假人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過(guò)靈敏度分析確定了前排第5百分位女性乘員損傷的主要影響參數(shù)，并利用MODE-FRONTIER進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)論如下。

(1) 約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)前排駕乘人員頭頸部損傷有較大影響，對(duì)胸部響應(yīng)的影響較小。

(2) 對(duì)于前排駕乘人員，不同身體部位響應(yīng)的主要影響因素不同。安全帶參數(shù)對(duì)駕駛員頭部有明顯影響，但對(duì)乘員頭部影響較??；駕駛員頸部損傷主要受安全帶參數(shù)的影響，前排乘員頸部損傷主要受安全氣囊參數(shù)的影響。

(3) 合理匹配安全帶限力值、預(yù)緊作用時(shí)間、安全氣囊起爆時(shí)間以及泄氣孔面積可有效減小前排小身材乘員的頭頸部損傷。

(4) 當(dāng)前的約束系統(tǒng)參數(shù)范圍不利于前排小身材乘員的胸部損傷防護(hù)，在后續(xù)的工作中應(yīng)關(guān)注小身材乘員胸部的損傷防護(hù)研究。

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A Study on Injury Protection of Female Driver andOccupant with Small Stature in Frontal Crash

Tang Youming1,2, Yan Lingbo2, Luo Qian2& Cao Libo1,2

1.XiamenUniversityofTechnology,FujianCollaborativeInnovationCenterforR&DofCoachandSpecialVehicle,Xiamen361024;2.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

Accident statistical data indicate that the injury protection effects of restraint system on female occupants with small stature are poorer than that on male occupants. This paper aims to determine the main parameters of restraint system significantly affecting the responses of female driver and occupant with small stature in front row, and utilize genetic algorithm NSGA-II to optimize restraint system so as to enhance its injury protection effects on female occupants with small stature. The results show that the rational matching of restraint system parameters can effectively reduce the head injury of driver and occupant in front row but has relatively small effects on their chest injury. The main source of chest injury of driver and front row occupant is safety air bag and the load on safety belt respectively. After parameter optimization, the risks of head and chest injuries of driver and front row occupant significantly reduce with their overall score in E-NCAP test increases by 37.3%.

female occupants; frontal crash; restraint system; genetic algorithm

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51305374)、福建省高校杰出青年科研人才基金(JA14229)、福建省科技創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目(2016H2003)和廈門理工學(xué)院對(duì)外科技合作專項(xiàng)(E201400300)資助。

2016229

原稿收到日期為2016年5月13日。