鈕嘉穎，丁玲，王星磊，王恒，詹陽(yáng)普，萬(wàn)焱（東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心車(chē)身部，武漢，430058）

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不同安全帶配置和參數(shù)對(duì)正碰假人傷害值的影響研究

鈕嘉穎，丁玲，王星磊，王恒，詹陽(yáng)普，萬(wàn)焱
（東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心車(chē)身部，武漢，430058）

摘 要：安全帶的配置和參數(shù)是影響安全帶性能的主要因素。本文利用MADYMO 仿真分析工具，得出了某車(chē)型在正面100%重疊剛性壁障碰撞中預(yù)緊器的點(diǎn)火時(shí)刻、限力器的限力值對(duì)約束系統(tǒng)性能、前排假人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和傷害值的影響。同時(shí)利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法和極差分析法，優(yōu)化了某車(chē)型的安全帶配置和參數(shù)。通過(guò)整車(chē)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化后的配置和參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后前排假人各部位的傷害值不同程度地降低，主駕假人的WIC減小了5.42%，乘客假人的WIC減小了39.07%，約束系統(tǒng)的整體性能得到了有效的提升。

關(guān)鍵詞：安全帶；前排假人傷害值；優(yōu)化設(shè)計(jì)

鈕嘉穎畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，碩士研究生學(xué)歷，東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心，責(zé)任工程師，主要研究方向?yàn)槌藛T保護(hù)系統(tǒng)和兒童安全防護(hù)、安全標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，曾發(fā)表EI期刊1篇，EI會(huì)議1篇。

1　前言

目前汽車(chē)安全帶約束系統(tǒng)是最有效的乘員保護(hù)系統(tǒng)之一[1]，當(dāng)車(chē)輛發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞時(shí)，車(chē)身劇烈減速，而由于慣性，駕駛員和乘員的身體仍以原速度向前移動(dòng)，此時(shí)安全帶作用在于約束住駕乘者的身體，同時(shí)吸收部分沖擊能量，防止二次傷害。安全帶約束系統(tǒng)對(duì)乘員的保護(hù)效果受到很多因素的影響，其中包括車(chē)身的結(jié)構(gòu)和性能、座椅的結(jié)構(gòu)和剛度、安全帶的布置位置、安全帶系統(tǒng)的性能參數(shù)等。為了改善乘員的傷害值，在安全帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合目標(biāo)車(chē)型選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案至關(guān)重要。

2　安全帶的配置選擇和優(yōu)化

2.1 配置選擇

按照對(duì)標(biāo)競(jìng)品車(chē)型，某車(chē)型安全帶配置初定為主駕側(cè)預(yù)緊限力式安全帶，乘客側(cè)單限力式安全帶。經(jīng)過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，如表1所示，在正面100%重疊剛性壁障碰撞中，主駕假人和乘客假人的胸部變 形量 分 別 為 26.93 mm和 31.51 mm，根 據(jù)CNCAP評(píng)價(jià)體系，均已超出高性能限值，需要優(yōu)化。所以，擬通過(guò)仿真研究不同安全帶配置和參數(shù)對(duì)假人各部位傷害值的影響，并選擇最優(yōu)的配置參數(shù)方案。

2.2 配置優(yōu)化

2.2.1 車(chē)體模型建立

根據(jù)C-NCAP要求，運(yùn)用MADYMO建立某車(chē)型正面100%重疊剛性壁障碰撞仿真模型，主駕和乘客采用HybridⅢ型第50百分位男性假人，如圖1.1和1.2所示。將實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)測(cè)得的加速度波形作為模型的加速度場(chǎng)，如圖2.1和2.2所示，通過(guò)MOTION.JOINT_ACC將左下B柱加速度波形加載到主駕的車(chē)體模型上，將右下B柱加速度波形加載到乘客的車(chē)體模型上，車(chē)體和假人定義50 km/h的初速度。

圖1.1　主駕正碰仿真模型

圖1.2　乘客正碰仿真模型

圖2.1　實(shí)車(chē)碰撞左下B柱加速度波形

表1　正碰中主駕和乘客假人傷害指標(biāo)

圖2.2　實(shí)車(chē)碰撞右下B柱加速度波形

2.2.2 仿真分析

圖3.1-3.7為3種不同安全帶配置下，主駕假人頭部、胸部、頸部、大腿各個(gè)部位的響應(yīng)曲線(xiàn)。主駕安全帶的3種配置分別為：1.雙預(yù)緊（端片預(yù)緊+卷收器預(yù)緊）限力式；2.單預(yù)緊（卷收器預(yù)緊）限力式；3.單限力式。

圖3.1　不同配置主駕假人頭部合成加速度曲線(xiàn)

圖3.2　不同配置主駕假人胸部合成加速度曲線(xiàn)

圖3.3　不同配置主駕假人胸部壓縮量曲線(xiàn)

圖3.4　不同配置主駕假人頸部剪切力曲線(xiàn)

圖3.5　不同配置主駕假人頸部伸張力矩曲線(xiàn)

圖3.6　不同配置主駕假人左大腿壓縮力曲線(xiàn)

圖3.7　不同配置主駕假人右大腿壓縮力曲線(xiàn)

圖3中，從假人身體各部位的傷害值曲線(xiàn)可以看出，配置雙預(yù)緊限力式安全帶的第一個(gè)峰值最早出現(xiàn)，其次是單預(yù)緊限力式安全帶，單限力式的第一個(gè)峰值最晚出現(xiàn)，而且配備預(yù)緊限力式安全帶的第一個(gè)波峰明顯大于單限力式安全帶的第一個(gè)波峰。這是因?yàn)榘踩珟ьA(yù)緊器可以有效地提高約束系統(tǒng)的初始剛度，能夠在碰撞過(guò)程中提早對(duì)乘員的約束，在碰撞前給乘員一個(gè)向后的拉力，消除了織帶與乘員身體之間以及身體與座椅之間的間隙，從而使織帶約束乘員的時(shí)間提前。而對(duì)于假人的腿部，僅配置雙預(yù)緊限力式安全帶的假人左腿力曲線(xiàn)出現(xiàn)了一個(gè)小的正值波峰，這是因?yàn)槲挥诩偃俗蟛康亩似A(yù)緊器能在碰撞之前給假人骨盆處一個(gè)向后的拉力，所以假人的大腿受到拉伸，而卷收器預(yù)緊主要對(duì)假人的上部軀干產(chǎn)生一個(gè)向后的約束力。

同時(shí)，配置雙預(yù)緊限力式安全帶的最大峰值最晚出現(xiàn)，其次是單預(yù)緊限力式安全帶，單限力式的最大峰值最早出現(xiàn)，這是因?yàn)轭A(yù)緊器使乘員對(duì)碰撞的響應(yīng)時(shí)間提前，增大乘員的有效移動(dòng)空間，使得乘員與車(chē)身、內(nèi)飾和安全氣囊的接觸時(shí)間推遲，傷害值更晚地達(dá)到峰值，而且頭部合成加速度、胸部合成加速度、胸部壓縮量、左大腿力、右大腿力都有明顯地降低。

從右部大腿力的曲線(xiàn)可以看出，預(yù)緊限力式安全帶有效地避免乘員與車(chē)內(nèi)內(nèi)飾，如轉(zhuǎn)向盤(pán)、儀表板等發(fā)生碰撞[2]，單限力式安全帶的限力器使用雖然能減小安全帶對(duì)乘員胸部的載荷，但同時(shí)也造成乘員上軀干的較大前移量，使乘員右部大腿撞擊儀表板，導(dǎo)致腿部壓縮力達(dá)到7.46 KN，從而扣分嚴(yán)重。

但是頸部的剪切力和力矩，配置預(yù)緊限力式安全帶的假人傷害值，略微大于配置單限力式安全帶的假人傷害值。這是因?yàn)轭A(yù)緊器有效地提高了約束系統(tǒng)的初始剛度，而安全帶主要對(duì)假人的軀干產(chǎn)生約束，所有配置下初始假人頭部向前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致，接著由于預(yù)緊式安全帶相較于單限力式而言，對(duì)假人軀干的約束在相同前向位移下前者約束剛度更大，而假人頸部依舊保持原有運(yùn)動(dòng)速度，所以頸部受到了更大的剪切力，達(dá)到限力域值后在限力器作用下，限制了頭頸部的旋向運(yùn)動(dòng)速度，故假人的軀干和頭部的傷害值減小了，而假人頸部的傷害值增大了。

綜上所述，主駕側(cè)安全帶配置選擇雙預(yù)緊限力式安全帶，可以得到最優(yōu)的性能。

圖4.1-4.7為3種不同安全帶配置下，乘客假人頭部、胸部、頸部、大腿各個(gè)部位的響應(yīng)曲線(xiàn)。乘客安全帶的3種配置分別為：1.預(yù)緊（卷收器預(yù)緊）限力式；2.單限力式；3.普通三點(diǎn)緊急鎖止式。

圖4.1　不同配置乘客假人頭部合成加速度曲線(xiàn)

圖4.2　不同配置乘客假人胸部合成加速度曲線(xiàn)

圖4.3　不同配置乘客假人胸部壓縮量曲線(xiàn)

圖4.4　不同配置乘客假人頸部剪切力曲線(xiàn)

圖4.5　不同配置乘客假人頸部伸張力矩曲線(xiàn)

圖4.6　不同配置乘客假人左大腿壓縮力曲線(xiàn)

圖4.7　不同配置乘客假人右大腿壓縮力曲線(xiàn)

圖4中，從假人身體各部位的傷害值曲線(xiàn)可以看出，對(duì)于乘員而言，相比于普通安全帶，預(yù)緊限力式安全帶使假人各部位的傷害值均顯著降低，總體來(lái)說(shuō)，在整個(gè)碰撞過(guò)程中，配置預(yù)緊限力式安全帶的假人受力更加恒定，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，所受的運(yùn)動(dòng)加速度趨于恒值，與車(chē)身和內(nèi)飾沒(méi)有嚴(yán)重的撞擊[3]。

而且預(yù)緊器明顯增加了約束系統(tǒng)的初始剛度[4]，出現(xiàn)了較為明顯的第一波峰，或者第一波峰出現(xiàn)的較早，使乘員對(duì)碰撞的響應(yīng)時(shí)間提前。

而單限力式安全帶相比于普通三點(diǎn)緊急鎖止式安全帶，乘員的頭部、胸部、頸部的傷害值均有一定程度的減小，但乘員腿部的傷害值幾乎沒(méi)有優(yōu)化，這是因?yàn)橄蘖ζ髦饕饔糜诔藛T的胸部，使織帶對(duì)胸部施加恒力，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的載荷。所以對(duì)乘員上半身的約束狀態(tài)有所優(yōu)化，而對(duì)腿部沒(méi)有明顯的作用。

綜上所述，乘客側(cè)安全帶配置選擇預(yù)緊限力式安全帶，可以得到最優(yōu)的性能。

3　安全帶系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

影響安全帶系統(tǒng)對(duì)乘員約束效果的因素很多，其中包括卷收器、織帶、預(yù)張緊器、載荷限力器、安全帶固定點(diǎn)位置等，還與所裝車(chē)輛的剛度、結(jié)構(gòu)以及尺寸等因素有關(guān)。安全帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)配合具體所裝車(chē)型，優(yōu)化各影響因素的參數(shù)，才能得到最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 參數(shù)及范圍確定

加權(quán)傷害準(zhǔn)則WIC(Weighted Injury Criterion)是美國(guó)通用公司為了評(píng)價(jià)約束系統(tǒng)的整體性能，提出的一種傷害評(píng)價(jià)方法[5]。具體方法為引入加權(quán)因子，將各項(xiàng)傷害指標(biāo)（HIC36、胸部3ms合成加速度、胸部壓縮量以及大腿壓縮力）用加權(quán)的方法綜合起來(lái)計(jì)算，得到傷害評(píng)估值WIC。

WIC值越低，約束系統(tǒng)的保護(hù)性能越好。為此，選擇WIC 值作為優(yōu)化目標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)安全帶影響較大的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

式（1）中每項(xiàng)指標(biāo)前的加權(quán)系數(shù)表明了該種傷害類(lèi)型的重要程度，重要程度來(lái)自于對(duì)大量事故的統(tǒng)計(jì)分析。

影響安全帶性能的設(shè)計(jì)參數(shù)包括安全帶預(yù)緊點(diǎn)火時(shí)間、織帶延伸率、限力值、恒力作用下織帶的拉出長(zhǎng)度、初始松弛量等[6]。根據(jù)安全帶的特點(diǎn)和實(shí)際情況，選擇安全帶預(yù)緊點(diǎn)火時(shí)間、限力值2個(gè)參數(shù)對(duì)安全帶設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)車(chē)體的空間和經(jīng)驗(yàn)值確定2個(gè)參數(shù)的變化范圍如下表2所列：

表2　安全帶設(shè)計(jì)參數(shù)變化范圍

3.2 正交試驗(yàn)法

根據(jù)選定的安全帶的設(shè)計(jì)參數(shù)及其變化范圍，選用正交表L9（34），見(jiàn)表3和表4。正交試驗(yàn)的因素為主駕端片預(yù)緊點(diǎn)火時(shí)刻、主駕卷收器預(yù)緊點(diǎn)火時(shí)刻、主駕限力值、副駕預(yù)緊點(diǎn)火時(shí)刻、副駕限力值，分別用A、B、C、D、E表示，在變化范圍內(nèi)每個(gè)因素有3個(gè)水平，分別為最小值、初始值和最大值，用1、2、3 表示。

表3　主駕假人傷害值正交試驗(yàn)結(jié)果

表4　乘客假人傷害值正交試驗(yàn)結(jié)果

按照正交表，用MADYMO進(jìn)行仿真正交試驗(yàn)，根據(jù)每次仿真試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出每次試驗(yàn)的WIC值。每次仿真試驗(yàn)的HIC36、C3MS、CCOMP、FFL、FFR和WIC 值如表3和表4所示。

3.3 結(jié)果分析

正交試驗(yàn)完成后，為確定各試驗(yàn)因素在試驗(yàn)中的最優(yōu)組合，需要對(duì)安全帶系統(tǒng)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，如表5和表6所列。

注：Kjm為 第j列因素第m水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和；Kjm為Kjm的平均值，由Kjm的大小可判斷第j列因素的優(yōu)水平，即最優(yōu)組合；Rj為第j列因素的極差，即第j列因素各水平下平均指標(biāo)值的最大值與最小值之差。Rj反映了第j列因素水平波動(dòng)時(shí)試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度。依據(jù)Rj可 判斷試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序，Rj越 大說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。

表5　主駕假人傷害值正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

表6　乘客假人傷害值正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

由表5可知，RC>RB>RA，所以這3個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序?yàn)镃>B>A，即主駕安全帶3個(gè)因素對(duì)約束系統(tǒng)整體性能影響的主次順序分別為主駕卷收器限力值、主駕卷收器預(yù)緊點(diǎn)火時(shí)刻、主駕端片預(yù)緊點(diǎn)火時(shí)刻。選取 Kjm值最小的水平作為第j列因素的優(yōu)水平，判斷主駕3個(gè)試驗(yàn)因素的最優(yōu)組合為A1B3C1。

由表6可知，RE>RD，所以這2個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序?yàn)镋>D，即副駕安全帶2個(gè)因素對(duì)約束系統(tǒng)整體性能影響的主次順序分別為副駕卷收器限力值、副駕卷收器預(yù)緊點(diǎn)火時(shí)刻。選取 Kjm值最小的水平作為第j列因素的優(yōu)水平，判斷副駕2個(gè)試驗(yàn)因素的最優(yōu)組合為D2E1。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

綜合配置和參數(shù)優(yōu)化，主駕使用雙預(yù)緊限力式安全帶，參數(shù)為A1B3C1；副駕使用單預(yù)緊限力式安全帶，參數(shù)為D2E1。圖5和圖6為主駕和乘客假人頭部、胸部、頸部、大腿各部位的響應(yīng)曲線(xiàn)與實(shí)車(chē)試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比；針對(duì)C-NCAP 的評(píng)分規(guī)則，主駕和乘客假人傷害指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表7和表8。

圖5.1　主駕假人頭部合成加速度曲線(xiàn)

圖5.2　主駕假人胸部合成加速度曲線(xiàn)

圖5.3　主駕假人胸部壓縮量曲線(xiàn)

圖5.4　主駕假人頸部剪切力曲線(xiàn)

圖5.5　主駕假人頸部伸張力矩曲線(xiàn)

圖5.6　主駕假人左大腿壓縮力曲線(xiàn)

圖5.7　主駕假人右大腿壓縮力曲線(xiàn)

圖6.1　乘客假人頭部合成加速度曲線(xiàn)

圖6.2　乘客假人胸部合成加速度曲線(xiàn)

圖6.3　乘客假人胸部壓縮量曲線(xiàn)

圖6.4　乘客假人頸部剪切力曲線(xiàn)

圖6.5　乘客假人頸部伸張力矩曲線(xiàn)

圖6.6　乘客假人左大腿壓縮力曲線(xiàn)

圖6.7　乘客假人右大腿壓縮力曲線(xiàn)

表7　試驗(yàn)與仿真主駕假人傷害指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

表8　試驗(yàn)與仿真乘客假人傷害指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

表9　優(yōu)化前、后假人傷害指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

從圖5和圖6，表7和表8中可以得出，試驗(yàn)曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)的趨勢(shì)基本一致，實(shí)車(chē)試驗(yàn)中假人傷害值的峰值出現(xiàn)時(shí)刻與仿真計(jì)算結(jié)果大致相同，而且傷害指標(biāo)的誤差均在10%以?xún)?nèi)，試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的有效性，以及所得結(jié)論的正確性。

從表9中可以看出，經(jīng)過(guò)配置和參數(shù)的優(yōu)化，假人各部位的傷害指標(biāo)不同程度地降低，主駕假人的WIC減小了5.42%，乘客假人的WIC減小了39.07%，約束系統(tǒng)的整體性能得到了有效的提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)某車(chē)型C-NCAP 的正面100 %剛性重疊壁障碰撞試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)MADYMO仿真分析工具，研究在不同安全帶配置和參數(shù)下前排假人的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)與傷害值，得出了預(yù)緊器的點(diǎn)火時(shí)刻、限力器的限力值對(duì)約束系統(tǒng)性能、假人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和傷害值的影響。同時(shí)根據(jù)仿真結(jié)果，利用極差分析法，選擇了最優(yōu)的配置和參數(shù)值。優(yōu)化后，假人各部位的傷害指標(biāo)不同程度地降低，主駕假人的WIC減小了5.42%，乘客假人的WIC減小了39.07%，約束系統(tǒng)的整體性能得到了有效的提升。

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中圖分類(lèi)號(hào)：U467.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2550（2016）02-0050-09

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2016.02.008

收稿日期：2015-09-23

The effects of different configuration and parameters of a safety belt on dummy injury value in the frontal impact

NIU Jia-ying, DING Ling, WANG Xing-lei, WANG Heng, ZHAN Yang-pu, WAN Yan
( DongFeng Motor Corporation Technical Center, wuhan, 430058, China )

Abstract:The configuration and parameters of a safety belt are the main factors affecting product performance. Using MADYMO simulation analysis, we have obtained the influence of the pretensioner fire time, the limit value of load limiter on safety belt protecting performance and the kinematic response and injury value of frontal-row dummy in the frontal impact test against rigid barrier with 100% overlapping. In this paper, orthogonal experimental design method and range analysis method have been applied to optimize the configuration and parameters of the safety belt and the optimization results have been tested by a crash test. The results showed that the injury value of frontal-row dummy reduced in different degrees, the WIC of driver dummy declined by 5.42% and the WIC of passenger dummy declined by 39.07%, the overall performance of the restraint system has been effectively improved.

Key Words:safety belt; frontal-row dummy injury value; optimal design