方銳 栗國 董文楷

中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司 天津市 300300

1 引言

當(dāng)今，大部分消費(fèi)者將汽車安全性能納入購車參考指標(biāo)，如何確保在交通事故中人身安全變得尤為重要。頸部作為人體神經(jīng)及血管高度集中部位，確保在C-NCAP試驗(yàn)中頸部滿分已成為汽車安全研發(fā)人員的必要工作。碰撞試驗(yàn)中頸部如出現(xiàn)問題，多數(shù)情況由頸部My過大引起；如何分析頸部My問題、并制定相應(yīng)優(yōu)化方案成為新車研發(fā)過程中重要的一部分。

本文主要是針對某車型的正面碰撞整車試驗(yàn)中的前排假人頸部My進(jìn)行分析，通過仿真計(jì)算，對PAB氣囊造型進(jìn)行更改，最終整車試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案可行有效。

2 頸部My傷害機(jī)理分析

在C-NCAP正面碰撞試驗(yàn)中前排乘員使用第50百分位混Ⅲ男性成年假人。假人頸部是由四個(gè)不均勻的橡膠塊塊與鋁板連接而成的單一結(jié)構(gòu)體，一鋼絲繩穿過頸部中心連接到兩端的平板上，上端的平板通過一樞軸與假人頭部內(nèi)上頸部傳感器連接[1]；零部件構(gòu)造及假人頸部傳感器位置如圖1、圖2所示。

依據(jù)假人頸部傳感器對應(yīng)坐標(biāo)系，頸部My正負(fù)方向如下：下巴向胸部轉(zhuǎn)動(dòng)為正方，下巴遠(yuǎn)離胸部為負(fù)[2]，C-NCAP中規(guī)定假人頸部My得分判定依據(jù)為修正后頸部My負(fù)向最大值[3]；結(jié)合頸部My方向，對碰撞過程中假人頸部My變化情況進(jìn)行分析，頸部My變化可分為三個(gè)階段：

碰撞初期階段：車體接觸剛性墻體后速度急劇降低，ECU信號觸發(fā)安全帶點(diǎn)火開關(guān)而假人由于慣性作用持續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，受安全帶對胸部的約束作用，頭相對胸部向前運(yùn)動(dòng)，頸部My從預(yù)緊作用到限力起作用負(fù)向逐漸增大；

假人接觸氣囊階段：頭部、頸部與氣囊接觸，氣囊向后方施力，緩沖頭部運(yùn)動(dòng)，胸部繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，頭相對胸部向后向上轉(zhuǎn)動(dòng)，頸部My負(fù)向增大明顯[4]；

氣囊泄氣假人回彈階段：隨著氣囊泄氣接近完成，頭部與胸部相對位移減小，趨于平衡，頸部My由負(fù)向逐漸降低到正向增加，直至假人回彈結(jié)束。

3 假人頸部My超標(biāo)原因分析

某車型在C-NCAP 100%偏置碰撞摸底試驗(yàn)中，前排假人頸部得分為0.74分。具體情況為前排假人頸部傷害值剪切力Fx、張力Fz滿分，頸部伸張彎矩My偏大導(dǎo)致失分，伸張彎矩My曲線如圖3所示。

觀察頸部My曲線可發(fā)現(xiàn)，在86ms出現(xiàn)負(fù)向峰值，該時(shí)刻假人已與氣囊接觸，肩帶力及骨盆加速度無異常狀況，所以推斷頸部My的超標(biāo)是由氣囊接觸異常引起。從試驗(yàn)頂部錄像可發(fā)現(xiàn)，在氣囊完全展開到假人頭部與氣囊充分接觸之前，都未與風(fēng)擋玻璃接觸；該情況下，氣囊由于點(diǎn)爆后產(chǎn)生大量氣體，氣囊內(nèi)部壓力變大，若儀表板與風(fēng)擋玻璃無法充分支撐氣囊，氣囊會出現(xiàn)上下波動(dòng)情況。

圖1 假人頸部零部件構(gòu)造

圖2 假人頸部傳感器位置

圖3 正面碰撞前排乘員頸部My

通過觀察氣囊靜態(tài)起爆試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣囊充滿后，氣囊重心落于儀表板外，儀表板無法充分支撐氣囊，氣囊處于上下波動(dòng)狀態(tài)，與整車試驗(yàn)預(yù)想一致。氣囊在此狀態(tài)下，假人與其接觸，頭部受力不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致頸部My超標(biāo)。

4 仿真模型建立

通過碰撞仿真分析軟件創(chuàng)建包括儀表板、座椅、安全氣囊、安全帶、地板、風(fēng)擋玻璃等在內(nèi)的前排乘員約束系統(tǒng)仿真模型，將Hybrid Ⅲ50百分位男性假人帶入模型中，利用實(shí)車試驗(yàn)中量取的乘員空間參數(shù)對其進(jìn)行空間定位。

將整車試驗(yàn)中采集的左側(cè)B柱下X方向加速度作為仿真模型的加載脈沖，安全帶、座椅等其他零部件相應(yīng)性能參數(shù)通過零部件試驗(yàn)獲取，帶入仿真模型中；PAB（前排乘員側(cè)安全氣囊）按整車設(shè)計(jì)位置帶入模型中，確保氣囊模塊角度與整車擺放角度一直，減少角度誤差引起的傷害值差異；通過調(diào)整各個(gè)參數(shù)，對假人肩帶力，骨盆加速度，大腿力，胸部加速度及壓縮量等主要傷害值進(jìn)行對標(biāo)，其中頸部My對標(biāo)擬合度達(dá)到90%，頸部My仿真曲線與試驗(yàn)曲線趨勢及峰值基本吻合，滿足對標(biāo)要求。

5 頸部My優(yōu)化

在仿真模型搭建過程中發(fā)現(xiàn)，PAB氣袋展開后體積偏小，與儀表板造型、風(fēng)擋玻璃與儀表板之間夾角匹配不合理；仿真動(dòng)畫中，PAB在完全展開狀況下，不能與風(fēng)擋玻璃完全貼合。

為驗(yàn)證頸部My問題為氣囊問題引起，采用在仿真模型中將其他氣袋體積較大的PAB與其替換進(jìn)行運(yùn)算，替換過程中，確保PAB氣囊位置及角度不變；觀察替換后仿真動(dòng)畫可發(fā)現(xiàn)PAB氣袋體積變大后，氣囊展開后與儀表板及風(fēng)擋玻璃充分接觸，受到支撐效果明顯增強(qiáng)，仿真結(jié)果中，頸部My減小明顯，因此可確認(rèn)頸部My傷害值過大由氣袋造型設(shè)計(jì)缺陷引起。

考慮到設(shè)計(jì)成本問題，最終確認(rèn)優(yōu)化方案為：在原氣體發(fā)生器的情況下，對氣囊氣袋造型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；由于氣囊氣體發(fā)生器未更換，為保證壓力一定，因此重新設(shè)計(jì)氣袋需確保氣袋體積不發(fā)生改變。

首先使用CATIA軟件對PAB氣袋造型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將新包型氣袋帶入仿真模型中，更換前后仿真動(dòng)畫對比如圖4、圖5所示；新氣囊展開后能夠與風(fēng)擋玻璃緊密貼合，碰撞過程中相比于原氣囊，能夠穩(wěn)定支撐假人頭部，仿真結(jié)果顯示頸部My改善明顯。

圖4 原氣囊仿真動(dòng)畫

圖5 新氣囊仿真動(dòng)畫

對重新設(shè)計(jì)的氣袋進(jìn)行實(shí)體加工后，進(jìn)行體積測量和氣袋靜態(tài)展開試驗(yàn)測試，設(shè)計(jì)前后的兩種氣袋靜態(tài)進(jìn)行展開試驗(yàn)；靜態(tài)測試試驗(yàn)結(jié)果無異常現(xiàn)象，可將新設(shè)計(jì)氣袋裝配于整車中進(jìn)行優(yōu)化方案驗(yàn)證。

6 整車試驗(yàn)驗(yàn)證

將重新設(shè)計(jì)的PAB裝配于整車中進(jìn)行正面100%碰撞試驗(yàn)，由優(yōu)化前后對應(yīng)時(shí)刻試驗(yàn)高速錄像對比發(fā)現(xiàn)，假人頭部接觸位置及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改善明顯，頸部My由60.5Nm降低到39Nm，如圖6所示，分?jǐn)?shù)提高1.15分；且胸部壓縮量也明顯改善；整車試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果接近，PAB氣袋造型修改方案可行有效。

圖6 整車試驗(yàn)頸部My曲線對比

7 結(jié)語

本文針對某車型在C-NCAP 100%正面碰撞摸底試驗(yàn)中出現(xiàn)的前排乘員頸部My超標(biāo)問題，建立了前排乘員MADYMO仿真模型，并對其關(guān)鍵傷害指標(biāo)進(jìn)行對標(biāo)，然后對PAB氣袋造型進(jìn)行優(yōu)化。最終頸部得分由0.74分提升到2分，優(yōu)化效果顯著。由本文可以得出以下結(jié)論：

碰撞試驗(yàn)中儀表板不能充分支撐展開后的氣囊，且氣囊與風(fēng)擋玻璃不貼合，在展開過程中發(fā)生抖動(dòng)，假人頭部與不穩(wěn)定氣袋接觸，容易導(dǎo)致假人頸部My出現(xiàn)問題；而對氣囊氣袋進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，頸部My可得到改善；此優(yōu)化方案對頸部傷害優(yōu)化有一定參考意義。