陳建明

(延鋒百利得(上海)汽車安全系統(tǒng)有限公司，上海 201315)

0 引言

乘員胸部損傷是交通事故中比較常見的一種損傷類型。交通事故數據表明約45%的受傷乘員存在著胸部創(chuàng)傷。在C-NCAP新車評價體系中，實車正面100%重疊率剛性壁障碰撞和正面40%重疊率可變形壁障碰撞試驗中,假人胸部加速度和胸部壓縮變形量是評價假人受傷害的重要指標[1]。此外，總結歷年C-NCAP測試結果，假人胸部失分也是車輛在C-NCAP評價中難以獲得高分的主要障礙之一。因此，在車輛被動安全約束系統(tǒng)研發(fā)過程中應重點關注并提高對假人胸部的保護。車輛碰撞時假人胸部的傷害主要由車輛加速度波形、座椅、安全帶、方向盤、安全氣囊和乘員空間綜合作用產生，優(yōu)秀的車身結構、合適的乘員空間及合理的被動安全約束系統(tǒng)能夠有效減小碰撞事故對乘員胸部的傷害，降低乘員胸部加速度，減小乘員胸部壓縮變形量，從而減小乘員在車輛事故中的傷亡率。

本文作者以副駕駛位假人胸部傷害值為研究對象，基于某車型，利用仿真軟件MADYMO，結合實車建立基礎仿真模型，借助HyperStudy軟件使用DOE(Design Of Experiments)全因子分析方法，分析影響假人胸部傷害值的因素以及各因素對假人胸部傷害值的貢獻度，并據此提出針對典型車型的被動安全約束系統(tǒng)建議配置，為被動安全約束系統(tǒng)開發(fā)積累經驗、節(jié)省開發(fā)時間、提高開發(fā)效率。

1 仿真模型及主要變量介紹

本文作者以某車型為基礎，在MADYMO環(huán)境下建立此次仿真分析的基礎模型，模擬C-NCAP規(guī)則下50 km/h正面100%重疊率剛性壁障碰撞試驗(50FRB)，基礎仿真模型如圖1所示。

圖1 50FRB基礎仿真模型

文中DOE仿真分析，綜合考慮碰撞波形(Pulse)、乘員空間(Knee_to_IP_dis)、約束系統(tǒng)點火時間(TTF)、安全帶限力值(Load_limiter)以及PAB形狀等因素，并設定為5變量3水平，仿真變量匯總見表1。其中，乘員空間、波形及PAB變量分別如圖2—圖4所示。

表1 仿真變量匯總

圖2 車身空間

圖3 波形曲線及速度曲線

圖4 PAB包形

其中，乘員空間變量(Knee_to_IP_dis)在模型中的表現如圖2所示。Knee_to_IP_dis變量值為0.07、0.10、0.13 m，分別對應小乘員空間、一般乘員空間、大乘員空間。

波形曲線及其速度曲線如圖3所示，Pulse1、Pulse2、Pulse3分別對應差波形、一般波形、優(yōu)波形。

PAB包形如圖4所示。

2 DOE分析

2.1 DOE矩陣設定

按照文中DOE仿真設計，針對5個變量3水平值制定出全運算矩陣，總計243個仿真試驗算例，如圖5所示。

圖5 全運算矩陣

2.2 失效試驗排除

在DOE仿真試驗中，試驗編號為83號和217號的試驗結果失效，實際表現為假人頭部砸透，頭部傷害指數HIC36ms超標(假人頭部透過氣囊與IP發(fā)生硬接觸)。具體試驗配置如表2所示。

表2 失效試驗列表

試驗編號為83號和217號的試驗失效，根本原因在于采用了差波形和2D PAB，另外安全帶又未能配合限力值在合適的時間發(fā)生作用。

在83號試驗中，波形較差，安全帶限力值較小，但安全帶預緊器作用時間偏晚，導致安全帶的預緊限力發(fā)生作用時假人已經向前運動較大距離，其效果等同于縮小車內空間，增大了假人與氣囊接觸時的能量；同時由于2D PAB與頭部接觸位置厚度較小，緩沖吸能空間不足，進而導致氣囊被砸透。

在217號試驗中，波形較差，安全帶限力值較大，安全帶預緊器作用時間偏早4 ms，導致假人的X向移動量偏小，絕大部分的能量卸載形式轉變?yōu)榧偃松宪|干的轉動；同樣的，配合2D PAB與頭部接觸位置厚度較小，緩沖吸能空間不足，進而導致氣囊被砸透。

3 計算結果分析

3.1 DOE結果可信度

由圖6、圖7可見，文中DOE仿真試驗觀測值與預測值基本一致，計算結果可信。

圖6 胸部加速度殘差分布

圖7 胸部壓縮量殘差分布

3.2 主要變量對假人胸部傷害值貢獻度

分析計算結果得：對于假人胸部加速度，碰撞波形是主要影響因素，如圖8所示；對于假人胸部壓縮量，安全帶限力值是主要影響因素，如圖9所示。

圖8 主要變量對假人胸部加速度貢獻度

圖9 主要變量對假人胸部壓縮量貢獻度

3.3 乘員空間對胸部傷害值的影響

分析計算結果得：乘員空間越大，假人胸部壓縮量越大，而假人胸部加速度越小，但實際傷害數值影響很小(胸部壓縮量變化量在1.7 mm以內，胸部加速度變化量在0.9g以內)，如圖10所示。

圖10 乘員空間對胸部傷害值的影響

3.4 安全帶限力值對胸部傷害值的影響

分析計算結果得：安全帶的限力值越大，假人胸部壓縮量與胸部加速度越大，對胸部壓縮量作用尤為明顯。胸部壓縮量變化量為9 mm以內，胸部加速度變化量在3.5g以內，如圖11所示。

圖11 安全帶限力值對胸部傷害值的影響

3.5 PAB包形對胸部傷害值的影響

分析計算結果得：PAB越大越厚，胸部加速度值和胸部壓縮量越大，胸部加速度值變化量在3g以內，胸部壓縮量變化量在1.5 mm以內。分析其原因為PAB對胸腔存在擠壓作用。如圖12所示。

圖12 PAB包形對胸部傷害值的影響

3.6 波形對胸部傷害值的影響

分析計算結果得：碰撞波形越差，胸部加速度值越大；而胸部壓縮量隨著碰撞波形的變好而趨向增大，但實際數值基本不變(變化量在0.3 mm以內)，如圖13所示。

圖13 波形對胸部傷害值的影響

3.7 點爆時刻對胸部傷害值的影響

分析計算結果得：約束系統(tǒng)點火時間越早，胸部壓縮量越小，而胸部加速度越大。但對實際傷害值影響很小(胸部壓縮量變化量在0.3 mm以內，胸部加速度變化量在0.4g以內)，如圖14所示。

圖14 點火時間對胸部傷害值的影響

4 約束系統(tǒng)配置建議

結合假人頭部傷害值，典型車身環(huán)境下的被動安全系統(tǒng)建議如下配置。

(1)差波形、小乘員空間工況下，約束系統(tǒng)建議配置如表3所示，計算結果如圖15所示。

表3 差波形、小乘員空間工況下建議配置

圖15 差波形、小乘員空間工況計算結果

(2)一般波形、一般乘員空間工況下，約束系統(tǒng)建議配置如表4所示，計算結果如圖16所示。

表4 一般波形、一般乘員空間工況下建議配置

圖16 一般波形、一般乘員空間工況計算結果

(3)優(yōu)波形、大乘員空間工況下，約束系統(tǒng)建議配置如表5所示，計算結果如圖17所示。

表5 優(yōu)波形、大乘員空間工況下建議配置

圖17 優(yōu)波形、大乘員空間工況計算結果

5 結論

本文作者通過DOE全因子仿真分析得出：對于乘員胸部加速度，碰撞波形是主要影響因素；對于乘員胸部壓縮量，安全帶限力值是主要影響因素。并據此分析結果提出針對典型車型的一般被動安全約束系統(tǒng)配置建議。