胡遠志，朱鴻旭，曾憲菁，王振飛，徐紫紅，蔣成約

（1.重慶理工大學(xué)，汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054； 2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201；3.天合汽車科技（上海）有限公司，上海 201814）

前言

碰撞事故發(fā)生前，汽車主動安全技術(shù)對車輛的接管和人為緊急操縱車輛會導(dǎo)致車速和乘員姿態(tài)的急劇改變，從而加重乘員的碰撞損傷［1-2］。當(dāng)今，越來越多的專家學(xué)者通過實車測試和計算機仿真來探討碰撞前階段乘員姿態(tài)、肌肉支撐和乘員避險動作與損傷之間的關(guān)系，從而提升乘員約束系統(tǒng)的效率。研究結(jié)果表明，碰撞前制動階段的乘員運動響應(yīng)會加大乘員的損傷，尤其是乘員胸部和頸部位置的損傷更為顯著［3-5］。針對這一問題，主被動一體化安全技術(shù)應(yīng)運而生，并很快引起重視。主動控制卷收器（ACR）作為主被動一體化的安全裝置，能有效地消除安全帶佩戴間隙和織帶松弛量，限制乘員離位位移，使乘員保持正常坐姿［6-8］，并有效減小碰撞后乘員損傷，提高傳統(tǒng)被動安全系統(tǒng)的效能［9-11］。

不同乘員在制動過程中身體各部位的肌肉反應(yīng)及其持續(xù)時間存在差異，Olafsdottir和 Carlsson等［12-13］通過收集志愿者在制動階段各部位的肌肉電信號來研究制動階段乘員各部位的肌肉活動情況。結(jié)果表明，志愿者各部位肌肉的反應(yīng)時間、激烈程度和持續(xù)時間均不相同，且下軀干各部位的激烈程度要明顯高于上軀干。主動人體假人因其能模擬乘員各部位的肌肉張緊而被廣泛用于碰撞前階段的約束系統(tǒng)設(shè)計，為驗證主動假人的工程適用性，Beeman和?sth等［14-15］仿真對比了預(yù)碰撞階段和碰撞階段主動人體假人各部位加速度和運動響應(yīng)，指出主動人體假人具有較高的適用性，能很好地指導(dǎo)自動制動系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。

上述研究的不足之處在于滑車試驗難以模擬出真實的道路交通環(huán)境，且一些試驗在試驗前對志愿者進行培訓(xùn)并對肌肉張緊度提出要求（全身肌肉張緊或全身肌肉松馳），以致不能很好地再現(xiàn)乘員在實際行車過程中對車輛制動的真實反應(yīng)。針對以上不足，本文中針對配備有ACR的車輛開展志愿者實車試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果搭建仿真模型，同時采用主動人體假人模擬乘員的肌肉張緊度，在驗證模型的有效性后，探究ACR的預(yù)緊力和預(yù)緊時間對乘員離位位移的影響。

1 志愿者實車試驗

1.1 志愿者信息

為探究乘員在緊急制動工況下的離位情況和ACR的工作性能，對一名志愿者進行12次實車試驗。志愿者身高175 cm，體質(zhì)量75 kg，身體狀況良好，沒有頸椎和腰椎病史，且近期未服用可能導(dǎo)致增加損傷風(fēng)險的藥物。

為獲得志愿者在制動階段的真實反應(yīng)情況，未對志愿者在制動階段的肌肉張緊度提出任何要求。志愿者進行的12組試驗均配備有ACR系統(tǒng)，如圖1所示。為保證試驗的一致性，志愿者最外層穿著棉制T恤，并對志愿者的初始姿態(tài)作統(tǒng)一規(guī)定。

圖1 志愿者初始姿態(tài)

1.2 實車測試

實車試驗的車型為國內(nèi)某在研車型，車中原有卷收器替換為ACR。B柱下方放置加速度傳感器來測量車體加速度，同時為分析ACR的工作性能，在肩帶和腰帶處各放置一個力傳感器（F305-Z4944，測試范圍1 kN）來檢測安全帶的受力情況，并在卷收器上方放置一個織帶位移傳感器（如圖2（a）所示，測距范圍±1.024 m）記錄安全帶的收進和拉出量。為測量乘員在試驗中的離位位移，在座椅頭枕下方放置一個位移傳感器，如圖2（b）所示，最大測距1.27 m，誤差率0.25%，其與志愿者頸部相連，志愿者前方和側(cè)方各放置一臺攝像機，焦距1.96 mm，光圈 2.0，視場角 H112°V81.4°D122.4°，畸變小于-11.2%。雙肩和手肘處貼上標簽碼，用于追蹤乘員各部位的運動。

圖2 傳感器安裝位置

為模擬緊急制動場景，要求駕駛員將車輛從靜止逐漸加速到70 km／h，并保持一段時間的勻速狀態(tài)。制動時，每次試驗的制動模式（踩制動踏板的力和速度）保持一致，直至車輛制動停車，測試的減速度均為1g左右，整個測試過程不對志愿者做任何提示。同時要求志愿者在制動前身體保持自然放松，制動階段，完全憑志愿者本能反應(yīng)調(diào)節(jié)肌肉張緊度。每次試驗間隔大約4 min。測試場地為專用測試場地，柏油路面，平整無坑洼。

2 仿真建模與驗證

2.1 仿真模型的建立

利用多剛體動力學(xué)軟件MADYMO建立乘員側(cè)約束系統(tǒng)仿真模型，包括車身模塊、座椅模塊、安全帶模塊和假人模型，其中車身模塊和座椅模塊從試驗車輛整車模型中提取。根據(jù)車型CAD數(shù)據(jù)對模型中卷收器、D環(huán)、Buckle和下固定點的位置進行調(diào)整。同時，為精確模擬ACR的預(yù)緊參數(shù)，對該產(chǎn)品開展3次靜態(tài)觸發(fā)試驗，3次試驗的ACR預(yù)緊力曲線如圖3所示。試驗曲線顯示3次試驗在穩(wěn)定階段的預(yù)緊力均為250 N左右。

圖3 ACR模塊試驗曲線

生物仿真技術(shù)因其能很好地再現(xiàn)乘員在預(yù)碰撞階段的運動學(xué)反應(yīng)而被用來評估主動安全系統(tǒng)的性能，主動人體模型（active human model，AHM）就是其中的一種。由于制動階段比碰撞工況持續(xù)時間長，乘員有足夠的時間對突然的制動做出本能反應(yīng)，因此為更好模擬試驗中志愿者的離位情況，本文的假人模型采用AHM模型。資料顯示，AHM假人身高1.76 m，體質(zhì)量75.3 kg，與志愿者身材差異很小，最終約束系統(tǒng)模型如圖4所示。

2.2 仿真模型的驗證與AHM假人參數(shù)設(shè)置

圖4 約束系統(tǒng)仿真模型

AHM假人的肌肉張緊度通過調(diào)節(jié)各部位的激活參數(shù)來控制，其中激活參數(shù)為0時代表該部位無主動動作，參數(shù)為1代表該部位肌肉張緊程度最大。一般來說，乘員在整個制動階段自身肌肉的張緊程度并非是保持不變的，乘員在面對突來的制動時，通常會有一定的反應(yīng)延遲，然后瞬間繃緊肌肉來反抗自身的運動趨勢，隨后逐漸放松直到制動結(jié)束。不同的志愿者對緊急制動的反應(yīng)不同，所需的反應(yīng)時間和肌肉張緊程度也不同，同時，在進行多次試驗后，志愿者對制動的反應(yīng)進入疲勞期，反應(yīng)時間和肌肉張緊度也會有變化。且相比碰撞工況，制動工況中安全帶力的量級本身較小，因此AHM激活參數(shù)的設(shè)置尤為重要。本文通過試驗視頻、試驗曲線和對志愿者的現(xiàn)場詢問，不斷優(yōu)化AHM的參數(shù)設(shè)置，從而保證模型的精確度。

視頻資料顯示，志愿者在整個試驗中頭部始終保持直立，未發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動，模型中將AHM頭部參考定義值設(shè)為0，即頭部與參考空間保持直立。同時，志愿者肩部也未發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，可推測志愿者肩部始終保持高度張緊狀態(tài)，結(jié)合仿真情況，當(dāng)肩部激活參數(shù)設(shè)置為1時，仿真假人肩部運動和試驗較為一致。乘員其他部位激活參數(shù)結(jié)合安全帶力、織帶位移量和乘員離位距離不斷調(diào)整、優(yōu)化，最終假人其余關(guān)鍵部位的激活參數(shù)函數(shù)如圖5所示。

圖5 仿真中不同區(qū)域激活參數(shù)的設(shè)定

圖6 為肩帶力、腰帶力、頸部離位位移和織帶位移量的試驗與仿真結(jié)果對標圖。由圖可見，肩帶力、頸部離位位移和織帶位移對標情況較好，腰帶力誤差率略大，但在接受范圍之內(nèi)，模型整體對標情況較好，可用于后續(xù)研究。

圖6 模型對標結(jié)果

3 ACR參數(shù)優(yōu)化分析

3.1 試驗設(shè)計與響應(yīng)面建立

ACR的工作性能受諸多參數(shù)的影響，其中預(yù)緊力和預(yù)緊時間對其影響最為顯著，屬于高靈敏度參數(shù)，且可控性高，成本較低，因此選取預(yù)緊時間和預(yù)緊力作為本次優(yōu)化的設(shè)計變量。

主動安全帶的預(yù)緊時間分為兩類，即制動前預(yù)緊和制動后預(yù)緊，對于駕駛風(fēng)格較為激進的駕駛員，由于跟車較近，制動前的預(yù)緊時間過早可能會導(dǎo)致預(yù)緊頻繁而使乘員感到不適，因此制動前的預(yù)緊時間不宜選取過長。國內(nèi)外同類產(chǎn)品的預(yù)緊時間多在制動前 100～200 ms之間［12，15］，而預(yù)緊力的分布范圍較廣。綜合考慮后，以200 ms作為制動時刻，ACR預(yù)緊時間（TTF）和預(yù)緊力（Force）的取值范圍如表1所示。由于ACR對乘員頭部和第一胸椎（T1）部位的約束效果較為明顯，因此選頭部和T1部位的離位位移作為本次的優(yōu)化目標。

表1 設(shè)計變量及其變化范圍

設(shè)計變量及其范圍確定后，采用最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計對設(shè)計變量進行取樣，共抽取12組試驗并利用MADYMO進行仿真得到優(yōu)化目標的響應(yīng)值，并采用Kriging近似模型對兩個優(yōu)化目標建立響應(yīng)面，進行近似精度檢驗，驗證了Kriging近似模型具有較高的擬合精度。

圖7分別為頭部、T1部位位移與預(yù)緊時間和預(yù)緊力的響應(yīng)曲面圖。由圖可知，預(yù)緊力越大，頭部質(zhì)心（HCG）和T1位移量越小，近似呈負相關(guān)。單從預(yù)緊時間來看，對于同一級別的預(yù)緊力，預(yù)緊時間從200 ms（即開始制動時刻）到400 ms，即制動后觸發(fā)ACR時，乘員頭部和T1部位的位移量上升趨勢較為明顯，近似呈正相關(guān)；而從0到200 ms，即制動前觸發(fā)ACR時，乘員兩個部位的位移量近似呈水平，只是隨著預(yù)緊力的加大略有增加。這是因為對于制動前預(yù)緊，無論預(yù)緊時間提前多少，乘員均處于正常坐姿。從開始預(yù)緊到制動這段時間，預(yù)緊時間的變化對乘員的約束效果差異較小，且由于將乘員向后拉回時與座椅接觸后發(fā)生反彈，造成乘員有一定的前傾，并隨著預(yù)緊力的增大和預(yù)緊時間的提前，該現(xiàn)象越明顯，這些響應(yīng)關(guān)系與實際相吻合，初步驗證了近似模型的準確度。

圖7 Kriging近似模型

3.2 基于NSGA-Ⅱ的仿真優(yōu)化

本次優(yōu)化采用第二代非劣排序遺傳算法NSGA-Ⅱ?qū)︻^部和T1位移量兩個目標值進行優(yōu)化。計算得到最優(yōu)解的預(yù)緊時間和預(yù)緊力分別為145 ms和500 N，預(yù)測頭部和T1位移為81.66和26.84 mm。將最優(yōu)解代入MADYMO中計算得到頭部質(zhì)心和T1位移為84.1和26.58 mm。Kriging近似模型預(yù)測值與仿真結(jié)果誤差僅為3.0%和0.98%，證實了優(yōu)化結(jié)果的有效性。

為分析優(yōu)化后的ACR對乘員離位位移的改善效果，對優(yōu)化前后的模型進行仿真對比，優(yōu)化前模型的預(yù)緊時間和預(yù)緊力分別為400 ms和250 N。仿真得到優(yōu)化前后的乘員各部位位移量，如表2所示?？梢钥闯?，優(yōu)化后乘員頭部質(zhì)心和T1部位的位移量改善效果明顯，分別減小了55%和73.44%。優(yōu)化前后的假人最大位移如圖8所示，淺灰色假人代表優(yōu)化后的乘員最大位移處的姿態(tài)。

表2 優(yōu)化結(jié)果對比

圖8 優(yōu)化前后乘員姿態(tài)

圖9 為優(yōu)化前后肩帶力的對比。由圖可見，由于預(yù)緊力的增加，優(yōu)化后的肩帶力增加較大，且ACR在145 ms開始預(yù)緊時，肩帶力達到了600 N左右，大大超過500 N的預(yù)緊力，并隨著預(yù)緊時間的提前，該峰值逐漸上升，原因之一是乘員被向后拉回時與座椅接觸而發(fā)生反彈，從側(cè)面證實了近似模型的準確性。

圖9 優(yōu)化前后肩帶力對比

圖10 為回彈階段優(yōu)化前后的頭部加速度對比。由圖可見，優(yōu)化前的頭部回彈加速度峰值為65 m／s2，優(yōu)化后的頭部回彈加速度降至37 m／s2，降幅為43.08%。優(yōu)化后的乘員離位位移較小，因此回彈階段各部位的最大加速度也相對較小，如果在制動階段發(fā)生追尾碰撞，乘員的揮鞭傷害也會大大降低。

圖10 優(yōu)化前后回彈階段AHM頭部加速度對比

由于優(yōu)化后的預(yù)緊力比優(yōu)化前的預(yù)緊力增加較大，故對假人胸部的約束也會增強，為探究優(yōu)化前后的ACR預(yù)緊參數(shù)對正面碰撞工況中乘員胸部損傷的影響，在制動脈沖后面添加某車型的50 km／h正撞加速度脈沖，仿真對比優(yōu)化前后的胸部損傷。結(jié)果顯示，制動階段優(yōu)化前后的胸部最大壓縮量分別為2.2和3.7 mm，碰撞階段優(yōu)化前后的胸部最大壓縮量分別為51.6和45.5 mm，主要原因是由于優(yōu)化后的預(yù)緊力較大，故在制動階段假人胸部壓縮量比優(yōu)化前要大；但優(yōu)化后的乘員離位位移較小，使乘員前移空間相對較大且可避免與氣囊的過早接觸，因此，優(yōu)化方案可改善該車型正撞時的假人胸部壓縮量。

4 結(jié)論

制動工況中，乘員自身的肌肉張緊度會直接影響到乘員姿態(tài)的改變，且乘員在整個制動過程中的肌肉張緊度也是變化的，為使仿真模型更加接近于真實工況，本文中利用ACR實車測試結(jié)果指導(dǎo)仿真建模，并利用AHM生物仿真人體模型來模擬乘員的肌肉張緊度。經(jīng)過仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比，驗證仿真模型的精確度較高。以此模型來探究預(yù)緊力和預(yù)緊時間對乘員離位位移的影響，并針對頭部和T1部位位移量進行優(yōu)化。結(jié)果表明，預(yù)緊力和乘員離位位移呈負相關(guān)趨勢，且對于同一預(yù)緊力，預(yù)緊時間的變化對制動后觸發(fā)ACR的乘員離位影響較大，對制動前觸發(fā)的情況影響較小。