姜 劍

（上海元城汽車技術(shù)有限公司，上海 200801）

引言

隨著汽車在中國(guó)的普及，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注車輛安全。在車輛發(fā)生碰撞事故后，如何通過(guò)約束系統(tǒng)有效保護(hù)車輛碰撞過(guò)程中乘員的人身安全，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年來(lái)致力于解決的問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告表明，安全帶的使用在乘員致命傷害方面減少近45%，在乘員嚴(yán)重傷害方面減少67%[1]。安全帶的廣泛使用對(duì)減少乘員致命及嚴(yán)重傷害方面起到極其重要的作用[2]。然而，交通傷流行病學(xué)及損傷部位統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，安全帶作為乘員保護(hù)的重要系統(tǒng)，但也是導(dǎo)致車輛正面碰撞過(guò)程中乘員胸部損傷的主要因素[3]。統(tǒng)計(jì)C-NCAP試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明假人胸部作為試驗(yàn)中失分最多的部位，主要由假人胸部壓縮量不理想所致，因此，降低假人胸部壓縮量是改善乘員胸部傷害的重要措施[4]。約束系統(tǒng)中最重要的部分是安全帶系統(tǒng)，在車輛行駛過(guò)程中發(fā)生碰撞或緊急制時(shí)，其能快速將乘員“束縛”在座椅上，有效地減小乘員骨盆的前移量，從而達(dá)到減小乘員胸部傷害的作用[5]。因此，不同的安全帶配置對(duì)乘員胸部的保護(hù)尤其重要。葛如海等[6]人研究了安全帶不同限力等級(jí)下對(duì)駕駛員傷害的影響。費(fèi)敬等[7]人研究了安全帶多種預(yù)緊方式對(duì)乘員傷害的影響。杜群貴等[7]人建立了正面碰撞有限元模型，研究在新型預(yù)緊安全帶約束作用下乘員的傷害情況。上述研究對(duì)象多為安全帶整體性能，針對(duì)DLT對(duì)乘員保護(hù)效果的研究較少，且基本上基于仿真分析，缺乏理論分析和整車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文分析DLT的工作原理，并在傳統(tǒng)卷收器預(yù)緊限力功能的基礎(chǔ)上，增加DLT功能，并建立DLT有限元模型，對(duì)比增加DLT后安全帶力以及乘員胸部壓縮量，通過(guò)整車試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明增加DLT能有效減小乘員胸部壓縮量。

1 DLT工作原理及有限元模型

1.1 工作原理

DLT是一種結(jié)構(gòu)精巧、輕質(zhì)和緊湊的裝置，由帶回轉(zhuǎn)凸輪和暗式彈簧的安全帶凸舌構(gòu)成[8]。其工作原理是阻止織帶從胸部到臀部的移動(dòng)，如圖1所示。正常使用及佩戴好安全帶后，DLT和傳統(tǒng)的鎖舌類似，允許織帶自由通過(guò)凸舌，以保證其在日常使用中的舒適性，如圖1(a)所示；一旦汽車發(fā)生緊急制動(dòng)或碰撞，腰帶所承受的力較肩帶力大于45 N時(shí)，DLT就會(huì)鎖緊安全帶織帶，如圖1(b)所示；直至腰帶與肩帶之間的力差達(dá)到100 N時(shí)，DLT完全鎖止，并結(jié)合安全帶其他性能發(fā)揮作用以減小假人胸部位移，從而有效地降低乘員胸部所承受的壓力，如圖1(c)所示。

圖1 DLT工作原理示意圖

1.2 DLT有限元模型

車輛發(fā)生緊急制動(dòng)或碰撞，安全帶腹部力（B5）與肩帶力（B4）之間的差值大于特定值時(shí)，DLT迅速鎖緊安全帶織帶，同時(shí)發(fā)揮安全帶的其他安全性能，以限制假人骨盆向前的位移來(lái)減小乘員胸部所承受的壓力。

DLT有限元模型通過(guò)LS-DYNA中的*SENSOR_DEFINE _FORCE、*SENSOR_DEFINE _FUNCTION、*SENSOR_ SWITCH及*SENSOR_CONTROL四個(gè)關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)。首先在Buckle兩側(cè)的肩帶和腰帶處分別建立力傳感器，以監(jiān)測(cè)安全帶力B4和B5，如圖2所示：

圖2 Buckle端肩帶以及腰帶力傳感器標(biāo)示

其次通過(guò)關(guān)鍵字*SENSOR_DEFINE_FORCE和*SEN- SOR_DEFINE_FUNCTION建立邏輯函數(shù)，表達(dá)式如下：

式中：x表示時(shí)間；f1(x)表示B5傳感器測(cè)得腰帶力－時(shí)間函數(shù)；f2(x)表示B4傳感器測(cè)得的肩帶力－時(shí)間函數(shù)；f(x)表示腰帶與肩帶的力差值－時(shí)間函數(shù)。

邏輯判別條件通過(guò)關(guān)鍵*SENSOR_SWITCH實(shí)現(xiàn)，表達(dá)式如下：

DLT的開(kāi)關(guān)通過(guò)關(guān)鍵*SENSOR_CONTROL和方程控制，仿真中DLT默認(rèn)是鎖止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)腰帶和肩帶的力差f(x)≥mKN時(shí)，即激活鎖止功能。

2 基礎(chǔ)模型對(duì)標(biāo)

本文以某SUV 50 km/h FRB工況下已對(duì)標(biāo)主駕約束系統(tǒng)模型為研究基礎(chǔ)，研究DLT對(duì)乘員胸部壓縮量的影響。

在50 km/h FRB工況下，車體Y方向和Z方向上的加速度很小，且B柱下端X方向的加速度比較穩(wěn)定，故在仿真中通過(guò)關(guān)鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION將X向加速度加載至有限元模型中。B柱下端X向加速度如圖3所示。

圖3 加速度曲線

通過(guò)整車試驗(yàn)及有限元仿真中的安全帶B4及B5力、假人胸部壓縮量、加速度及骨盆X及Z向加速度曲線的對(duì)比結(jié)果，驗(yàn)證有限元模型的有效性，進(jìn)而分析有限元模型預(yù)測(cè)胸部壓縮量對(duì)DLT的靈敏度。圖5為仿真結(jié)果與實(shí)車碰撞試驗(yàn)下假人傷害曲線對(duì)比。結(jié)果表明，假人絕大部分損傷和碰撞參數(shù)與實(shí)車碰撞試驗(yàn)傷害值曲線比較一致，肩帶力和腰帶力對(duì)標(biāo)結(jié)果良好，其差異在系統(tǒng)可接受范圍內(nèi)；骨盆加速度X向比較接近，而Z向存在的差異較小，骨盆對(duì)標(biāo)結(jié)果可以接受；因?qū)嵻嚺鲎仓写嬖赑itch效應(yīng)，仿真較實(shí)車的胸部壓縮量偏大，系統(tǒng)評(píng)估可接受該差異量，證明了基礎(chǔ)模型的有效性及可用性。

圖4 基礎(chǔ)模型仿真試驗(yàn)動(dòng)畫(huà)對(duì)比結(jié)果

圖5 基礎(chǔ)模型假人傷害值仿真試驗(yàn)對(duì)標(biāo)結(jié)果

3 DLT對(duì)乘員胸部傷害的影響

基于主駕約束系統(tǒng)基礎(chǔ)對(duì)標(biāo)模型（該模型無(wú)DLT功能），驗(yàn)證50 km/h FRB和64 km/h ODB中DLT對(duì)假人胸部壓縮量的影響。

在50km/h FRB仿真分析中，無(wú)DLT時(shí)假人胸部壓縮量為28.7 mm，有DLT時(shí)假人胸部壓縮量為22.3 mm；增加DLT后胸部壓縮量提高了6.5 mm。通過(guò)整車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)與有限元仿真結(jié)果具有較好的一致性，試驗(yàn)假人胸部壓縮量為21.5 mm，如圖6所示。

圖6 DLT對(duì)胸部壓縮量的影響

在64 km/h ODB仿真中，無(wú)DLT時(shí)假人胸部壓縮量為29.8 mm，有DLT時(shí)假人胸部壓縮量為24.3 mm，增加DLT后胸部壓縮量提高了5.5 mm。通過(guò)ODB試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)與有限元仿真結(jié)果基本一致，試驗(yàn)假人胸部壓縮量為25.1 mm，如圖7所示。

圖7 DLT對(duì)胸部壓縮量的影響

4 結(jié)論

本文在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中乘員胸部壓縮量未能滿足開(kāi)發(fā)目標(biāo)，優(yōu)化安全氣囊和安全帶限力等級(jí)參數(shù)，胸部壓縮量得到改善，但仍未達(dá)到開(kāi)發(fā)目標(biāo)；通過(guò)研究DLT的工作原理，分析正面碰撞過(guò)程中乘員受力情況，增加DLT乘員胸部壓縮量達(dá)到開(kāi)發(fā)目標(biāo)，建立滑臺(tái)約束系統(tǒng)有限元模型，最后進(jìn)行實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證。得出以下結(jié)論：

（1）DLT可以阻止織帶從胸部到臀部的移動(dòng)，減小假人胸部位移量，從而有效地降低乘員胸部所承受的壓力，故可以降低乘員胸部壓縮量。

（2）DLT有效降低乘員胸部壓縮量，從而影響C-NCAP得分。在整車安全性能開(kāi)發(fā)階段，應(yīng)充分考慮使用DLT，以開(kāi)發(fā)出滿足安全性能的車輛。