段大祿，賈麗剛，易超，解維杰，陳濤，陳自凱

1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410100；3.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900；4.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（寶鋼），上海 201900

0 引言

汽車在行駛過程出現(xiàn)交通事故時(shí)，約束系統(tǒng)是最有效也是最重要的乘員保護(hù)裝置[1]。乘員約束系統(tǒng)包括安全帶、安全氣囊、座椅、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、儀表板等，在車輛受到正面碰撞時(shí)，約束系統(tǒng)可以約束住座椅上因?yàn)榧铀俣榷蚯皼_的乘客，避免乘員與車內(nèi)其他部件產(chǎn)生撞擊造成人員傷害[2]，也可以作為乘員與部件撞擊時(shí)的緩沖裝置[3]，對乘員的保護(hù)效果顯著。

近些年來，小型電動汽車由于車身小、靈活方便的優(yōu)勢被廣泛認(rèn)可。但小型電動汽車在碰撞過程中有比較惡劣的乘員加速度，會對頭、頸、胸等部位造成較大的傷害。另外，相比于普通乘用車，小型電動汽車的吸能空間有限，遭受碰撞時(shí)的乘員侵入量較大，易使腿部受到傷害。

本文基于小型電動汽車正碰時(shí)車內(nèi)乘員的傷害問題，通過相關(guān)建模仿真分析對約束系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行重新匹配，同時(shí)對儀表板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，主要是對安全氣囊的拉帶參數(shù)、安全氣囊泄氣孔大小、安全帶限力大小的匹配分析以及對儀表板與腿部接觸部分吸能塊的設(shè)計(jì)改進(jìn)，以達(dá)到減小乘員傷害的目的。

1 實(shí)車試驗(yàn)

實(shí)車試驗(yàn)（圖1）是指汽車主機(jī)廠的試驗(yàn)車生產(chǎn)完成后，通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)檢驗(yàn)約束系統(tǒng)對駕乘人員的保護(hù)效果，其目的是最大可能地還原具有代表性的交通事故，以此來獲得對應(yīng)條件下駕乘人員的傷害值，對試驗(yàn)車的安全性進(jìn)行評價(jià)[2]。

圖1 實(shí)車試驗(yàn)

實(shí)車試驗(yàn)參考GB 11551—2014《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》[4]相關(guān)要求安排正面100%剛性壁碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)整車質(zhì)量838 kg，前軸負(fù)荷386 kg，后軸負(fù)荷452 kg，假人選用Hybrid III 50th男性假人。在試驗(yàn)場地以50 km/h的速度進(jìn)行正面100%碰撞試驗(yàn)，該場地足夠大，壁障的大小和重量都足夠且固定在地面上，方位準(zhǔn)確。

試驗(yàn)中測得的速度為48.68 km/h，符合法規(guī)要求的速度范圍，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)與法規(guī)限值的比較見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)與法規(guī)限值的比較

從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，該約束系統(tǒng)對乘員保護(hù)效果較差，尤其是乘員頭部，傷害指標(biāo)與法規(guī)限值接近；頸部、胸部與腿部受到的傷害也較大。由此可知，原定的約束系統(tǒng)參數(shù)匹配方式、原有的儀表板結(jié)構(gòu)都需要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以保證小型電動汽車在正碰時(shí)對乘員能有較好的保護(hù)效果。

2 傷害分析

從上文試驗(yàn)結(jié)果可知，汽車碰撞時(shí)，乘員頭、頸、胸、腿等部位都會受到相應(yīng)的傷害，由此引用加權(quán)傷害準(zhǔn)則綜合損傷值（WIC）來評價(jià)約束系統(tǒng)對乘員保護(hù)的整體情況，WIC的值越小代表約束系統(tǒng)對乘員的保護(hù)效果越好。加權(quán)傷害準(zhǔn)則綜合損傷值WIC的計(jì)算公式如下[5]：

式中，HIC為頭部綜合性能指標(biāo)；C3ms為胸部3ms加速度值，g；D為胸部壓縮量，mm；FFL和FFR分別為左右大腿軸向壓力，kN。

HIC計(jì)算公式[6]為：

式中，AR代表在T0≤t≤TE內(nèi)，頭部質(zhì)心的合成加速度；T0、TE代表碰撞的開始時(shí)間和碰撞結(jié)束的時(shí)間；t1、t2代表計(jì)算時(shí)HIC達(dá)到最大值的起始和終止時(shí)刻；時(shí)間間隔一般?。╰1－t2）≤36 ms。

在實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)時(shí)乘員受到的各種損傷主要受加速度的影響，又因?yàn)樾⌒碗妱悠嚳臻g較小，試驗(yàn)時(shí)乘員在向前加速運(yùn)動的過程中，胸部會推動安全氣囊的氣袋上移，導(dǎo)致胸部與氣囊接觸減少，造成乘員胸部壓縮量增加；同時(shí)氣囊上移也會擠壓到頭部，造成乘員頭部傷害增大，HIC偏高，實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果為897，接近GB 11551—2014的法規(guī)限值。除此之外，乘員頭部3 ms累積合成加速值也較大，接近法規(guī)限值；小型電動汽車經(jīng)過撞擊后，轉(zhuǎn)向管柱跳動會對乘員頸部造成傷害，氣袋的上移也對頸部造成傷害，最終導(dǎo)致乘員頸部損傷My接近正碰條件下的法規(guī)限值；在碰撞后加速度很高的情況下，大腿部位對小型電動汽車儀表板侵入量很大，導(dǎo)致大腿受力也偏高。實(shí)車試驗(yàn)的WIC為0.92，WIC值較大代表該小型電動汽車在正碰條件下對乘員整體保護(hù)效果也差，需要在儀表板結(jié)構(gòu)改進(jìn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行約束系統(tǒng)參數(shù)改進(jìn)。

3 模型建立及仿真分析

碰撞過程中主要承擔(dān)沖擊力的是車身前部，所以車身前部對碰撞結(jié)果影響較大的部位需要利用UG精確建模[7]。本文的CAD模型是參考所研究的小型電動汽車駕駛員區(qū)域相關(guān)尺寸和性能參數(shù)建立的[8]，約束系統(tǒng)仿真建模使用HyperMesh進(jìn)行前期的幾何處理與網(wǎng)格劃分，仿真建模時(shí)需要考慮建模的復(fù)雜以及計(jì)算時(shí)間的消耗，對CAD模型中不必要的燒焊、螺釘?shù)葘Ψ抡娼Y(jié)果影響不大、受力較小的部位進(jìn)行簡化[9-10]。

重要受力結(jié)構(gòu)部位按要求抽中面進(jìn)行5 mm×5 mm或是10 mm×10 mm的網(wǎng)格劃分，最終建立的仿真模型有1029 672個(gè)網(wǎng)格單元，該車型設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向管柱沒有壓潰性能。試驗(yàn)使用安全帶的限力選用8.5 kN，最后建立的仿真模型以及安全帶肩帶力的結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2 仿真模型

圖3 安全帶肩帶力

試驗(yàn)使用的氣囊為DAB（ driver airbag）駕駛員安全氣囊，它是在汽車正面碰撞時(shí)對駕駛員起防護(hù)作用的防護(hù)氣囊[11]。在試驗(yàn)中安全氣囊點(diǎn)火時(shí)間定為8.5 ms，有兩個(gè)泄氣孔，直徑相同為36 mm，所用的拉帶為Y型3拉帶，它的匹配方式為（250×250×200）mm，對應(yīng)的仿真模型如圖4所示。

圖4 安全氣囊仿真模型

為了保證仿真模型的有效性，在Prime中導(dǎo)入假人定位后，還需要結(jié)合HyperView軟件對座椅坐墊進(jìn)行預(yù)壓，并利用LS-PrePost軟件對安全帶進(jìn)行預(yù)模擬（圖5）。

圖5 安全帶的預(yù)模擬仿真

所有子系統(tǒng)仿真模型在建立完成后應(yīng)進(jìn)行集成，假人與車體結(jié)構(gòu)、安全帶、安全氣囊、座椅、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的接觸均采用面面接觸，在子文件中通過關(guān)鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_ID定義。

根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果得到的速度為48.68 km/h，在仿真模型加載時(shí)單位對應(yīng)m/s，換算關(guān)系為＝m/s 。所以加載的初速度=13.52（m/s）。之后給車體定義6個(gè)方向的運(yùn)動，六向運(yùn)動的曲線可以從試驗(yàn)結(jié)果或是有限元仿真結(jié)果中獲取。

子系統(tǒng)集成及邊界條件定義完成后即可提交LSDYNA計(jì)算，LS-DYNA是一種能夠模擬復(fù)雜實(shí)際問題的通用有限元仿真軟件，以Lagrange算法為主，能夠處理幾何非線性（大位移、大變形等）、材料非線性等問題，是一種功能齊全的非線性程序，且其強(qiáng)大的材料庫囊括了近200多種非線性材料。除此之外，還提供了50多種非線性的接觸方式，被廣泛應(yīng)用到汽車、航空航天、建筑、軍事、制造和生物工程等諸多行業(yè)[9-12]。最終的仿真結(jié)果可以用來與試驗(yàn)結(jié)果對比進(jìn)行模型精確度分析及約束系統(tǒng)安全性評價(jià)。

4 仿真模型的有效性驗(yàn)證

實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的指標(biāo)對比見表2。

表2 試驗(yàn)與仿真對比

由表2可知，實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)的模型仿真結(jié)果的頭部、頸部和胸部指標(biāo)的誤差最大為15.2%，小于20%，在可控范圍內(nèi)[6]。乘員關(guān)鍵部位的曲線與仿真結(jié)果的對比，如圖6和圖7所示。

圖6 關(guān)鍵部位的曲線對比

圖7 實(shí)車與仿真運(yùn)動狀態(tài)對比

從實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的乘員運(yùn)動狀態(tài)對比和乘員關(guān)鍵部位的曲線對比可以看出，乘員頭部、頸部、胸部相關(guān)曲線都是從20 s左右開始改變，在50～60 s間達(dá)到一個(gè)峰值，100 s過后各個(gè)曲線波動變小后趨于平緩，且在100 s時(shí)的運(yùn)動狀態(tài)完全對應(yīng)。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果在趨勢、時(shí)域與峰值三個(gè)方面基本一致，說明所建立的駕駛室約束系統(tǒng)模型可以作為后續(xù)分析改進(jìn)的基礎(chǔ)模型[13]。

5 約束系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

5.1 泄氣孔直徑

參考上文的實(shí)車試驗(yàn)和仿真建模，本文研究選取可改動的參數(shù)為安全帶限力大小、泄氣孔直徑及安全氣囊的拉帶長度。首先嘗試將泄氣孔直徑36 mm改為31 mm進(jìn)行仿真分析對比，仿真結(jié)果對比見表3。

表3 泄氣孔直徑修改前后結(jié)果對比

仿真結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，直徑改為31 mm后，乘員的頭部與頸部傷害增加，約束系統(tǒng)的泄氣孔參數(shù)改進(jìn)無效，說明氣囊直徑在36 mm時(shí)約束系統(tǒng)對乘員保護(hù)效果較好。

5.2 安全帶限力

在氣囊直徑36 mm的基礎(chǔ)上，嘗試將安全帶限力大小由設(shè)計(jì)狀態(tài)的8.5 kN降至6.5 kN（限力桿直徑由11.8 mm降至9.9 mm），修改前后仿真結(jié)果對比見表4。

表4 安全帶限力修改前后結(jié)果對比

從對比結(jié)果可以看出，安全帶限力的設(shè)計(jì)狀態(tài)改為6.5kN時(shí)對乘員的頭部與頸部傷害指標(biāo)有很大改善，故約束系統(tǒng)的安全帶限力大小改進(jìn)有效，為6.5kN。

5.3 安全氣囊的拉帶匹配方式

在氣囊直徑36mm、安全帶限力大小狀態(tài)6.5kN的基礎(chǔ)上，安全氣囊的拉帶匹配方式選?。?40×240×240）mm與（250×250×200）mm進(jìn)行分析。仿真計(jì)算結(jié)果對比見表5。

表5 安全氣囊拉帶匹配方式修改前后結(jié)果對比

由仿真結(jié)果對比可知，在兩種匹配方式下頸部、胸部、腿部的傷害差別較小，故通過結(jié)果中的頭部性能指標(biāo)來選擇保護(hù)效果較好的拉帶設(shè)計(jì)。氣囊拉帶在（250×250×200）mm時(shí)對乘員頭部保護(hù)效果較好，故采用原方案。

5.4 儀表板改進(jìn)

上述仿真分析中的大腿壓縮力指標(biāo)都較大，因此本文嘗試在氣囊直徑36 mm、安全帶限力大小設(shè)計(jì)狀態(tài)6.5 kN、氣囊拉帶（250×250×200）mm的基礎(chǔ)上，對儀表板進(jìn)行內(nèi)部吸能設(shè)計(jì)，包括乘員左右膝蓋與儀表板接觸位置的潰縮空間預(yù)留，以及吸能塊設(shè)計(jì)，如圖8所示。

圖8 儀表板改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)對比

改進(jìn)前后的仿真結(jié)果對腿部膝蓋的碰撞效果對比如圖9所示，可以看出在原有的設(shè)計(jì)情況下，碰撞過程中乘員腿部對儀表板的侵入量過大，造成儀表板變形，同時(shí)腿部受到的傷害也相應(yīng)過大；而在改進(jìn)后的儀表板設(shè)計(jì)情況下，碰撞過程中乘員腿部與儀表板接觸時(shí)雙方的變形都很小，對乘員腿部傷害較小。

圖9 膝蓋碰撞效果對比

原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)后的仿真結(jié)果對比見表6。從仿真對比結(jié)果可以看出，儀表板結(jié)構(gòu)改進(jìn)后對乘員頭部、頸部、胸部的保護(hù)效果影響較小，對腿部保護(hù)效果改善明顯，乘員的腿部傷害得到很大降低，說明儀表板的結(jié)構(gòu)改進(jìn)有效。

表6 改進(jìn)前后仿真結(jié)果對比

所以最終確定的改進(jìn)方式為：在約束系統(tǒng)參數(shù)匹配方式為安全氣囊直徑36 mm、安全帶限力大小為6.5 kN、安全氣拉帶匹配方式為（250×250×200）mm的同時(shí)，對儀表板吸能塊等部位也進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

5.5 改進(jìn)前后效果對比

最終改進(jìn)方案的仿真結(jié)果與改進(jìn)前傷害指標(biāo)的改進(jìn)百分比見表7。

表7 改進(jìn)百分比

由改進(jìn)前后仿真對比結(jié)果可知，改進(jìn)后的乘員頭部性能指標(biāo)減小，遠(yuǎn)小于法規(guī)限值，頸部、胸部指標(biāo)也都得到改善，大腿力裕度充足，超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)較小，綜合損傷值WIC得到減小，為0.68。改進(jìn)百分比最大為68.4%，證明改進(jìn)后的約束系統(tǒng)在正碰過程中對乘員保護(hù)效果有很大提升。

6 結(jié)論

本文基于某款小型電動汽車在正面100%實(shí)車碰撞試驗(yàn)中乘員受傷害過大的問題，進(jìn)行約束系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)。通過建立與實(shí)車模型相對應(yīng)的仿真模型進(jìn)行改進(jìn)分析，最終得到約束系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)匹配方法以及儀表板吸能部位的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法，大大降低了乘員頭部、頸部、胸部及腿部受到的傷害，使乘員整體傷害得到減小，表明本文的約束系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)對小型電動汽車正碰條件下乘員整體保護(hù)效果有顯著提升。