基于正面碰撞防護的SUV車輛乘員約束系統優化

曹立波 喻偉雄 白中浩 蔣彬輝 吳 俊

湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點試驗室，長沙，410082

0 引言

車輛發生碰撞事故時，車內乘員可能遭受多個方向的二次碰撞，如駕駛員頭部和胸部與方向盤的碰撞，乘員頭部與擋風玻璃的碰撞等。二次碰撞是致使乘員受傷甚至死亡的重要原因之一，汽車乘員約束系統就是為了避免二次碰撞或者降低二次碰撞對乘員造成的損傷而開發的［1］。大量實踐表明，通過合理匹配約束系統，可以在車輛發生碰撞時有效減輕乘員與車內部件的碰撞，降低傷害［2］。因此，為車輛匹配性能優越的乘員約束系統，提高車輛的安全等級，是我國汽車行業研究的重要課題，也是汽車制造企業的實際所需。

某量產SUV車的正面碰撞結果表明，除車輛前部變形嚴重外，碰撞過程中駕駛員側假人損傷值較大，某些指標甚至超過損傷評價標準，說明乘員約束系統對車內乘員的保護效果不佳。本文結合該車型碰撞安全性能改進項目，采用試驗和MADY MO［3］仿真分析相結合的手段，對其約束系統的參數進行了優化設計。

1 乘員約束系統及其工作原理

乘員約束系統主要由安全帶、安全氣囊、儀表板、座椅和膝墊等組成。對乘員約束系統的研究主要集中在安全帶和安全氣囊的機械特性上，以獲得最優的約束系統性能［3］。安全帶一般由織帶、卷收器、帶扣和長度調整機構組成［4］，安全帶的作用是使乘員在汽車碰撞時不飛離座椅以避免乘員與汽車內飾件發生劇烈碰撞。安全氣囊由氣體發生器、傳感器、控制系統、氣囊及其附件組成，當傳感器探測到相關的碰撞信號，并經分析確認氣囊應被打開時，控制器觸發氣體發生器，短時間內氣體發生器產生大量氣體對氣囊充氣，使氣囊在人體與汽車內飾件間形成一個氣墊，達到保護人體的目的。汽車座椅是汽車中將乘員與車身聯系在一起的重要部件，它不僅要減輕駕駛員及乘員在長期乘坐時的疲勞以滿足主動安全性要求，還要與安全帶和安全氣囊一起對乘員實現定位的同時緩解碰撞的強度，使乘員的損傷程度盡量減輕。

2 SUV車輛乘員約束系統正面碰撞模型建立及驗證

2．1 仿真模型的建立

根據乘員約束系統工作原理，建立的約束系統模型主要包括安全帶、安全氣囊和乘員艙。其中安全帶包括預緊器和限力器，建模所需的幾何尺寸、織帶的剛度、卷收器的卷軸特性、預緊特性和限力特性參數由供應商提供。安全氣囊模型采用有限元建模，建模所需氣囊的尺寸參數及物理參數、氣囊起爆時間和氣囊的p－t（壓力－時間）曲線從生產廠家處獲得。乘員艙模型主要包括的部件有地板、護膝板、儀表板、風擋玻璃、轉向系統、踏腳板、坐墊和靠背等，各部件的空間位置按車輛實際尺寸布置。同時，為了保證座椅及安全帶的物理特性被準確模擬，本文分別進行了座椅接觸剛度試驗、安全帶延伸率試驗，獲得了建模所需參數。按GB／T 13060－91，測量得到座椅靠背和坐墊靜剛度載荷－撓度曲線如圖1所示，以此作為MADY MO仿真輸入的座椅坐墊和靠背的力和位移的關系曲線。按照GB14166－2003，采用勻速拉伸試驗獲得的安全帶拉伸伸長量的時間歷程曲線如圖2所示，安全帶拉伸后增加的長度與原長度之比即為安全帶的延伸率。

圖1 座椅靠背、坐墊載荷撓度曲線

圖2 安全帶拉伸量的時間歷程曲線

假人模型采用MADY MO仿真軟件提供的經過驗證的HybridⅢ50th男性假人模型，與汽車正碰法規試驗中要求采用HybridⅢ50t h男性假人保持一致。結合乘員艙、安全帶、安全氣囊及假人模型，正確定義假人與約束系統各部件的接觸，并進行預模擬后，得到整車乘員約束系統模型，如圖3所示。

圖3 正面碰撞約束系統模型

2．2 仿真模型的驗證

汽車乘員約束系統模型建立后，必須對關鍵部件——安全氣囊的特性和整個系統的人體動力學響應進行驗證，以評估模型與真實情況的吻合度。

根據生產廠家提供的安全氣囊p－t曲線獲得質量流曲線，需要進行仿真試驗驗證質量流曲線的正確性。建立60L壓力筒模型，將質量流曲線輸入壓力筒，然后輸出壓力筒內的壓力－時間曲線與廠家提供的p－t曲線進行對比，對比曲線如圖4所示。由圖4可見，仿真曲線和試驗曲線吻合較好，后期有些偏差的原因是試驗中壓力筒會漏氣而導致筒內壓力降低，而仿真分析中不存在漏氣，故其后期壓力恒定。

圖4 質量流對比曲線

為了驗證氣囊仿真模型的有效性，分別進行了氣囊靜態展開試驗和仿真分析對比（圖5）、靜態頭錘跌落仿真與試驗對比（圖6）。通過前者使氣囊仿真模型與試驗中氣囊的展開時間歷程保持一致，通過后者使氣囊仿真模型與試驗中氣囊的壓力特性保持一致。

圖5 靜態展開仿真與試驗對比

在車輛正面碰撞事故中，乘員身體各部位傷害頻率最高的為頭部，其次為胸部，頭部的傷害頻率為97%，胸部的傷害頻率為93%。因此，仿真模型計算所得的假人頭部和胸部的動力學響應特性必須與試驗所得的動力學響應特性進行對比，以驗證整個模型的可靠性。仿真計算結果和實車碰撞試驗的假人頭部加速度、胸部壓縮量對比如圖7和圖8所示。

圖6 靜態頭錘跌落仿真與試驗對比

圖7 頭部加速度仿真曲線與試驗曲線

圖8 胸部壓縮量仿真曲線與試驗曲線

仿真計算和實車碰撞的假人頭部加速度、胸部壓縮量的對比分別如表1、表2所示，結果表明計算誤差都在15%以內，仿真模型具有較好的逼真度，可以作為約束系統優化研究的基礎。

表1 頭部加速度對比

表2 胸部壓縮量對比

3 乘員約束系統優化

利用以上驗證后的乘員約束系統模型，對乘員約束系統進行優化。設計變量的選取基于便于實車改進調節的原則，選取乘員約束系統的四個調節參數：座椅X向和Z向、D環Z向和錨點Z向的調節范圍。其中，座椅X向的調節范圍是座椅行程中間位置向前和向后各60 mm，座椅Z向的可調范圍為0～20 mm，D環調節范圍是其所在中間位置向上、向下調節50 mm，錨點的調節范圍是以其設計位置向下10 mm，向上30 mm。

優化目標：加權傷害準則（weighted inj ury criterion，WIC）綜合了頭部、胸部以及大腿骨各損傷評價準則，以全面評價事故中乘員的損傷程度以及乘員約束系統的保護性能。WIC值越低，約束系統的保護性能越好。WIC值的定義如下：

式中，HIC36為頭部傷害準則的數值；C3ms為胸部3 ms準則的數值，g；CCOMP為胸部壓縮量，m；Ffemurleft為左大腿骨最大軸向力，k N；Ffemurright為右大腿骨最大軸向力，k N。

按照正交試驗設計表L25（56）安排乘員約束系統仿真試驗，計算結果及對應的設計參數值如表3所示。

表3 乘員約束系統優化仿真試驗

從表3所示的優化結果可知，第22組的WIC值最小，此值對應的設計參數值為：座椅前移30 mm，座椅上升20 mm，D環上移25 mm，錨點上移10 mm。

按上述方案進行臺車試驗驗證，如圖9所示。結果顯示各項評估指標表現良好，其中假人頭部加速度曲線如圖10所示，根據頭部合成加速度計算得到HIC值為267．56，較改進優化前的415下降了35．6%，頭部3 ms合成加速度也從改進前的C－NACP測試項的得分為零到改進優化后的達標，驗證了改進優化方案的良好效果。

圖9 臺車碰撞試驗

圖10 改進前后假人頭部加速度合成曲線對比

4 結語

本文針對某SUV車輛乘員約束系統的改進需要，基于方便實車改進的原則，選取座椅前后及上下位置、D環上下位置和錨點上下位置等參數作為設計變量，采用正交化試驗設計方法對上述參數進行了優化。結果表明，座椅的設計位置適當前移并適當提高，D環適當上移調整，錨點適當下移能在較大程度上降低乘員傷害指標，達到改進乘員約束系統的目的。同時，利用計算機仿真技術與試驗相結合的方法來改進車輛的乘員約束系統，能夠減少實車碰撞試驗次數，有利于降低汽車的研發成本，縮短改進周期。

［1］ 鐘志華，張維剛，曹立波，等．汽車碰撞安全技術［M］．北京：機械工業出版社，2005．

［2］ 張學榮，劉學軍，陳曉東，等．正面碰撞安全帶約束系統開發與試驗驗證［J］．汽車工程，2007，29（12）：1055－1058．

［3］ 孫奕．汽車乘員約束系統碰撞安全性的數值模擬與匹配設計［D］．上海：上海交通大學，2004．

［4］ 鐘志華．汽車安全氣囊技術及其應用［J］．中國機械工程，2000，11（1／2）：234－238．