基于零部件試驗的汽車側面碰撞假人傷害的研究*

董學勤，朱西產，馬志雄，王晶晶，陳曉東，王洪泉

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804; 2.無錫出入境檢驗檢疫局，無錫 214174)

前言

在側面碰撞中導致致命或人體嚴重傷害的主要部位為胸部、腹部和髖部。有關側面碰撞對人體不同部位損傷的試驗研究，可通過實車碰撞試驗進行，也可在模擬實車碰撞的臺車試驗上進行［1］，側面碰撞影響乘員安全的主要因素是車身側面結構、車門內飾系統的剛度、側面約束系統和乘員座椅等。由于側面碰撞中車門各個區域的變形不同，所以在一次臺車試驗上同時復現實車側面碰撞試驗中假人胸部、腹部、髖部的傷害值比較困難［2］。本文中基于側面碰撞的理論模型，分析了假人傷害與車身側面系統的相關性，結合零部件試驗和臺車試驗，對在側面碰撞中的假人傷害進行研究。

1 側撞假人傷害與車身參數的相關性

側面碰撞時幾乎沒有緩沖空間來保證車內乘員的生存空間［3］，乘員在加速過程中受到的傷害程度受車門初速度、車門加速度、乘員加速度、車門與乘員的相對距離和碰撞結束時刻乘員與車門的速度等因素的影響，是一個多參數非線性的復雜系統。本文中將乘員和車門的加速度簡化為平均加速度，建立了側面碰撞的理論模型，如圖1和圖2所示。

圖1和圖2中v0為車門的初始速度，v1為車門與乘員的共同速度，t1為車門與乘員達到共同速度的時刻，D為初始狀態時車門與乘員的相對距離。設車門的平均加速度為A，乘員的平均加速度為a，則有

由式(1)可以看出，乘員加速度、車門與乘員的相對距離、車門加速度和車門的初始速度有一定的關聯。在不改變車身結構的前提下，合理變更車門內板與側面安全氣囊的形狀和剛度，可改變車身與假人接觸時的加速度值，達到降低假人傷害程度的目的。

2 整車側面碰撞試驗結果分析

2.1 胸部區域試驗結果分析

所選車型按照C-NCAP側面碰撞標準進行整車側面碰撞試驗，圖3為胸部3根肋骨的變形曲線圖。3根肋骨的變形量相差較大，其中下肋骨變形量超過C-NCAP中規定的22mm的高限值，導致胸部區域得分較低。

2.2 腹部區域試驗結果分析

根據整車側面碰撞試驗結果，腹部受力達1.855kN，超過C-NCAP中規定的1kN的高限值，如圖4所示。通過試驗過程中的高速錄像和試驗后腹部水彩位置可以發現，在整個試驗過程中，腹部主要與車門扶手接觸，并且車門扶手的碰撞區域剛好是扶手后端轉角位置處，該處剛度明顯過高，導致腹部受力較大，得分較低。

2.3 髖部區域試驗結果分析

從試驗假人髖部水彩位置可看出，髖部與車門上泡沫止推塊所在區域對應，泡沫止推塊粘貼在門內飾板和門基板之間，在碰撞的初始階段給假人一個比較剛性的推力，使假人快速遠離門內飾，這種設計雖然會加大髖部的受力，但可較大幅度地降低胸部和腹部的傷害，從而改善側面碰撞性能［4］。圖5中髖部受力達3.35kN，超過C-NCAP中規定的3kN的高限值，泡沫塊剛度過大，導致髖部位置失分。

從上述的分析中可以看出假人3個區域都存在問題。表1為假人傷害值與C-NCAP高限值。胸部區域可通過對側氣囊的包形進行改進，使上、中、下3根肋骨的壓縮變形量趨于一致，從而降低下肋骨的變形量;腹部位置直接對著車門扶手后部的轉彎角處，再往外，又對著門內飾板背面一個用來安裝連接卡扣的凸臺;髖部位置則對著車門內飾后下部泡沫止推塊處。因此，應在保證不影響原有部件功能和相關位置的情況下合理調整相應部件的剛度，以提高該車側面碰撞的性能。

表1 整車側面碰撞試驗假人傷害值

3 車門總成和側氣囊子模型的建立

3.1 車門總成有限元模型

車門總成有限元模型包括車門內板、泡沫止推塊、門基板和車門內飾板4個部分。胸部、腹部和髖部3個碰撞塊和假人相應部位質量是相同的，按照假人和車身的相對位置，確定了胸部、腹部和髖部3個部位在碰撞過程中的初始位置，根據整車碰撞試驗的數據，分別以不同的初速度沿Y方向撞擊門內飾對應的3個區域。車門內飾板動態沖擊試驗的目的是為了對有限元模型進行驗證。仿真和試驗中胸部、腹部、髖部3個碰撞區域的門內飾剛度曲線有較好的一致性，如圖6和圖7所示。

3.2 側氣囊臺車有限元模型

在MADYMO中建立側面碰撞的臺車試驗仿真模型，仿真模型采用MADYMO自帶的ES-2多面體Q假人［5］，氣囊采用經過靜態點爆和動態沖擊試驗驗證的胸部氣囊模型。側面碰撞中整車試驗和臺車試驗有較大的區別，通過仿真模型與整車碰撞試驗的結果對比，利用仿真模型中的工況設置去指導臺車試驗。圖8和圖9為仿真模型中胸部3根肋骨的壓縮變形量與臺車碰撞試驗中3根肋骨壓縮變形量的對比。由圖可見，仿真模型與臺車試驗具有較好的一致性。

4 降低側面碰撞假人傷害的研究

4.1 側面氣囊改進分析

根據上述分析，假人胸部3根肋骨的壓縮變形量不一致，下肋骨變形量過大。可通過對胸部氣囊包形的改進，減小下肋骨變形量，使3根肋骨變形量趨于一致。經臺車試驗和仿真研究分析，胸部氣囊最佳包形如圖10所示。由圖可見，改進后胸部氣囊的保護范圍明顯改善。原胸部氣囊泄氣孔開在靠近車門的一側，氣囊作用過程中，泄氣孔可能會被車身某些部件阻塞，影響氣囊泄氣，進而降低氣囊對車內乘員的保護作用。因此，改進后胸部氣囊的泄氣孔采用在縫合線處開孔的形式，即泄氣孔位置不縫合。

采用經過多次仿真改進后的氣囊，進行側面碰撞臺車試驗，比較試驗得到的胸部3根肋骨的壓縮變形量與改進前側撞臺車試驗中3根肋骨的壓縮變形量，如圖11所示。可以看出胸部肋骨壓縮變形量明顯減小，可以提高C-NCAP側面碰撞試驗中假人胸部區域的得分。

4.2 車門內飾板的改進分析

4.2.1 腹部傷害值

從整車試驗結果分析中已知腹部失分的主要原因是車門內飾板扶手后部轉角處的剛度過大，另外在仿真中發現，門內飾板背面凸臺的剛度對腹部傷害值的影響也比較大。經過仿真計算，這兩處結構采用了兩種改進方案，如圖12和圖13所示。

第1種方案是弱化門內飾扶手轉角處的結構，降低該處的剛度;第2種方案是取消門內飾背部的凸臺，以降低其對腹部的傷害。兩種方案分別進行仿真和試驗中驗證，結果如圖14所示。

兩種方案的剛度曲線在第1個波峰值都小于1kN，且第2種方案比第1種方案的效果更好，比改進前降低了近300N，但由于第2個方案中取消凸臺對其他方面的性能有較大影響，所以腹部區域最后采用第1種方案。

4.2.2 髖部傷害值

對髖部區域的改進方案見圖15。即在泡沫止推塊上開兩個方形孔，以降低其推動剛度。由于泡沫塊與后面的門基板之間有13mm的空間，所以可增加其厚度，以保證其吸能性不變。通過仿真來確定開孔的位置和尺寸，將改進后的泡沫止推塊進行試驗驗證，圖16為改進前后的試驗剛度曲線圖。

從試驗結果可以看出，采用改進后的泡沫止推塊后，降低了髖部區域的剛度，而且增加了變形，使髖部區域的傷害值降低，達到了預期的目的。對泡沫的改進還可通過調整泡沫的密度和材料成分等工藝方法，也能達到同樣的效果。最后針對各部位改進后的結構重新進行整車碰撞試驗，表2為改進前后假人各區域傷害值的對比。

表2 優化前后假人傷害值

5 結論

基于理論模型，分析了在側面碰撞中假人的傷害機理，確定了傷害值與車身相關參數的關聯性。以某車型在整車側面碰撞中假人胸部、腹部和髖部傷害較大的問題為例，針對假人的不同區域采用零部件試驗和局部子模型的有限元仿真，對側面氣囊和車門內飾的結構進行改進，優化了其剛度，從而有效降低了假人的傷害值，達到了預期的目標。

［1］Morris R A，Crandall J R，Pilkey W D.Multi Body Modeling of a Side Impact Test Apparatus［J］.IJ Crash，1999，4(1).

［2］Lim G，Chou C，Sundararajan S，et al.Development of a Door Test Facility for Implementing the Door Component Test Methodology［C］.SAE Paper 970568.

［3］Kent R，Crandall J，Butcher J，et al.Sled System Requirements for the Analysis of Side Impact Thoracic Injury Criteria and Occupant Protection［C］.SAE Paper 2001-01-0721.

［4］Shaw L.Pelvic Response to Lateral Impact-Padded and Unpadded［C］.SAE Paper 890606.

［5］MADYMO Theory Manual，Version 7.2［G］.TNO Road-Vehicle Research Institute，2010.