正面碰撞中后排假人傷害優(yōu)化

盧翠 鞠春賢 蔣斌慶 岳國(guó)輝 陳現(xiàn)嶺

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

2012年C-NCAP（新車評(píng)價(jià)規(guī)程）中增加了對(duì)后排乘員的評(píng)價(jià)，其中的后排假人定量化，即對(duì)3 項(xiàng)碰撞試驗(yàn)中依據(jù)每個(gè)假人的指標(biāo)給予最高2 分的評(píng)價(jià)[1]。系統(tǒng)規(guī)則變化后，由于汽車廠商還沒有完全理解或設(shè)計(jì)不到位，因此相關(guān)廠商應(yīng)加強(qiáng)優(yōu)化后排約束系統(tǒng)的能力[2]。汽車廠商需要加大成本，研發(fā)更安全的汽車來保護(hù)車內(nèi)后排乘員，滿足消費(fèi)者的要求。文章主要針對(duì)后排頸部和胸部得分較低的問題，建立50 km/h100%正面碰撞（50 FF）和64 km/h40%偏置碰撞（64 ODB）2種工況的仿真模型，對(duì)后排增加限力式安全帶、預(yù)緊限力式安全帶和安全氣囊配置進(jìn)行仿真分析。

1 后排得分現(xiàn)狀及分析

在C-NCAP 的3 項(xiàng)碰撞試驗(yàn)中，后排乘員在100%正面碰撞和40%偏置碰撞中失分較多。因此正面后排優(yōu)化成了一個(gè)難點(diǎn)。為了了解各大汽車制造廠后排安全配置和性能，統(tǒng)計(jì)了2013年2批C-NCAP 結(jié)果中的后排情況，如圖1 所示。

由圖1 可以看出，各大汽車制造廠后排安全帶采用普通三點(diǎn)式安全帶的占63%，結(jié)果普遍得分在0.8～1.74 分；加限力式安全帶的車型得分基本能達(dá)到2 分以上；加預(yù)緊限力式安全帶的車型得分接近3 分。正面碰撞試驗(yàn)工況中，后排乘員的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為在不發(fā)生二次碰撞的情況下，考察z 方向頸部受力（Fz/N）和胸部壓縮量。在C-NCAP 后排正面碰撞結(jié)果中，頸部和胸部得分均較低，因此優(yōu)化約束系統(tǒng)可以從減小頸部和胸部傷害值兩方面考慮。

從頸部受力來分析，頸部受力主要是頭部和胸部，而頭部z 方向受力情況，如圖2 所示。根據(jù)牛頓第三定律得到平衡式：

式中：F'z——頸部對(duì)頭部z 向力（局部坐標(biāo)系），N；

G頭z——頭部自身重力z 向力（局部坐標(biāo)系），N；

F合z——頭部z 向合力（局部坐標(biāo)系），N。

人體向前運(yùn)動(dòng)過程中，由于胸部被安全帶束縛住，頭部受慣性力作用向前沖，導(dǎo)致頭部繞頸部y 方向轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)平衡式，F(xiàn)'z直接影響Fz，所以要想提高頸部得分，應(yīng)盡量減小頭部z 向受力或增加胸部向前的位移量。所以其優(yōu)化方案主要是增加預(yù)緊限力式安全帶和增加保護(hù)頭部的氣囊。

從胸部受力方向來分析，首先分析試驗(yàn)中用的HybridⅢ型第5 百分位假人的傷害機(jī)理，因?yàn)樗窃谌梭w解剖學(xué)的基礎(chǔ)上通過大量尸體試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的，完全滿足力學(xué)結(jié)構(gòu)的仿真性、相似性和重用性，保證在碰撞過程中能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)身體各部位的損傷程度[3]。假人胸部傳感器結(jié)構(gòu)圖，如圖3 所示，其工作原理為當(dāng)胸部受到擠壓時(shí)接觸的傳感器頂部的感應(yīng)球，傳遞到連接桿的轉(zhuǎn)動(dòng)量，其轉(zhuǎn)動(dòng)量被電位計(jì)檢測(cè)并轉(zhuǎn)化為胸部位移量。在正面碰撞過程中，與后排乘員胸部接觸的只有安全帶，安全帶將乘員束縛住時(shí)給胸部帶來副作用。所以要想減小胸部傷害值，應(yīng)在人體與前排座椅空間允許的情況下，盡量減小安全帶和人體的相互作用力。通常優(yōu)化方式為增加限力式安全帶。也可以增加保護(hù)膝部的氣囊，減小假人向前運(yùn)動(dòng)量，以及安全帶與人體的相互作用力，改善胸部得分。

2 某車型后排約束系統(tǒng)優(yōu)化

以某款車型為例進(jìn)行對(duì)標(biāo)和仿真優(yōu)化，該車型在完成實(shí)車碰撞試驗(yàn)后，統(tǒng)計(jì)后排得分，如表1 所示，這2種工況滿分為4 分，但試驗(yàn)得分只有1.55 分，其中頸部得分率為0，胸部得分率不到50%。所以后排的優(yōu)化空間很大，可通過仿真優(yōu)化改進(jìn)達(dá)到更高的星級(jí)目標(biāo)。

表1 某車型碰撞試驗(yàn)中后排乘員得分表

2.1 模型建立

在Madymo 軟件中，建立正面后排仿真模型。Madymo 軟件結(jié)合了多剛體以及有限元計(jì)算方法，廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)中乘員約束系統(tǒng)的優(yōu)化開發(fā)、人體生物學(xué)損傷研究及交通事故再現(xiàn)等領(lǐng)域，具有快速、直觀及準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)[4]。模型主要包括前后排座椅、地毯和安全帶模型。根據(jù)實(shí)車具體位置調(diào)整模型中的相對(duì)位置，模型中采用限力式安全帶，輸入CAE 仿真波形，構(gòu)成完整的正面碰撞仿真模型[3]，如圖4 所示。

2.2 仿真和試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

根據(jù)實(shí)車（約束系統(tǒng)配置與仿真的相同）50 FF 和64 ODB 的試驗(yàn)來驗(yàn)證模型的仿真精度，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)假人傷害值，確保加預(yù)緊優(yōu)化的準(zhǔn)確性。根據(jù)試驗(yàn)與仿真波形對(duì)比，2種工況下的頸部傷害曲線，如圖5 和圖7所示，胸部壓縮量傷害曲線，如圖6 和圖8 所示。

從圖5～圖8 中可以看出，仿真跟試驗(yàn)的相關(guān)性很好，關(guān)鍵指標(biāo)均在15%的誤差范圍內(nèi)，所以可將此仿真模型作為基本模型進(jìn)行研究[5]。

2.3 后排優(yōu)化方案和仿真驗(yàn)證

通過分析頸部和胸部傷害機(jī)理，制定了4 個(gè)優(yōu)化方案：

方案1：增加保護(hù)后排頭部的氣囊；

方案2：限力等級(jí)不變，增加預(yù)緊功能；

方案3：增加保護(hù)膝部的氣囊；

方案4：降低限力等級(jí)。

通過仿真計(jì)算，統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表2 所示。64 ODB 中頸部Fz和胸部壓縮量傷害曲線圖，如圖9 和圖10 所示（64 ODB 失分較多，重點(diǎn)分析）。

表2 4 種優(yōu)化方案仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從表2 中可以看出，與仿真基礎(chǔ)相比較，4 種方案的得分都有提高。方案1：頸部改善效果最好，在64 ODB中，94 ms 時(shí)氣囊接觸頭部，如圖11 所示（圖11 中紫色為仿真基礎(chǔ)，紅色為加氣囊優(yōu)化），頭部受到氣囊向上和向后的作用力，向上的作用力減緩了頭部對(duì)頸部向下的作用力，并且向后的作用力減慢了頭部向前的運(yùn)動(dòng)，使頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)量減小，因此Fz減?。欢蚝蟮姆肿饔昧κ钩藛T在髖部運(yùn)動(dòng)不變的情況下上半身向前運(yùn)動(dòng)量減小，安全帶對(duì)胸部的傷害也隨之減小，雖然胸部改善效果最差，但總分提高1.51 分。

方案2：增加預(yù)緊功能，頸部和胸部都得到改善。預(yù)緊主要是在20 ms 時(shí)消除初始時(shí)人體與安全帶的間隙，這時(shí)胸壓開始增大，F(xiàn)z開始緩慢減小。112 ms 時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖12 所示（紫色為仿真基礎(chǔ)，黃色為加預(yù)緊優(yōu)化），加預(yù)緊后人體向前的運(yùn)動(dòng)量小，胸壓、頭部向下的加速度以及Fz均可減小。綜合提高1.73 分。

方案3：加保護(hù)膝部的氣囊后，相較于仿真基礎(chǔ)，假人向前位移量減小10 mm，如圖13 所示。胸壓曲線起始時(shí)間晚了3 ms，胸壓峰值減小，110 ms 時(shí)，髖部停止運(yùn)動(dòng)后，上半身繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，胸壓增大，如圖10 所示，減小了安全帶對(duì)乘員胸部的傷害，可以降低胸部壓縮量，總分提高0.59 分。

方案4：降低限力等級(jí)后安全帶力減小，安全帶拉出距離增大，假人向前運(yùn)動(dòng)距離增加，在117 ms 時(shí)假人頭部與前排座椅發(fā)生了二次碰撞，如圖14 所示，導(dǎo)致Fz迅速減小，胸壓雖然最小但發(fā)生二次碰撞后評(píng)分規(guī)則發(fā)生了變化，最終只提高了0.19 分。

綜上，方案1 和方案2 可有效提高后排得分。方案1 成本高，且目前技術(shù)還不成熟；方案2 提高后排得分最多，及早將后排乘員束縛在座椅上，緩解假人頸部和胸部的傷害。所以，增加預(yù)緊功能是最有效又經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化方法。

3 結(jié)論

對(duì)后排的4 種優(yōu)化方案（加預(yù)緊、加后排頭部和膝部氣囊以及降低限力值）進(jìn)行分析，加保護(hù)頭部的氣囊雖然對(duì)頸部有很好的保護(hù)效果，對(duì)胸部也改善良好，可優(yōu)化空間大（拉帶等各種參數(shù)的優(yōu)化），但成本高，可行性差；加預(yù)緊不僅對(duì)胸部有很大的保護(hù)，同時(shí)頸部傷害也有很大降低；加保護(hù)膝部氣囊對(duì)后排的優(yōu)化作用較小，一般不采用；降低限力等級(jí)在后排空間允許的情況下是很好的優(yōu)化方案。綜合比較4 種優(yōu)化方案，增加預(yù)緊功能是既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的一種方案，而且加預(yù)緊已經(jīng)在國(guó)內(nèi)某些車型上應(yīng)用，結(jié)果（C-NCAP 公布結(jié)果中加預(yù)緊車型）得分提高，因此，加預(yù)緊是提高后排得分的有利方法之一。