安全帶固定點(diǎn)位置對乘員損傷及舒適性仿真分析與研究

閆宏濤，馬燕，段大祿

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

安全帶固定點(diǎn)位置對乘員損傷及舒適性仿真分析與研究

閆宏濤，馬燕，段大祿

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

安全帶作為汽車碰撞過程中保護(hù)駕乘人員的基本防護(hù)裝置，為了保證其安全有效性和佩戴舒適性，通過設(shè)置前期開發(fā)中某車型駕駛員安全帶固定點(diǎn)，針對安全帶的乘員佩戴舒適性及碰撞損傷進(jìn)行研究，結(jié)合工程實(shí)際情況，有效解決了該車型安全帶固定點(diǎn)位置的布置問題。

汽車安全；安全帶固定點(diǎn)；仿真優(yōu)化

Abstract:Safety belt is basic protection device which can protect drivers in a car crash. In order to guarantee its safety,effectiveness and wearing comfort, by arranging driver belt fixing points of a pre-developed vehicle, the occupants injury and comfort were studied. Combining with the actual situation of the project, the layout problem of a safety belt fixing point position was solved effectively.

Keywords: Vehicle safety; Seatbelt fixing point; Simulation optimization

0 前言

汽車乘員艙的安全性和舒適性是乘員艙設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，安全帶作為保護(hù)乘員最基本的防護(hù)裝置，其合理的設(shè)計(jì)尤其重要，不僅關(guān)系到乘員安全性，同時也關(guān)系到乘員的乘坐舒適性。車輛碰撞安全要求的不斷提高，與安全帶相關(guān)的強(qiáng)制性法規(guī)越來越高的指標(biāo)要求，促使在設(shè)計(jì)車輛安全帶時更要注重安全帶固定點(diǎn)的布置、安全帶自身的性能、安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度等方面研究。文中結(jié)合工程實(shí)際，研究汽車安全帶固定點(diǎn)位置對乘員損傷及舒適性，確保乘員約束系統(tǒng)滿足GB 11551-2003正面碰撞法規(guī)要求[1]。

1 安全帶佩戴模擬和安全性模型

1.1 RAMSIS安全帶佩戴模擬模型

在人機(jī)工程軟件RAMSIS中，通過駕駛員設(shè)計(jì)位置的數(shù)據(jù)將50百分位假人的H點(diǎn)(跨點(diǎn))定位于H點(diǎn)行程軌跡的中點(diǎn)，腳部與雙手分別按照AHP點(diǎn)(腳踵點(diǎn))及SWC點(diǎn)(方向盤中心點(diǎn))定位，假人靠背角約束為20°、腳踝角度約束為87°，定位完成的假人如圖1所示。

在RAMSIS軟件中，根據(jù)駕駛員安全帶的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包括安全帶的左右固定點(diǎn)及導(dǎo)向環(huán)的形式、外形尺寸、在車輛坐標(biāo)系中的位置等在安全帶模擬分析模塊中輸入安全帶的形式、尺寸、位置等信息，如圖2所示。

完成假人定位及安全帶的信息輸入后，即可在安全模擬分析模塊中進(jìn)行分析，計(jì)算出安全帶的佩戴仿真位置，如圖3所示。

1.2 駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)模型

使用多剛體動力學(xué)分析軟件MADYMO建立駕駛員約束系統(tǒng)模型，主要包括座椅、方向盤、安全帶、地板、踏板、儀表臺和假人[2]。汽車的乘員艙變形通常較小，為了提高計(jì)算效率，簡化建模，建立車體的多剛體模型。仿真分析使用的安全帶模型為1D多剛體-2D有限元混合安全帶，便于安全帶預(yù)模擬，與假人接觸部分采用2D有限元模型，查看安全帶與假人貼合情況。使用MADYMO假人模型庫中的50%分位Hybrid Ⅲ型男性假人作為乘員模型，即法規(guī)試驗(yàn)所使用假人，用來計(jì)算評估乘員的損傷指標(biāo)。完整的駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)模型如圖4所示。

為了確保仿真分析模型的準(zhǔn)確性以及可靠性，根據(jù)試驗(yàn)掃描測量所獲得的假人姿態(tài)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)法規(guī)碰撞試驗(yàn)所得到的假人各個部位的響應(yīng)結(jié)果及損傷曲線對仿真模型進(jìn)行了對標(biāo)分析驗(yàn)證，包括頭部加速度曲線、胸部加速度曲線和胸部壓縮量曲線、骨盆加速度曲線、左右大腿力曲線。文中主要考察頭部損傷，如圖5所示。

2 仿真結(jié)果及優(yōu)化分析

由于該車型騾子車經(jīng)對標(biāo)車改制而成，針對騾子車實(shí)際狀態(tài)，取安全帶上固定點(diǎn)安裝孔A為分析初始位置，此位置也為試驗(yàn)位置，座椅行程180 mm，安全帶作用在假人人體狀態(tài)如圖6所示，在RAMSIS模型中對安全帶進(jìn)行佩戴預(yù)模擬，如圖7所示。

圖6 試驗(yàn)前安全帶位置狀態(tài)

圖7 固定點(diǎn)A安全帶佩戴模擬

由分析可知，固定點(diǎn)A位置不合理，安全帶從人體手臂穿過，嚴(yán)重影響了手臂運(yùn)動及肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。針對該問題對安全帶上固定點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化分析，安裝孔位置如圖8所示，分析結(jié)果如表1所示。

安裝孔人體及H點(diǎn)SAE95%H點(diǎn)最后位置SAE50%H點(diǎn)向前90mmGB5%H點(diǎn)最前位置GB95%H點(diǎn)最后位置安裝孔A織帶未接觸織帶部分接觸偏下織帶全接觸織帶未接觸安裝孔B1織帶部分接觸織帶全接觸織帶全接觸織帶全接觸略偏下安裝孔B2織帶全接觸織帶全接觸織帶全接觸織帶全接觸安裝孔C織帶部分接觸織帶全接觸織帶全接觸織帶部分接觸

綜合考慮，選取安裝孔B1進(jìn)行碰撞仿真驗(yàn)證，建立MADYMO模型如圖9所示。由圖可知，B1安裝孔所得的安全帶預(yù)模擬狀態(tài)良好，織帶經(jīng)由假人肩膀中部穿過，不影響人體左臂及肩關(guān)節(jié)運(yùn)動。對此，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對比假人各運(yùn)動參數(shù)及頭部損傷值，評估B1點(diǎn)的碰撞安全性能，具體分析結(jié)果匯總見表2。

評價指標(biāo)試驗(yàn)狀態(tài)采用安裝孔A采用安裝孔B1設(shè)計(jì)狀態(tài)采用安裝孔B1假人前移量/m0.4270.3730.348方向盤接觸速度/(m·s-1)10.4(仿真)8.768.48頭部HIC值946912.4899.3

3 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 白車身固定點(diǎn)強(qiáng)度驗(yàn)證

從表2中可知：在假人、座椅及方向盤位置均為試驗(yàn)狀態(tài)或設(shè)計(jì)狀態(tài)采用安裝孔B1時，假人前移量、頭部與方向盤接觸速度以及頭部HIC值均有改善，證實(shí)了采用B1安裝孔在滿足安全帶佩戴舒適性要求的前提下，同時也改善了安全性能。

對安全帶新固定點(diǎn)B1進(jìn)行強(qiáng)度校核，驗(yàn)證座椅安全帶固定點(diǎn)能否滿足GB14167《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)》的要求[3]。如圖10所示，3點(diǎn)式安全帶加載裝置分別施加15.6 kN=13.7+0.1×19，計(jì)算結(jié)果如圖11所示，主駕駛安全帶上固定點(diǎn)最大應(yīng)變?yōu)?.028，撕裂風(fēng)險較小，滿足法規(guī)要求。

3.2 整車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化后的方案進(jìn)行100%正面碰撞試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果匯總見表3，可知試驗(yàn)后各評價指標(biāo)均符合法規(guī)要求[1]。對比仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，各指標(biāo)的誤差在10%以內(nèi)，說明仿真分析可以較好地預(yù)估實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果，對實(shí)際工程問題有一定指導(dǎo)作用。

表3 碰撞試驗(yàn)結(jié)果匯總

4 結(jié)論

乘員艙的安全性和舒適性是乘員艙設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，安全帶作為保護(hù)乘員最基本的防護(hù)裝置，其合理的設(shè)計(jì)尤其重要。

文中根據(jù)某車型騾子車所存在的問題，在車型開發(fā)前期，采用MADYMO碰撞仿真分析模型，對安全帶佩戴舒適性和安全性進(jìn)行跨學(xué)科研究，結(jié)合工程產(chǎn)品的實(shí)際開發(fā)過程，不僅改善了安全帶佩戴舒適性，同時也提高了安全性能，確保了系統(tǒng)的整體性能，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

該研究方法不僅可縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期， 而且可穩(wěn)健地推動企業(yè)乘員約束系統(tǒng)的平臺化進(jìn)程，進(jìn)一步降低開發(fā)成本，最終體現(xiàn)公司“低成本，高價值”理念。

【1】 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB 11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

【2】 WHO.World report on road traffic injury prevention:summary,2004.

【3】 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 14167-2013汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)[S]．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014．

SimulationAnalysisandResearchofSafetyBeltMountingPositiontoOccupantInjuryandComfort

YAN Hongtao,MA Yan,DUAN Dalu

(SAIC-GM-Wuling Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi 545007,China)

2014-06-17

閆宏濤(1984—)，碩士，工程師，研究方向?yàn)榘踩s束系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)。E-mail：Hongtao.Yan@sgmw.com.cn。