約束系統匹配對車-車斜角碰撞中駕駛員損傷影響

費 敬，陳可明，樂中耀，郝海舟，顏凌波

（1.中國汽車工程研究院，重慶 401122；2.湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南，長沙 410082）

交通事故統計數據顯示，2010年交通事故總數為390.6萬起，造成的經濟損失達到了9.3億元。在這些交通事故中，兩車相撞的交通事故占總交通事故的53%～55%，兩車相撞的駕乘傷亡人員占交通事故傷亡總數的60%以上[1]。而在我國，關于斜角度碰撞的研究比較少，也沒有相關的法規要求。Kaye Sullivan等人對汽車耐撞性數據庫NASS-CDS進行了統計分析，結果表明碰撞角度為15°～45°的比例為29.5%[2]。由此可見，研究兩車相撞的交通事故尤其是斜角度碰撞對完善我國的碰撞安全法規以及降低乘員損傷有著重要的意義。

大量研究表明，乘員約束系統與乘員生物指標最相關，而乘員約束系統的匹配可以有效地減少乘員的傷害。雷雨成等人提出了提高汽車的碰撞相容性之一的措施是加強自身乘員保護系統[3]。Adrian K.lund等人認為，現階段改善相容性最有效的辦法就是進一步改善乘員約束系統[4]。與40%偏置碰撞類似，斜角度碰撞是一種特殊的碰撞形式，車身只有一側參與碰撞，較嚴重的前部車體變形導致乘員艙空間侵入較大進而導致乘員傷亡。因此，安全氣囊與安全帶的有效匹配對降低乘員的損傷顯得非常重要。

1 MAYMO約束系統模型的建立

1.1 車體有限元模型驗證

本文建立的MADYMO模型是30°斜角碰撞中的被撞車模型，參考的是美國國家碰撞分析中心（NCAC）發布的2010年版豐田Yaris有限元模型。車-車碰撞模型如圖1所示，碰撞速度為50 km/h。NCAC建立模型后進行了100%正面碰撞試驗，試驗與仿真模擬如圖2（a）和（b）所示。試驗與仿真的車體加速度曲線如圖3所示。由圖3可知，試驗與仿真的加速度曲線吻合較好，可以用于后續的研究。

1.2 安全氣囊模型的建立

氣囊的建模一般包括均勻壓力（UP）建模與計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）建模，后者主要應用于精確模擬氣囊的展開過程，適用于對離位乘員的研究。本模型中氣囊的建模采用的是UP模型，這是因為氣囊與乘員接觸時氣囊已經處于完全展開的狀態，氣流的作用不明顯，氣囊內各處的壓力已經達到了平均狀態。建立的氣囊模型如圖4和圖5所示，氣囊容積為50 L，大氣壓力為1.01e+5 Pa，溫度為296 K，環境中氣體成分包括 N2，CO2，O2，Ar。通過 INFLATOE.DEF 定義了氣體的流動，包括氣體的質量流率、溫度、充氣氣體的成分以及噴嘴，質量流率曲線與溫度流曲線如圖6和圖7所示。充氣氣體成分包括H2O，He，H2。此氣囊沒有定義噴嘴，而是通過定義不同時刻的噴氣量模擬噴氣。氣囊起爆的時間為9 ms。拉帶采用的是兩節點彈簧單元進行模擬，拉帶的材料和屬性在MATERIAL.KELVIN3D和PROPERTY.BEAM2_DISCRETE中定義。孔材料通過定義MATERIAL.HOLE來模擬，織物材料通過定義MATERIAL.FRABIC_SHEAR和PROPERTY.MEM3來模擬。

1.3 安全帶模型的建立

假人安全帶采用MB-FE混合法建立，由有限元（FE）安全帶和傳統的多體（MB）安全帶組成，如圖8所示。混合法建立的安全帶模型不僅計算快，還能模擬織帶在假人身上兩個方向的滑動。建立的安全帶模型包括安全帶肩帶與腰帶、卷收器、D環、錨點以及帶扣。建立好FE安全帶后，需要通過預演算對安全帶定位，找到滿足力學平衡條件的安全帶位置。安全帶建模最復雜的問題是FE安全帶與乘員的佩戴過程，即FE安全帶與乘員的貼合。MADYMO高版本新增加的Belt Fitting功能可以很方便地建立安全帶模型并使安全帶與假人快速準確地貼合，大大節省了傳統建模的時間。安全帶預緊和限力作用可以通過MADYMO里面的關鍵字BELT_PRETENSIONER.PAYIN_TIME和BELT_LOAD_LIMITER來定義，也可以采用鉸鏈約束來模擬。本研究采用的是鉸鏈約束，分別在安全帶錨點進行安全帶腰帶預緊，在卷收器處進行安全帶肩帶預緊。在卷收器模型以及錨點模型里定義鉸鏈的限力作用。腰帶MB部分包括錨點至安全帶腰帶一末端節點，帶扣至安全帶腰帶另一末端節點；肩帶MB部分包括卷收器至D環，D環至安全帶肩帶FE末端一節點，安全帶肩帶FE末端另一節點至帶扣，通過關鍵字POINT_OBJECT.MB來定義。安全帶織帶的剛度曲線如圖9所示。

1.4 人-車仿真模型的建立

本研究采用多剛體-有限元分析軟件MADYMO建立仿真模型，這是因為MADYMO里面自帶有豐富的假人數據庫，可以很方便地調用所需的假人模型，且這些模型經過嚴格的生物學驗證，生物逼真度很高。載荷的施加通過關鍵字MOTION.JOINT_POS加載車體鉸鏈的x、y、z方向加速度和3個方向的角加速度隨時間變化的曲線。施加的x、y、z方向加速度與角加速度曲線如圖10（a）和（b）所示。

MADYMO后處理軟件MadPost可以運用PSM（Prescribed Structure Motion）加載前圍板、儀表板等部件的變形，通過關鍵字MOTION.STRUCT_DISP來調用變形文件[5-6]。此方法是把對乘員損傷影響較大部件的運動情況作為已知的邊界條件導入到MADYMO中，通過有限元仿真獲得這些部件的侵入量、侵入速度等。該方法建模比較快，相對于有限元仿真CPU的計算時間更短，大大節省了時間和費用，且計算結果具有較高的預測性，對約束系統的開發與乘員保護有很大的現實意義。本研究即采用PSM方法將防火墻等的運動信息導入到MADYMO里面進行計算。PSM計算流程如圖11所示。

2 損傷評價準則的選取

通常我們所做的研究是以HIC36(或HIC15)、胸部3 ms準則、胸部壓縮量、頸部Nij來衡量假人損傷。但是這些損傷評價標準是以一定的容限水平來評價乘員約束系統設計的。為評價約束系統整體性能，應該有一個包括單個傷害參數的完全傷害準則。基于這種考慮，參考了加權損傷評價準則WIC[7]（Weighted Injury Criterion）來對假人進行綜合損傷評價，如式（1）所示，WIC越小，說明約束系統的保護性能越好。

本研究建立了駕駛員側多剛體-有限元模型，包括部分車身有限元模型、座椅有限元模型、儀表板有限元模型、膝部擋板有限元模型、地板及腳踏板有限元模型、方向盤及轉向管柱多剛體模型以及Hybrid Ⅲ 50th多剛體假人模型。同時定義了假人與安全帶、安全氣囊、座椅以及車體的接觸，安全氣囊的自接觸以及安全氣囊與儀表板的接觸等。接觸的類型包括CONTACT.MB_FE和CONTACT.FE_FE等。建立的約束系統模型如圖12所示。

式中，HIC36為頭部損傷指標；C3ms為胸部3 ms合成加速度，m/s2；D為胸部壓縮量，mm；FFL為左大腿軸向壓縮力，kN；FFR為右大腿軸向壓縮力，kN。

3 約束系統參數優化

3.1 設計變量的選取

本研究在參考了楊濟匡等人研究的基礎上[8-9]，選取腰帶預緊時間A、氣囊起爆時間B、氣囊質量流率縮放系數C、安全帶剛度系數D、氣囊織物泄氣系數E、安全帶初始松弛量F、氣囊體積縮放系數G為研究變量。變量的取值范圍如式（2）所示。

3.2 試驗設計方法

試驗設計方法以概率論和數理統計為理論基礎，是研究和處理多因子與響應變量關系的一種科學方法。它通過合理地挑選試驗條件，安排試驗，并通過對試驗數據進行分析，從而找出總體最優的改進方案。試驗設計一般須遵循隨機化原則、重復性原則、區域控制原則等。拉丁超立方試驗設計是一種充滿空間的設計，它將每個因素的設計空間都均勻地分開，試驗次數可以人為控制，試驗方法更加靈活，能以較少的樣本點反映整個設計空間的特性，是一種研究多因素試驗設計的常用方法[10]。本文選用了拉丁超立方試驗設計方法，選取樣本點建立了二階響應面近似模型。

3.3 約束系統參數匹配優化

本文選取拉丁超立方試驗設計方法，選取了40組設計變量建立了二階響應面近似模型，樣本點采樣結果見表1。

表1 參數優化結果

將試驗結果以文本文檔的格式導入到ISIGHT軟件中建立二階響應面模型，如式（3）所示。

建立好近似模型后需要對近似模型的精確性進行驗證，采用拉丁超立方試驗方法重新選取50個樣本點，然后從這50個樣本點中隨機選取5組進行近似模型的驗證，見表2。由表2可知，建立的二階響應面模型的仿真值與近似值的誤差都在10%以內，可以認為我們所建立的近似模型滿足精度要求，可以對近似模型進行下一步的優化分析。

在ISIGHT的優化模塊中選取相應的優化算法對近似模型進行優化，我們選取的是ISIGHT中推薦的序列二次規劃算法，此算法主要用于解決帶有約束的非線性問題，主要應用于優化問題不是很大，梯度和函數可用很高的精度來模擬的模型。采用此算法優化得到近似模型的最優值WIC為0.31，將此最優設計點代入到MADYMO中進行計算，得到仿真模型在該點處的WIC為0.33，代理模型的優化值與在該點處的仿真值的相對誤差為7.7%，達到優化收斂條件，優化過程結束。

優化前后約束系統參數及目標值對比見表3。由表3可知，優化后乘員綜合損傷指標WIC值最小為0.33，此時對應的腰帶預緊時間A為0.014 s，氣囊起爆時間B為0.007 s，氣囊質量流率縮放系數C為0.847，安全帶剛度系數D為1.000，氣囊織物泄氣系數E為0.988，安全帶初始松弛量F為-0.023，氣囊體積縮放系數G為0.772，WIC值相對于優化前提高了8.33%。

優化后假人的運動情況如圖13所示。

表2 二階響應面近似模型的驗證

表3 優化前后結果對比

4 結論

本文對車-車30°斜角碰撞中的駕駛員側頭部、胸部以及大腿的綜合損傷WIC進行了研究，采用了拉丁超立方試驗設計方法建立了二階響應面模型，對影響駕駛員損傷的安全氣囊與安全帶約束參數進行了優化，優化后的綜合損傷指標WIC減小了8.33%，假人損傷降低得越多對碰撞中安全帶與安全氣囊匹配設計的要求越高，這也為以后車-車不同角度碰撞中安全帶與安全氣囊的匹配設計提供了參考。

本文對Yaris-Yaris 30°斜角碰撞中的被撞車Yaris的綜合損傷指標WIC進行了優化研究，本項目后續還對Yaris-Taurus、Yaris-Explorer 15°、30°以及45°斜角碰撞分別進行了研究，分析并對比了這3款車作為主動車和被動車時不同車輛質量以及不同車輛剛度的駕駛員損傷情況。如何綜合考慮約束系統的匹配參數，使主動車及被動車的乘員損傷都達到一個合理的范圍是今后研究的重點。

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