不同安全帶配置和參數對正碰假人傷害值的影響研究

鈕嘉穎，丁玲，王星磊，王恒，詹陽普，萬焱（東風汽車公司技術中心車身部，武漢，430058）

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不同安全帶配置和參數對正碰假人傷害值的影響研究

鈕嘉穎，丁玲，王星磊，王恒，詹陽普，萬焱
（東風汽車公司技術中心車身部，武漢，430058）

摘 要：安全帶的配置和參數是影響安全帶性能的主要因素。本文利用MADYMO 仿真分析工具，得出了某車型在正面100%重疊剛性壁障碰撞中預緊器的點火時刻、限力器的限力值對約束系統性能、前排假人運動響應和傷害值的影響。同時利用正交試驗設計法和極差分析法，優化了某車型的安全帶配置和參數。通過整車碰撞試驗驗證優化后的配置和參數，試驗結果表明，優化后前排假人各部位的傷害值不同程度地降低，主駕假人的WIC減小了5.42%，乘客假人的WIC減小了39.07%，約束系統的整體性能得到了有效的提升。

關鍵詞：安全帶；前排假人傷害值；優化設計

鈕嘉穎畢業于武漢理工大學，碩士研究生學歷，東風汽車公司技術中心，責任工程師，主要研究方向為乘員保護系統和兒童安全防護、安全標準與規范，曾發表EI期刊1篇，EI會議1篇。

1　前言

目前汽車安全帶約束系統是最有效的乘員保護系統之一[1]，當車輛發生強烈的碰撞時，車身劇烈減速，而由于慣性，駕駛員和乘員的身體仍以原速度向前移動，此時安全帶作用在于約束住駕乘者的身體，同時吸收部分沖擊能量，防止二次傷害。安全帶約束系統對乘員的保護效果受到很多因素的影響，其中包括車身的結構和性能、座椅的結構和剛度、安全帶的布置位置、安全帶系統的性能參數等。為了改善乘員的傷害值，在安全帶系統的設計過程中，結合目標車型選擇最優的設計方案至關重要。

2　安全帶的配置選擇和優化

2.1 配置選擇

按照對標競品車型，某車型安全帶配置初定為主駕側預緊限力式安全帶，乘客側單限力式安全帶。經過仿真發現，如表1所示，在正面100%重疊剛性壁障碰撞中，主駕假人和乘客假人的胸部變 形量 分 別 為 26.93 mm和 31.51 mm，根 據CNCAP評價體系，均已超出高性能限值，需要優化。所以，擬通過仿真研究不同安全帶配置和參數對假人各部位傷害值的影響，并選擇最優的配置參數方案。

2.2 配置優化

2.2.1 車體模型建立

根據C-NCAP要求，運用MADYMO建立某車型正面100%重疊剛性壁障碰撞仿真模型，主駕和乘客采用HybridⅢ型第50百分位男性假人，如圖1.1和1.2所示。將實車碰撞試驗測得的加速度波形作為模型的加速度場，如圖2.1和2.2所示，通過MOTION.JOINT_ACC將左下B柱加速度波形加載到主駕的車體模型上，將右下B柱加速度波形加載到乘客的車體模型上，車體和假人定義50 km/h的初速度。

圖1.1　主駕正碰仿真模型

圖1.2　乘客正碰仿真模型

圖2.1　實車碰撞左下B柱加速度波形

表1　正碰中主駕和乘客假人傷害指標

圖2.2　實車碰撞右下B柱加速度波形

2.2.2 仿真分析

圖3.1-3.7為3種不同安全帶配置下，主駕假人頭部、胸部、頸部、大腿各個部位的響應曲線。主駕安全帶的3種配置分別為：1.雙預緊（端片預緊+卷收器預緊）限力式；2.單預緊（卷收器預緊）限力式；3.單限力式。

圖3.1　不同配置主駕假人頭部合成加速度曲線

圖3.2　不同配置主駕假人胸部合成加速度曲線

圖3.3　不同配置主駕假人胸部壓縮量曲線

圖3.4　不同配置主駕假人頸部剪切力曲線

圖3.5　不同配置主駕假人頸部伸張力矩曲線

圖3.6　不同配置主駕假人左大腿壓縮力曲線

圖3.7　不同配置主駕假人右大腿壓縮力曲線

圖3中，從假人身體各部位的傷害值曲線可以看出，配置雙預緊限力式安全帶的第一個峰值最早出現，其次是單預緊限力式安全帶，單限力式的第一個峰值最晚出現，而且配備預緊限力式安全帶的第一個波峰明顯大于單限力式安全帶的第一個波峰。這是因為安全帶預緊器可以有效地提高約束系統的初始剛度，能夠在碰撞過程中提早對乘員的約束，在碰撞前給乘員一個向后的拉力，消除了織帶與乘員身體之間以及身體與座椅之間的間隙，從而使織帶約束乘員的時間提前。而對于假人的腿部，僅配置雙預緊限力式安全帶的假人左腿力曲線出現了一個小的正值波峰，這是因為位于假人左部的端片預緊器能在碰撞之前給假人骨盆處一個向后的拉力，所以假人的大腿受到拉伸，而卷收器預緊主要對假人的上部軀干產生一個向后的約束力。

同時，配置雙預緊限力式安全帶的最大峰值最晚出現，其次是單預緊限力式安全帶，單限力式的最大峰值最早出現，這是因為預緊器使乘員對碰撞的響應時間提前，增大乘員的有效移動空間，使得乘員與車身、內飾和安全氣囊的接觸時間推遲，傷害值更晚地達到峰值，而且頭部合成加速度、胸部合成加速度、胸部壓縮量、左大腿力、右大腿力都有明顯地降低。

從右部大腿力的曲線可以看出，預緊限力式安全帶有效地避免乘員與車內內飾，如轉向盤、儀表板等發生碰撞[2]，單限力式安全帶的限力器使用雖然能減小安全帶對乘員胸部的載荷，但同時也造成乘員上軀干的較大前移量，使乘員右部大腿撞擊儀表板，導致腿部壓縮力達到7.46 KN，從而扣分嚴重。

但是頸部的剪切力和力矩，配置預緊限力式安全帶的假人傷害值，略微大于配置單限力式安全帶的假人傷害值。這是因為預緊器有效地提高了約束系統的初始剛度，而安全帶主要對假人的軀干產生約束，所有配置下初始假人頭部向前的運動狀態一致，接著由于預緊式安全帶相較于單限力式而言，對假人軀干的約束在相同前向位移下前者約束剛度更大，而假人頸部依舊保持原有運動速度，所以頸部受到了更大的剪切力，達到限力域值后在限力器作用下，限制了頭頸部的旋向運動速度，故假人的軀干和頭部的傷害值減小了，而假人頸部的傷害值增大了。

綜上所述，主駕側安全帶配置選擇雙預緊限力式安全帶，可以得到最優的性能。

圖4.1-4.7為3種不同安全帶配置下，乘客假人頭部、胸部、頸部、大腿各個部位的響應曲線。乘客安全帶的3種配置分別為：1.預緊（卷收器預緊）限力式；2.單限力式；3.普通三點緊急鎖止式。

圖4.1　不同配置乘客假人頭部合成加速度曲線

圖4.2　不同配置乘客假人胸部合成加速度曲線

圖4.3　不同配置乘客假人胸部壓縮量曲線

圖4.4　不同配置乘客假人頸部剪切力曲線

圖4.5　不同配置乘客假人頸部伸張力矩曲線

圖4.6　不同配置乘客假人左大腿壓縮力曲線

圖4.7　不同配置乘客假人右大腿壓縮力曲線

圖4中，從假人身體各部位的傷害值曲線可以看出，對于乘員而言，相比于普通安全帶，預緊限力式安全帶使假人各部位的傷害值均顯著降低，總體來說，在整個碰撞過程中，配置預緊限力式安全帶的假人受力更加恒定，運動更加平穩，所受的運動加速度趨于恒值，與車身和內飾沒有嚴重的撞擊[3]。

而且預緊器明顯增加了約束系統的初始剛度[4]，出現了較為明顯的第一波峰，或者第一波峰出現的較早，使乘員對碰撞的響應時間提前。

而單限力式安全帶相比于普通三點緊急鎖止式安全帶，乘員的頭部、胸部、頸部的傷害值均有一定程度的減小，但乘員腿部的傷害值幾乎沒有優化，這是因為限力器主要作用于乘員的胸部，使織帶對胸部施加恒力，不會產生過高的載荷。所以對乘員上半身的約束狀態有所優化，而對腿部沒有明顯的作用。

綜上所述，乘客側安全帶配置選擇預緊限力式安全帶，可以得到最優的性能。

3　安全帶系統參數的優化設計

影響安全帶系統對乘員約束效果的因素很多，其中包括卷收器、織帶、預張緊器、載荷限力器、安全帶固定點位置等，還與所裝車輛的剛度、結構以及尺寸等因素有關。安全帶系統設計應配合具體所裝車型，優化各影響因素的參數，才能得到最優的系統設計。

3.1 參數及范圍確定

加權傷害準則WIC(Weighted Injury Criterion)是美國通用公司為了評價約束系統的整體性能，提出的一種傷害評價方法[5]。具體方法為引入加權因子，將各項傷害指標（HIC36、胸部3ms合成加速度、胸部壓縮量以及大腿壓縮力）用加權的方法綜合起來計算，得到傷害評估值WIC。

WIC值越低，約束系統的保護性能越好。為此，選擇WIC 值作為優化目標，采用正交試驗設計法對安全帶影響較大的設計參數進行優化。

式（1）中每項指標前的加權系數表明了該種傷害類型的重要程度，重要程度來自于對大量事故的統計分析。

影響安全帶性能的設計參數包括安全帶預緊點火時間、織帶延伸率、限力值、恒力作用下織帶的拉出長度、初始松弛量等[6]。根據安全帶的特點和實際情況，選擇安全帶預緊點火時間、限力值2個參數對安全帶設計進行優化。

根據車體的空間和經驗值確定2個參數的變化范圍如下表2所列：

表2　安全帶設計參數變化范圍

3.2 正交試驗法

根據選定的安全帶的設計參數及其變化范圍，選用正交表L9（34），見表3和表4。正交試驗的因素為主駕端片預緊點火時刻、主駕卷收器預緊點火時刻、主駕限力值、副駕預緊點火時刻、副駕限力值，分別用A、B、C、D、E表示，在變化范圍內每個因素有3個水平，分別為最小值、初始值和最大值，用1、2、3 表示。

表3　主駕假人傷害值正交試驗結果

表4　乘客假人傷害值正交試驗結果

按照正交表，用MADYMO進行仿真正交試驗，根據每次仿真試驗結果計算出每次試驗的WIC值。每次仿真試驗的HIC36、C3MS、CCOMP、FFL、FFR和WIC 值如表3和表4所示。

3.3 結果分析

正交試驗完成后，為確定各試驗因素在試驗中的最優組合，需要對安全帶系統正交試驗結果進行極差分析，如表5和表6所列。

注：Kjm為 第j列因素第m水平所對應的試驗指標和；Kjm為Kjm的平均值，由Kjm的大小可判斷第j列因素的優水平，即最優組合；Rj為第j列因素的極差，即第j列因素各水平下平均指標值的最大值與最小值之差。Rj反映了第j列因素水平波動時試驗指標的變動幅度。依據Rj可 判斷試驗因素對試驗指標影響的主次順序，Rj越 大說明該因素對試驗指標的影響越大。

表5　主駕假人傷害值正交試驗結果極差分析

表6　乘客假人傷害值正交試驗結果極差分析

由表5可知，RC>RB>RA，所以這3個因素對試驗指標影響的主次順序為C>B>A，即主駕安全帶3個因素對約束系統整體性能影響的主次順序分別為主駕卷收器限力值、主駕卷收器預緊點火時刻、主駕端片預緊點火時刻。選取 Kjm值最小的水平作為第j列因素的優水平，判斷主駕3個試驗因素的最優組合為A1B3C1。

由表6可知，RE>RD，所以這2個因素對試驗指標影響的主次順序為E>D，即副駕安全帶2個因素對約束系統整體性能影響的主次順序分別為副駕卷收器限力值、副駕卷收器預緊點火時刻。選取 Kjm值最小的水平作為第j列因素的優水平，判斷副駕2個試驗因素的最優組合為D2E1。

4　試驗驗證

綜合配置和參數優化，主駕使用雙預緊限力式安全帶，參數為A1B3C1；副駕使用單預緊限力式安全帶，參數為D2E1。圖5和圖6為主駕和乘客假人頭部、胸部、頸部、大腿各部位的響應曲線與實車試驗曲線對比；針對C-NCAP 的評分規則，主駕和乘客假人傷害指標的對比結果見表7和表8。

圖5.1　主駕假人頭部合成加速度曲線

圖5.2　主駕假人胸部合成加速度曲線

圖5.3　主駕假人胸部壓縮量曲線

圖5.4　主駕假人頸部剪切力曲線

圖5.5　主駕假人頸部伸張力矩曲線

圖5.6　主駕假人左大腿壓縮力曲線

圖5.7　主駕假人右大腿壓縮力曲線

圖6.1　乘客假人頭部合成加速度曲線

圖6.2　乘客假人胸部合成加速度曲線

圖6.3　乘客假人胸部壓縮量曲線

圖6.4　乘客假人頸部剪切力曲線

圖6.5　乘客假人頸部伸張力矩曲線

圖6.6　乘客假人左大腿壓縮力曲線

圖6.7　乘客假人右大腿壓縮力曲線

表7　試驗與仿真主駕假人傷害指標對比結果

表8　試驗與仿真乘客假人傷害指標對比結果

表9　優化前、后假人傷害指標對比結果

從圖5和圖6，表7和表8中可以得出，試驗曲線與仿真曲線的趨勢基本一致，實車試驗中假人傷害值的峰值出現時刻與仿真計算結果大致相同，而且傷害指標的誤差均在10%以內，試驗驗證了仿真模型的有效性，以及所得結論的正確性。

從表9中可以看出，經過配置和參數的優化，假人各部位的傷害指標不同程度地降低，主駕假人的WIC減小了5.42%，乘客假人的WIC減小了39.07%，約束系統的整體性能得到了有效的提升。

5 結束語

根據某車型C-NCAP 的正面100 %剛性重疊壁障碰撞試驗結果，通過MADYMO仿真分析工具，研究在不同安全帶配置和參數下前排假人的運動響應曲線與傷害值，得出了預緊器的點火時刻、限力器的限力值對約束系統性能、假人運動響應和傷害值的影響。同時根據仿真結果，利用極差分析法，選擇了最優的配置和參數值。優化后，假人各部位的傷害指標不同程度地降低，主駕假人的WIC減小了5.42%，乘客假人的WIC減小了39.07%，約束系統的整體性能得到了有效的提升。

參考文獻：

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[2]袁健, 孫振東, 史永萬. 轎車安全帶優化設計及模擬計算[J]. 汽車工程, 2002, 24(2): 160-163.

[3]徐俊. 汽車安全帶產品開發過程中的質量控制[D]. 上海交通大學, 2011.

[4]孔若平. 汽車安全帶的鎖定系統中的動力學原理[J]. 物理教學探討: 中學教學教研專輯, 2011 (4): 61-62.

[5]李麗, 朱西產, 王晶晶, 等. 汽車膝部氣囊設計與優化[J]. 汽車技術, 2014, 1: 001.

[6]鐘柳華, 陳春柳. 汽車安全帶總成強度設計探討[J]. 企業科技與發展: 下半月, 2008 (10): 85-88.

中圖分類號：U467.1+4

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2550（2016）02-0050-09

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2016.02.008

收稿日期：2015-09-23

The effects of different configuration and parameters of a safety belt on dummy injury value in the frontal impact

NIU Jia-ying, DING Ling, WANG Xing-lei, WANG Heng, ZHAN Yang-pu, WAN Yan
( DongFeng Motor Corporation Technical Center, wuhan, 430058, China )

Abstract:The configuration and parameters of a safety belt are the main factors affecting product performance. Using MADYMO simulation analysis, we have obtained the influence of the pretensioner fire time, the limit value of load limiter on safety belt protecting performance and the kinematic response and injury value of frontal-row dummy in the frontal impact test against rigid barrier with 100% overlapping. In this paper, orthogonal experimental design method and range analysis method have been applied to optimize the configuration and parameters of the safety belt and the optimization results have been tested by a crash test. The results showed that the injury value of frontal-row dummy reduced in different degrees, the WIC of driver dummy declined by 5.42% and the WIC of passenger dummy declined by 39.07%, the overall performance of the restraint system has been effectively improved.

Key Words:safety belt; frontal-row dummy injury value; optimal design