基于假人胸部損傷的乘員側約束系統改進

王玉超 亓向翠

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

假人胸部損傷在中國新車評價規程（C—NCAP 2015版）中具有舉足輕重的地位，其反映的分值占正面碰撞總分值的25%，一直是業內研究的熱點和難點。影響假人胸部損傷的主要因素是車體結構和乘員約束系統，在車體結構不變的情況下，通過匹配合適的乘員約束系統，能夠有效地降低碰撞對乘員的損傷，提高汽車對乘員的保護能力。利用多體動力學Madymo軟件對乘員約束系統進行仿真及優化，已經廣泛應用于約束系統開發商、科研機構及各大汽車公司[1-2]。文章從降低假人胸部損傷的目的出發，利用某車型Madymo乘員側約束系統模型，構建了假人胸部損傷的響應面模型，并分析了各變量參數對假人胸部損傷的影響。

1 乘員約束系統的建立及驗證

乘員約束系統主要包括車體模型、假人模型、安全帶及氣囊模型四部分。

車體模型根據某車型乘員側車體結構的實際布置尺寸建立，包括地板、防火墻、座椅、儀表板、前擋風玻璃、車頂及A柱等。其中與假人腿部接觸的手套箱表面、地板及防火墻采用facet模型，能準確模擬其曲面形狀，提高假人接觸部位的損傷計算精度；擋風玻璃、座椅及儀表板上部采用多體平面建模；座椅、儀表板、地板及擋風玻璃的剛度特性均來自試驗數據。

假人模型選擇Madymo假人數據庫中HybridⅢ50百分位多體假人，如圖1所示，其中坐標系原點為整車坐標系原點。輸入試驗前假人定位參數的測量值，如表1所示，確保假人運動前的坐姿位置與滑臺試驗中的一致。

表1 HybridⅢ50百分位多體假人定位參數測量值 mm

安全帶模型采用有限元和多體的混合模型。有限元安全帶部分可模擬安全帶在假人身體表面的滑動及安全帶織物陷入假人身體表面的嵌入效應，多體安全帶部分可將有限元安全帶的端點與車身上各相應固定點連接起來，同時實現安全帶在鎖扣處流動。該車型配置的安全帶為預緊限力式安全帶。

氣囊模型主要包括幾何建模、有限元劃分、氣袋折疊及氣體充氣特性。根據氣袋實際尺寸和材料建立有限元模型，由于試驗前乘員處于正常坐姿狀態，故氣囊采用映射及縮放式折疊，充氣算法選用均勻壓力法，氣囊體積為85 L。氣囊的氣體發生器質量流率曲線，如圖2所示，主要反映氣囊的充氣過程。

采用關鍵字“*CONTACT”分別定義假人與車體、假人與氣囊、假人與安全帶以及氣囊與擋風玻璃等接觸，并將整車試驗中采集到的B柱下端的加速度曲線施加在Madymo模型上，如圖3所示。乘員側完整的約束系統模型，如圖4所示。

乘員約束系統模型的驗證遵循“自下而上”的原則，即先下肢，然后髖部、胸部，最后頭部，其中保證髖部加速度的正確性，才能正確反映假人的基本運動姿態，才能保證頭部和胸部的響應正確性。Madymo約束系統模型中假人關鍵部位的響應與滑臺試驗的結果對比，如圖5所示，各部位的對比曲線吻合程度較高，證明構建的模型能夠很好地反映滑臺試驗，可以進一步優化。

2 假人胸部損傷響應面的建立

乘員約束系統有5個參數可調，分別是氣囊點火時間（x1）、氣體質量流率（x2）、卷收器點火時間（x3）、安全帶限力值（x4）、氣囊排氣孔大小（x5）。其中，x1和 x3規定的點火時間介于0.012～0.025 s；x2的可調比例介于0.8～1.5，主要對圖 2中的質量流率值進行縮放，時間值不變；x4的放大系數介于 1～2.4，對應的限力值為 2 500～6 000 N；x5的可調比例介于2.37～7.96，對應的排氣孔直徑為30～55 mm。假人胸部損傷參數分別是胸壓量（y1）和胸部加速度（y2）。

采用優化超拉丁方方法進行試驗設計，為了提高響應面精度，選取50個樣本空間（即5個變量的10倍），具體試驗規劃及部分胸部損傷仿真值，如表2所示。

表2 假人約束系統參數及胸部損傷仿真值優化超拉丁方試驗矩陣

基于50個樣本空間的胸部損傷的二階響應面模型：

其中：y1響應面模型的決定系數為0.998，校正決定系數為0.996；y2響應面模型的決定系數為0.982，校正決定系數為0.97，說明y1和y2模型精度均較高（要求響應面模型的決定系數與校正決定系數均大于0.9），可以利用y1和y2的響應面模型進行優化分析。由于初始模型的胸部損傷y1=0.027 6 m，y2=363.8 m/s2，胸部失分主要由于y1引起的，故優化的數學模型為：

采用NLPQL方法（序列二次優化法）進行優化，優化結果，如表3所示，y1=0.024 3 m，y2=376 m/s2，此時x1=0.0187s，x2=1，x3=0.012s，x4=1，x5=4.223。把優化后變量代入Madymo模型中，得y1=0.025 3 mm，y2=364 m/s2。因此，利用響應面優化的y1誤差值為4%，y2誤差值為3.3%，從而再次證明了y1和y2響應面模型的精確度較高。由于x1為氣囊點火時間，0.018 7 s換算成毫秒為18.7 ms，而工程上的點火時刻要求為整數，四舍五入，取 x1=19 ms。最后確定 x1=0.019 s，x2=1，x3=0.012 s，x4=1（對應的安全帶限力值為2 500 N），x5=4.223（對應的排氣孔直徑為40 mm），并通過滑臺試驗驗證，最終結果為 y1=0.024 7 mm，y2=370 m/s2，優化后，假人胸部損傷得分提高了0.57分，效果較明顯。

表3 乘員側約束系統NLPQL方法優化值

對胸部損傷的影響因素進行分析得到變量所占比例值，如圖6所示。

從圖6可以看出，對胸壓量影響因素較大的變量為x4，影響值達92%，其它變量對胸壓量的影響較小，都低于5%。對胸部加速度影響因素較大的變量為x2和x4，影響值分別為45%和34%，x5的影響值為12%，而x2和x5反映的是氣囊剛度，兩者加起來的影響值為57%。因此，對胸部加速度影響因素最大的是氣囊剛度，其次為安全帶限力值，其余變量對胸部加速度的影響較小，都低于10%。

3 結論

1）采用優化超拉丁方方法進行試驗設計，選用10倍于設計變量的樣本空間，構建的響應面模型具有較高的精度；2）胸部損傷中的胸壓量主要影響因素為安全帶限力值，胸部加速度的主要影響因素為氣囊剛度和安全帶限力值；3）通過建立優化數學模型，得到了優化結果，對優化結果進行滑臺試驗驗證，假人胸部損傷得分提高了0.57分，效果明顯。