某車型正面碰撞中安全帶性能優化應用

張厚君

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某車型正面碰撞中安全帶性能優化應用

張厚君

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

基于整車平臺化戰略框架下，結合平臺內各項目布置，性能，成本和輕量化要求，規劃設計安全性和高輕量化的平臺結構，達到框架一致性和最大化零件沿用。同時，還需滿足多方面的汽車碰撞安全評估標準。在確保結果可信程度的前提下，文章通過簡化設計手段在車型優化上實現快速匹配，快速驗證，成功縮短開發周期和相應投入。

正面碰撞；性能優化；安全帶性能

1 前言

隨著經濟社會的日益進步，汽車銷量逐年增加，汽車市場競爭也越來越激烈。人們對汽車碰撞安全性能的關注逐漸增加，為提高市場占有率，各大車企推向市場的新車型越來越多，新車型上市速度也越來越快，通過整車平臺化、模塊化開發可大大縮短汽車開發周期和成本。基于整車平臺化戰略框架下，結合平臺內各項目布置，性能，成本和輕量化要求，規劃設計出高兼容性、拓展性、安全性和高輕量化的平臺結構，達到框架一致性和最大化零件沿用，同時滿足生產線共線要求。同時，還需滿足美國、歐洲等地頒布的汽車碰撞安全評估標準，如美國上世紀80年代中后期開始實施的NCAP評價規程（New Car Assessment Programme）和歐洲隨后實施的Euro-NCAP，這些安全評估標準有效地帶動了汽車碰撞安全產業的進步和配置率的提升。促進了安全技術產品在市場上的應用水平。

中國的NCAP已于2006年開始實施，目前已更新至第四個版本。這極大地促進了中國汽車碰撞安全技術的發展，在這些政府法規和評價規程中，包含了各種不同形式的碰撞實驗，其中有100%正面剛性壁障碰撞、40%正面偏置可變形壁障碰撞、側面可變形壁障碰撞和后面碰撞等。

多種法規的不斷更新和新型式多樣技術的應用，不斷催生高標準的乘員保護性能。

2 安全開發思路

本文以某平臺車演化二代車型時出現的乘員傷害差問題進行討論。

由能量守恒得出，汽車產品多種多樣前部構件分布不均，各部分物理學特性不盡相同，從能量角度出發，可將撞擊部分物理參數視為均勻一致，所以汽車前部塑性彈簧系數K可以看作常數，即K=C。

由碰撞前后能量守恒有：

E0=E1+E2+E3+E4

E1：車體變形吸收能量；

E2：約束系統吸收能量；

E3：加載于人體能量；

E4：其他形式如摩擦做功等；

由力與運動關系可知：F=Kx，且F=ma；

由能量關系

可知，提高車身前部吸收的能量，可有效減少施加在人體上的能量。研究表明，材料壓潰變形吸收的能量比彎曲變形吸收的能量要多，所以，如何做好結構設計成為研究重點。

碰撞能量相同時，適當減少汽車前部強度，即減小了塑性彈簧系數K值，可減少施加在人體上的加速度。同時，乘員艙需要有足夠的強度以確保乘員有足夠的生存空間[1]。

本文研究對象碰撞條件下假人胸部傷害值。

圖1 假人傷害曲線圖

曲線如圖1。由上圖可發現，假人在65ms左右受到了猛烈沖擊，從而導致傷害風險突然增大。

表1 約束系統對比表

本文所涉及車型代號P10是在A10的結構基礎上所開發而成，通過整車平臺化衍生而來。很自然的我們應由A10的性能來預測P10的NCAP性能。下表是P10與A10的重要參數比較。

表2 結構尺寸對比表

從NCAP得分上來講，P10比A10多了一個加分項， ESC.比較表格 2與 3，P10與A10的主要差別是在重量方面；約束系統配備大致相同。重要吸能裝置，吸能盒與縱樑長度，僅相差1.7cm。發動機尺寸無差異。變速箱有一些差異，但重量的差異是比較大的；P10比A10重約180kg。重量多了15%，無疑的將是P10的最大挑戰。考慮下列兩種常用的應對方向：

a）增加P10結構的吸能效率，利用現有的吸能空間來吸收多出來的15%能量。這是最佳選擇，但假如A10已完全優化則可改進的空間有限。

b）延用A10的吸能壓潰設計，在有限壓潰空間上，適度增加約束系統吸能效率。

檢驗P10的CAE結果，我們將著重于方案B 的討論。A10是一個很好的基準車型，可以作為對未來項目安全設計的參考。

研究被測對象可發現，碰撞試驗中前排采用HybridⅢ型第50百分位假人滿足力學結構的仿真性、相似性和重用性，保證在碰撞過程中能準確預測身體各部位的損傷程度。假人胸部結構見圖2，主要由胸部皮膚、六根肋骨、肋骨后支撐等組成。在正面碰撞過程中，假人胸部肋骨受到外力沖擊，擠壓固定在肋骨前固定板上的球形傳導臂；然后進一步將能量傳遞給胸部壓縮傳感器，通過傳導臂的線性運動可以測量胸部傷害程度[2]。

圖2 假人肋骨結構及胸部位移傳感器運動方向

下表列出了P10的幾輪仿真分析結果。

從表3可看出，P10車型幾種碰撞工況下，表現基本穩定；入侵量的變化不顯著，只有在單個點上有變形量較大情況，這說明車體總體變形可控，尚可做些許微觀調整[3]。

表3 仿真模擬表入侵量表 mm

使用組合算法對安全帶綜合性能進行優化，選取安全帶限力、點火時間、腰帶作用力、管柱壓潰力、織帶延伸率和氣囊壓力等幾個參數，利用Pointer組合算法對模型進行優化；NLPQL序列二次規劃法適合于解決光滑的問題，具有非常好的收斂性和數值穩定性；Nelder-Mead下山單純型法適合于非光滑的問題，它一般從約束邊界開始計算，而且具有非常高的效率；遺傳算法適合于全局、非光滑的、不連續的優化問題，但是它的計算比較耗時。這四優化算法具有互補性，根據不同類型的優化問題，有效地組合這四種優化算法，可以取得較好的優化效果。

根據胸部壓縮量由小到大進行排序，排在前9次的約束系統參數及假人傷害如圖3所示，由結果看，此9種方案假人胸部壓縮量及頭部傷害指標相對基礎試驗均有明顯改善。綜合考慮優化方案可行性、經濟性、穩定性等因素，最終選擇第2、4、7次方案進行滑臺驗證試驗。

3 試驗驗證

滑臺實驗驗證曲線如下。

圖4 驗證曲線

針對前3種參數配置進行滑臺試驗驗證，試驗曲線如上圖所示，比較三種工況下安全帶限力值增大，限力值增大補償階梯形式。考慮限力影響傷害值表現如圖4所示，就假人傷害值而言，限力越寬傷害值將越低，A10顯然優于P10。在0-35ms 之間，較高的峰值一般會有較好的NCAP表現。比較三種工況下系統點火時間段增大，點火時間早晚增大系統作用時間歷程。考慮時間影響傷害值表現如圖5所示，就假人傷害值而言，點火早越寬傷害值將越低，A10顯然優于P10。在13-20ms 之間，較早點火區間一般會有較好的NCAP值。比較三種工況下拉帶長度增大，增大系統作用時間歷程。考慮拉帶長度影響傷害值表現如圖6所示，就假人傷害值而言，拉帶長短直接影響假人運動時刻早或晚，就傳感器響應來講，此參數在假人傷害數值上變化不明顯。體現了我們新設計因素影響分析。針對現有波形提供三種驗證新思路，具體到某個車型上，影響可能放大或縮小，但只要有基礎車型，方案就可以簡化。試驗如下圖：

圖4 限力方案

圖5 點火優化方案

圖6 帶長優化方案

綜上，完成幾種方案組合試驗，試驗如下圖。試驗結果顯示，優化后胸部傷害明顯降低。根據試驗方案進行滑臺驗證實驗，胸部壓縮量滑臺優化與實車基礎實驗曲線對比如圖6所示。通過調整安全帶限力范圍、調整系統點火時間、改善轉向管柱壓潰力等一系列優化措施，乘員胸部壓縮量由基礎實驗的43mm降低到34mm，胸部得分由1.25分增加到2.86分，提升了1.61分，約束系統對乘員胸部的保護性能得到明顯改善，得分均優于或與基礎實驗持平，正面碰撞性能提升22%。

圖7 試驗結果圖

上面圖4、8、9分別幾種優化方案的比較圖。兩者變形相差約9 mm，由43mm降低到34mm。就假人傷害值而言，安全帶限力脈寬越寬傷害值將越低，點火時刻早傷害值越低。在35-75ms 之間，較高的峰值一般會有較大的假人傷害值。在40ms以后，波峰要低才好，A10也是較優。當然，這些的觀察都是較為主觀的意見。行業內比較客觀評鑒波形的優劣是利用波形判定方法occupant pulse index（OPI）標準來比較。平臺基礎車型結構差異大，OPI水平差別是相當大的。總體而言，P10的波形并未達到A10相似水準，在波形方面的探討，是安全結構設計的第一步，基于已有的結構不變的情況下，適度優化約束系統配置是當下最簡便的設計方法。

4 結論

在整車碰撞能量相差15%的情況下，本文通過調整約束系統匹配手段，保持系統性能不降低。在車型平臺化模塊化趨勢越加明顯的當下，通過相似波形找到可參考車型，不失為簡化設計的一種方法，節省開發投入，并可確保結果可信度。

[1] 管立君,祁洪娟等.某車型正面碰撞車身結構和總布置優化[J]. 2010中國汽車工程學會年會論文集.689-692.

[2] 楊帥,張亞軍等.面向2012版C-NCAP前結構碰撞加速度波形調整及優化策略[J].2013年中國汽車工程學會論文集.670-674.

[3] 張學榮,劉學軍,陳曉東等.正面碰撞安全帶約束系統開發與試驗驗證[J].汽車工程,2007,(12):1055-1058×.

The optimization of seatbelt performance in the frontal crash

Zhang Houjun

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Under the consideration of unit platform in the vehicle development,and meet the requirement of layoutperformancecost and lightweight requirements, is a difficult development process. To Achieve frame consistency and maximizing partuniversal rate. Also, it has to meet many vehicle crash criterions. To ensure the credibility of the results, In this paper, the method of simplified design is used to realize fast matching in vehicle optimization., and fast validation, successfully shorten the development timing and relative investment.

Frontal crash;Performance optimization;Seatbelt performance

A

1671-7988(2019)03-71-04

U467.1

A

1671-7988(2019)03-71-04

U467.1

張厚君，就職于華晨汽車工程研究院，整車碰撞安全開發。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.021