后排女性假人下潛控制設計方法研究

歐陽俊，盧 靜，鄭 顥，岳 鵬，王玉超

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434）

乘員下潛是指汽車在發生正面碰撞事故時，腰部安全帶陷入腹部并給腹部軟組織造成受傷的現象[1-2]，這種現象更容易發生在后排乘坐的5%女性假人身上[3]。

為了降低后排女性乘員受到這種傷害的風險，在最新版的中國行車評價規程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）中，增加了對后排5%女性假人發生下潛的評價[4]，后排防下潛設計成為各主機廠碰撞安全方面的重點開發工作。 焦志勇等[5]提出了加強座椅結構和縮短鎖扣長度的解決方案；唐亮等[6]對乘員下潛判斷準則進行了研究； 張嘯等[7]對比分析了后排5%女性假人下潛的機理，并提出了若干防下潛的解決方案。上述文獻主要是針對設計驗證階段出現的下潛問題提出了臨時性解決方案，存在調整難度大的問題，或是概念指導方案，存在工程指導意義小的問題。主機廠在進行防下潛設計時，需要重復對防下潛方案進行設計和驗證。由于安全帶點位及防下潛結構位置直接影響到周邊眾多環境件的布置，在設計后期進行設計變更會造成高昂的開發成本。因此，如何在概念階段一次性解決乘員下潛的問題是主機廠在防下潛設計時最為關注的問題。

根據設計驗證階段實現設計變更的難易程度，將防下潛影響因素分為不可變因素和可變因素，提出了概念階段優化不可變因素和設計驗證階段優化可變因素相結合的防下潛設計方法。建立了后排女性假人整車有限元約束系統模型，并經過對標分析，基于對標好的防下潛分析有限元模型對不可變因素和可變因素進行了分析，提出了不可變和可變因素的設計要求。基于得到的防下潛設計方法和要求，在整車項目開發中對6 種優化方案進行了整車試驗驗證，下潛問題得到解決。

1 下潛機理分析及潛在影響因素分類

典型的后排女性乘員約束系統如圖1 所示，后排座椅采用發泡材質安裝于后地板上，在發泡材質和后地板之間設置凸起坐盆用于約束乘員。安全帶采用三點式安全帶，下固定點和鎖扣固定點安裝于后地板，卷收器放置于C 柱或衣帽架位置。

下潛最直接的現象是安全帶腰帶滑入乘員腹部，如圖2所示。碰撞發生時，車身速度逐漸降低至0，乘員在減速度作用下會繼續往前運動，同時在重力和安全帶的作用下，乘員還有往下運動的趨勢，如圖3 所示。因此，乘員的合成運動方向為向前向下，安全帶則相對于乘員髖部向上運動，當安全帶相對髖部向上運動的位移量s超過某一閥值時，安全帶就會滑入腹部，造成下潛。為防止下潛現象的發生，應控制安全帶與髖部的相對運動趨勢。

圖1 后排乘員約束環境

圖2 安全帶腰帶陷入腹部

圖3 安全帶腰帶滑入腹部機理

為了更好地對乘員下潛影響因素做進一步分析，將各潛在乘員下潛影響因素分為不可變因素和可變因素。不可變因素是指在概念階段的基本鎖定參數和后期變更影響大的參數，包括安全帶固定點點位、防下潛結構位置、后地板強度等因素；可變因素是指可在驗證階段鎖定的參數和后期變更影響小的參數，包括防下潛結構強度、安全帶配置、鎖扣長度等因素，見表1。

表1 乘員下潛影響因素分類

2 下潛判定標準及防下潛分析有限元模型

2015 版C-NCAP 中關于后排假人下潛的有關判定準則總結如下：

（1）首先根據車體速度和后排乘員骨盆速度判斷骨盆回彈時刻。

（2）在回彈時刻之前，若髂骨卸載率大于1 000 N/ms 的持續時間大于1 ms，則判定為下潛。

（3）在回彈時刻之后，若髂骨卸載速率大于1 000 N/ms 的時間段內髂骨力值大于2.4 kN，則判定為下潛。

（4）以髂骨力-卸載率判斷為主，必要時可以通過安全帶力和高速攝像輔助判斷。

根據上述規則，某后排配置限力式安全帶的車型，在進行64 km/h 偏置碰撞時后排乘員發生下潛，根據法規判斷骨盆回彈時刻為112.5 ms，髂骨力卸載速率大于1 000 N/ms 的持續時間大于1 ms，下潛出現在回彈之前，如圖4 所示。

圖4 髂骨力變形率對比

結合上述整車試驗中后排女性乘員下潛的現象，建立了詳細的整車有限元模型，如圖5 和圖6所示。復現了試驗中的下潛現象，從髂骨力變形速率可以看出，仿真與試驗基本一致，可作為對防下潛進一步仿真分析的基礎模型。

圖5 仿真與試驗假人姿態對比

圖6 仿真與試驗安全帶陷入腹部對比

3 防下潛結構對下潛的影響分析

防下潛結構可以控制乘員向下向前運動的趨勢，為了更好地指導防下潛設計，本文基于對標的后排約束系統有限元模型，對防下潛結構的位置進行了優化設計。如圖7 所示，以乘員H 點為基準，定義碰撞過程中乘員與防下潛結構的第一接觸點位于防下潛結構的位置，分析防下潛結構在x方向和z方向位置對乘員下潛的影響。

圖7 防下潛結構在x 方向與z 方向位置

3.1 防下潛結構x 方向位置對下潛的影響

為了分析防下潛結構x方向位置對防下潛性能的影響，選擇了8 種x方向位置進行分析，如圖8所示，仿真分析結果見表2。由表2 可知，隨著防下潛結構位置遠離髖部，假人回彈時刻增加，下潛風險增加，當防下潛結構與乘員H 點的x向距離超過160 mm 時，乘員發生下潛。因此，建議防下潛結構與乘員H 點的x向距離小于140 mm。

圖8 防下潛結構x 方向位置優化

表2 防下潛結構x 方向位置對下潛的影響

3.2 防下潛結構z 方向位置對下潛的影響

為分析防下潛結構z方向位置對防下潛性能的影響，基于x方向位置為140 mm 的仿真模型，選擇了6 種z方向位置進行分析，如圖9 所示，分析結果見表3。由表3 可知，隨著防下潛結構位置遠離髖部，假人回彈時刻增加，下潛風險明顯增加，當防下潛結構與乘員H 點的z向距離超過110 mm時，乘員發生下潛。因此，建議防下潛結構與乘員H 點的z向距離小于90 mm。

表3 防下潛結構z 方向位置對下潛的影響

圖9 防下潛支架z 方向位置優化

4 下固定點位置對下潛的影響分析

安全帶下固定點位置優化可以控制安全帶相對于髖部向上運動的趨勢，為了更好地指導防下潛設計，本文基于防下潛結構x方向位置在140 mm、z方向位置在90 mm 的防下潛仿真分析模型，對安全帶有效固定點的位置進行了優化設計。如圖10 所示，以乘員H 點為基準，定義安全帶下固定點的位置，分析安全帶下固定點在x方向位置和z方向位置對乘員下潛的影響。

圖10 安全帶下固定點x 方向與z 方向位置

4.1 安全帶下固定點x 方向位置對下潛的影響

安全帶下固定點x方向位置對防下潛性能的影響見表4。由表4 可知，隨著安全帶下固定點在x方向位置遠離髖部，假人回彈時刻增加，下潛風險增加，當安全帶下固定點位置與乘員H 點的x向距離超過110 mm 時，乘員發生下潛。因此，建議安全帶下固定點與乘員H 點的x向距離小于90 mm。

4.2 安全帶下固定點z 方向位置對下潛的影響

安全帶下固定點z方向位置對防下潛性能的影響見表5。由表5 可知，隨著安全帶下固定點在z方向位置接近髖部，假人回彈時刻增加，下潛風險增加，當安全帶下固定點位置與乘員H 點的z向距離小于120 mm 時，乘員發生下潛。因此，建議安全帶下固定點與乘員H 點的z向距離大于140 mm。

圖11 安全帶下固定點x 方向位置優化

表4 下固定點x 方向位置對下潛的影響

表5 下固定點z 方向位置對下潛的影響

表6 可變因素對下潛的影響分析

圖12 安全帶下固定點z方向位置優化

5 可變因素對下潛的影響分析

基于不可變因素優化完成的防下潛仿真模型，對防下潛結構強度、安全帶預緊、鎖扣長度3 種可變因對下潛的影響進行了定性的分析，分析結果見表6。從骨盆回彈時刻可以看出，增加預緊功能，回彈時刻提前，下潛風險降低；弱化防下潛結構，回彈時刻延遲，下潛風險增加，變形量增加25 mm時，出現下潛現象；鎖扣長度增加時，回彈時刻延遲，下潛風險增加，長度增加60 mm 時，出現下潛現象。由于可變因素鎖定時間晚，后期變更難度小，所以建議條件允許的前提下盡可能采用預緊限力式安全帶，減少防下潛結構變形量，縮短鎖扣長度，可以在驗證階段結合成本、質量等因素選擇可變因素設計方案。

6 防下潛設計方法

基于對防下潛設計因素的分類，并根據防下潛設計中不可變因素和可變因素的影響規律分析結果，本文提出了“不可變設計因素為主，可變設計因素為輔”，在概念設計階段一次性完成不可變因素的設計，在設計驗證階段根據成本、質量等需求

設計可變因素的防下潛設計方法。對不可變設計因素提出了量化設計要求，對可變設計因素提出了定性的設計要求，見表7。

7 防下潛設計因素的整車試驗驗證

基于上述的防下潛設計方法，在實際整車項目開發中，對4 種不可變因素設計方案和兩種可變設計因素方案進行了整車試驗驗證，驗證結果見表8。車型1，安全帶下固定點在x方向的位置往前移動50 mm，下潛問題解決；車型2，安全帶下固定點在z方向的位置往下移動53 mm，下潛問題解決；車型3，防下潛結構x方向位置前移30 mm，下潛問題解決；車型4，防下潛結構z方向位置往上移動49 mm，防下潛問題解決；車型5，防下潛結構剛度增加，z方向變形量由40 mm 控制到10 mm，防下潛問題解決；車型6，鎖扣長度縮短60 mm，防下潛問題解決。車型1 ～4 通過控制不可變設計因素未發生下潛；車型4 和車型5，在控制不可變設計因素的基礎上，進一步優化了可變設計因素，未發生下潛。

表7 防下潛設計要求

表8 基于防下潛設計要求的防下潛方案整車試驗驗證

8 結論

（1）后排女性乘員約束環境件多，重復設計將帶來巨大的開發成本，在乘員約束系統設計中須在概念設計階段考慮如何避免乘員下潛的發生。

（2）安全帶固定點點位和防下潛結構位置對防下潛性能影響大，設計變更對周邊件影響大，是典型的不可變設計因素。安全帶預緊、鎖扣長度、防下潛結構強度對防下潛性能影響大，設計變更對周邊件影響小，是典型的可變設計因素。

（3）提出了“不可變設計因素為主，可變設計因素為輔”的防下潛設計方法，通過基于有限元的仿真分析，對不可變設計因素提出了量化設計要求，對可變設計因素提出了定性的設計要求。通過6 款車型的開發及整車試驗，驗證了所提設計要求的準確性。

（4）根據設計變更難易程度，將防下潛影響因素分為不可變因素和可變因素。在概念設計階段優化不可變因素，避免了防下潛設計中出現影響大的重復設計；在設計驗證階段優化可變因素，避免了防下潛設計中出現冗余設計，帶來不必要的成本增加。