基于C-NCAP要求的約束系統(tǒng)零部件布置設(shè)計

孫明欣

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時，由安全帶、安全氣囊、座椅等裝置組成的乘員約束系統(tǒng)不但能有效緩沖乘員所受到的沖擊載荷，還能避免乘員與車身內(nèi)外飾發(fā)生二次碰撞，從而起到汽車乘員防護(hù)作用[1-2]。通過大量的項目工作，發(fā)現(xiàn)約束系統(tǒng)匹配工作一般在前期數(shù)據(jù)設(shè)計完成之后才會展開一系列的分析，因此約束系統(tǒng)零部件（安全帶、氣囊等）在前期布置時，在滿足法規(guī)要求的前提下，自身可能還存在一些布置上的不足。如果此時約束系統(tǒng)CAE 的仿真優(yōu)化能在前期布置設(shè)計階段就開始介入，并對零部件的布置進(jìn)行一定的指導(dǎo)，或許可以大大地彌補(bǔ)車身鈑金和零部件設(shè)計上需要花更多的時間和成本才能實現(xiàn)的性能。關(guān)于約束系統(tǒng)CAE 分析在前期布置設(shè)計階段的研究，國內(nèi)主機(jī)廠在此領(lǐng)域大部分都是空白，所以基于C-NCAP 性能要求對約束系統(tǒng)零部件布置設(shè)計的探索是一項非常有意義的工作。文章通過結(jié)合某項目工作中的實際情況，得出了約束系統(tǒng)CAE 分析在前期零部件布置中的一些經(jīng)驗，希望可以指導(dǎo)各大主機(jī)廠在新車型項目中的約束系統(tǒng)零部件的布置設(shè)計。

1 基于C-NCAP星級目標(biāo)要求的乘員保護(hù)裝備分析

2018 版C-NCAP 已于2018年7月開始執(zhí)行，5 星碰撞目標(biāo)中乘員保護(hù)的得分要求，如表1 所示。

表1 5星碰撞目標(biāo)的乘員保護(hù)得分要求分解 分

根據(jù)表1 可以得出：

1）副駕駛安全帶未系提醒（+0.5 分）、占位傳感器（+0.5 分）：若無，則按目標(biāo)分解，乘員保護(hù)得分率僅為85%～85.7%（5 星要求≥85%）。因此，副駕駛安全帶未系提醒（SBR、占位傳感器）不可取消。

2）后排3 個位置安全帶未系提醒（+1 分）：若無，則按目標(biāo)分解，乘員保護(hù)得分率僅為85%（5 星要求≥85%）。因試驗項、側(cè)氣簾目標(biāo)分值是否能達(dá)到存在不確定因素，所以加分的裝備很重要，不能取消，且后排假人得分權(quán)重已由2015 版C-NCAP 的2 分變?yōu)?018 版C-NCAP 的4 分。

2 安全帶布置方法

2.1 法規(guī)要求

車輛碰撞事故發(fā)生時，安全帶能夠有效避免乘員身體沖出座椅發(fā)生二次碰撞[3]。GB 14167—2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》詳細(xì)規(guī)定了乘用車安全帶所有安裝固定點的位置范圍要求[4]。

2.2 布置原則

圖1 示出汽車安全帶的布置原則。前排安全帶的布置原則是卷收器本體出帶口方向與高調(diào)器本體要在一條直線上，以保證安全帶出帶順暢，如圖1a 所示；后排安全帶的布置原則是織帶拉出方向與框架背板的夾角應(yīng)小于30°，如果不滿足此種布置狀態(tài)，則會導(dǎo)致卷收器強(qiáng)度不足，如圖1b 所示。

圖1 汽車安全帶布置原則

3 約束系統(tǒng)優(yōu)化對布置設(shè)計的指導(dǎo)

3.1 前排約束系統(tǒng)優(yōu)化分析

基于目前某新車型的開發(fā)，前排安全帶在根據(jù)上述的布置原則布置完成之后，得出若干可以移動的安全帶高調(diào)器位置，測出了具體的安全帶導(dǎo)向環(huán)（D 環(huán)）坐標(biāo)，并輸入給CAE 部門，如表2 所示。

表2 某新車型前排安全帶D 環(huán)調(diào)整工況及坐標(biāo) mm

CAE 部門在MADYMO 軟件中建立座椅、安全帶、氣囊等的多體模型，依據(jù)2018 版C-NCAP 50 百分位假人正面100%重疊剛性壁障碰撞，得出在6 種工況下，前排安全帶布置位置對假人頭部、胸部和骨盆加速度幾乎沒有影響，但是會影響胸部壓縮量。仿真結(jié)果顯示，002 工況的假人胸部得分最高，如圖2 和圖3 所示。

圖2 某新車型前排正面100%重疊剛性壁障碰撞仿真模型

圖3 某新車型前排正面100%重疊剛性壁障碰撞假人胸部得分

另外，因前排有側(cè)氣簾，通過改變側(cè)氣簾的安裝位置，測出側(cè)氣簾氣體發(fā)生器在不同安裝位置工況下的安裝點坐標(biāo)，并輸入給CAE 部門，如表3 所示。

表3 某新車型前排側(cè)氣簾調(diào)整工況及坐標(biāo) mm

CAE 部門依據(jù)工程輸入的上述5 種側(cè)氣簾（CAB）工況，在MADYMO 軟件中建立基于2018 版C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)的可變形移動壁障側(cè)面碰撞仿真模型，如圖4 所示。由于CAB 主要用來保護(hù)假人頭部，通過仿真模擬發(fā)現(xiàn)，更改氣體發(fā)生器安裝孔位置對假人頭部傷害有一定影響，但都是滿分，如圖5 所示，此工況除保證假人頭部得分之外，還需考慮加分項3 分的條件滿足情況。

圖4 可變形移動壁障側(cè)面碰撞仿真模型

圖5 可變形移動壁障側(cè)面碰撞假人頭部得分

3.2 后排約束系統(tǒng)優(yōu)化分析

基于目前某新車型的開發(fā)，后排安全帶布置需要滿足法規(guī)要求以及上述的布置原則。另外，目前開發(fā)的很多車型后排座椅靠背上都有安全帶D 環(huán)，可認(rèn)為此D 環(huán)為后排安全帶的上有效固定點，其位置主要受后座椅造型以及后座椅靠背骨架的影響。在保證D 環(huán)的安裝的前提下，給出了若干可以上下移動的D 環(huán)位置，并測出了具體的安全帶D 環(huán)坐標(biāo)，輸入給CAE 部門，如表4 所示。

表4 某新車型后排安全帶D 環(huán)調(diào)整工況及坐標(biāo) mm

CAE 部門通過在MADYMO 軟件中建立座椅、安全帶的多體模型，依據(jù)2018 版C-NCAP 50 百分位假人正面100%重疊剛性壁障碰撞，得出更改后排安全帶布置位置對假人頭部、胸部和骨盆加速度幾乎沒有影響，但是會影響胸部壓縮量。仿真結(jié)果顯示，002 工況假人胸部得分最高，如圖6 和圖7 所示。

圖6 某新車型后排正面100%重疊剛性壁障碰撞仿真模型

圖7 某新車型后排正面100%重疊剛性壁障碰撞假人胸部得分

4 結(jié)論

乘員約束系統(tǒng)的研究主要是為了減輕二次碰撞時乘員的損傷。文章以某新車型安全帶、氣囊設(shè)計開發(fā)為依托，探索了約束系統(tǒng)CAE 分析在前期零部件布置方面的影響。可以看出，約束系統(tǒng)CAE 分析在前期布置校核階段介入可以對零部件的布置提出一些有益于假人傷害和C-NCAP 得分提升的建議，但是如果想從這些建議中提取出規(guī)律，則需要經(jīng)過大量的項目驗證和試驗驗證，這也是今后主要需要拓展和研究的方向。同時隨著汽車設(shè)計的不斷發(fā)展，CAE 仿真分析會越來越多地提前介入到布置設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為汽車設(shè)計提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，同樣也可以很好地規(guī)避掉一些不好的設(shè)計方案和布置方案，進(jìn)而實現(xiàn)降低設(shè)變成本和縮短設(shè)計周期的目標(biāo)。