基于能量分析的汽車副駕駛乘員安全性研究

葛如海，蔡朝陽，顧瑤芝，黃可鑫

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013；2.硅湖職業技術學院，江蘇 昆山 215332)

隨著社會經濟的飛速發展，人們的生活水平日益提高，汽車已經成為人們出行最重要的一種交通工具。據統計，截止2018年末我國的汽車保有量已經達到3.2億輛，但在汽車帶給人們便利的同時，交通事故的數量也在不斷增加，汽車的安全性問題也因此越來越受到重視，如何提高乘員的安全性成為現在研究的熱點。

約束系統作為現代汽車安全必不可少的一部分，在汽車在碰撞過程中能夠為乘員提供保護，將乘員的能量轉移吸收，從而降低成員的傷害。商恩義等[1]分析了正面偏置碰撞中安全氣囊對乘員能量各方向吸收情況，發現當安全氣囊x方向吸能越多，乘員頭頸部傷害越低。張燕等[2]對汽車碰撞過程中乘員能量的Ride-down效率與乘員傷害的關系進行了分析，發現過高或過低的Ride-down效率都不利于乘員的保護。葛如海等[3]對正面碰撞中駕駛員側各約束子系統的吸能進行了研究，并找到了約束子系統吸能與WIC之間的關系。基于以上研究，可以發現碰撞過程中乘員與約束系統之間的能量傳遞對乘員安全性存在影響。但是前人對乘員與約束系統間能量的研究大多針對駕駛員側乘員的安全性，針對副駕駛乘員的很少，且主要是頭部、頸部傷害。

由于副駕駛側約束系統與駕駛員側不同，在碰撞過程中副駕駛乘員與駕駛員的運動響應不同，且當車輛處于碰撞危險中時，駕駛員下意識的避險操作可能導致副駕駛乘員暴露在危險中[4]。因此,本文對副駕駛員側各約束子系統對乘員能量的吸收進行了研究，并較為全面地分析了副駕駛乘員各部位傷害與約束系統吸能之間的關系。

1 仿真模型建立及驗證

基于某款車的實際尺寸，在MADYMO軟件中建立了該車的副駕駛乘員的碰撞仿真模型，如圖1所示。

圖1 副駕駛側正面碰撞MADYMO模型

將實車碰撞試驗中采集的該車型B柱下方的X向加速度波形(如圖2) 輸入到模型中。Y、Z向的加速度相對較小，且對假人的傷害值影響不大，故未輸入。實車試驗基于中國新車評價規程C-NCAP。

圖2 碰撞加速度波形

汽車碰撞模型的驗證主要從假人的動態響應及傷害值兩個方面進行驗證。MADYMO正面碰撞模型的驗證遵循從下至上的原則，即先下肢、髖部、胸部，最后到頭部響應。力與加速度信號應滿足“起始時刻、形狀、峰值、峰值時刻及脈寬”等基本特征[6]。

圖3為實車碰撞試驗與MADYMO碰撞仿真得到的傷害值響應對比,由此可以看出：仿真模型在經過調整及對標后與實車試驗的響應曲線有較高的吻合度，關鍵指標的誤差都在合理范圍之內，因此該仿真模型驗證有效，可以作為基本模型進行研究。

圖3 試驗與仿真中的假人傷害響應曲線對比

2 副駕駛員約束系統吸能分析

2.1 乘員能量分析

正面碰撞中，副駕駛乘員的能量一部分被約束系統吸收，一部分轉化為內能而消耗。同時，隨著乘員能量的向外轉移或消耗，乘員的動能不斷降低[7-8]。因此，碰撞過程中乘員的能量存在如下平衡：

ETotal=EK+Ers+EI

(1)

式中：ETotal為乘員的總能量；EK為乘員的動能；Ers為乘員經約束系統轉移的能量；EI為內能。

2.2 假人部位及約束系統劃分

在碰撞過程中，由于約束系統的作用使乘員身體各部位運動響應不一致，從而在乘員內部發生能量轉移，因此為了分析碰撞過程中各約束子系統吸收的假人能量，需要同時對假人內部的能量轉移進行分析。本文依據目前的汽車碰撞安全法規以及中國新車評價規程C-NCAP，并根據分析需要以及假人各部位之間的連接關系將假人劃分成5個部位，分別為頭部、胸部(包括手臂和頸部)、髖部、大腿、小腿(包括腳部)，如圖4所示[9]。

圖4 假人部位劃分

同時，根據不同約束子系統在假人身上的主要作用部位，本文將約束子系統分為4部分進行研究，分別為頭部約束子系統、胸部約束子系統、髖部及大腿約束子系統、小腿約束子系統。具體分類情況如表1所示。

表1 約束系統劃分

2.3 副駕駛員約束系統吸能分析

正面碰撞時，乘員與約束系統接觸的主要運動過程在140 ms時結束，因此本文選取0～140 ms碰撞過程進行研究。根據本文對假人部位的劃分，對約束系統作用部位以及假人內部的能量轉移進行分析，然后結合MADYMO軟件的ENERGY模塊[10](如圖5)，從而獲得各約束子系統吸能曲線。

圖5 ENERGY模塊

2.3.1頭部約束子系統吸能分析

在正碰過程中安全氣囊主要作用于假人的頭部，因此安全氣囊吸收的能量主要來自假人頭部。安全氣囊與假人頭部之間的能量轉移情況可通過 ENERGY模塊得到[10]，由此獲得安全氣囊的吸能曲線即頭部約束子系統的吸能曲線，如圖6(a)所示。

2.3.2胸部約束子系統吸能分析

本文中胸部約束子系統只有安全肩帶，安全肩帶主要作用于假人的胸部和髖部，因此胸部約束子系統吸收的假人能量為：

ETR=ETH-BS+EA-BS

(2)

式中：ETR為胸部約束系統吸收假人的總能量；ETH-BS為假人胸部轉移至安全肩帶的能量；EA-BS為假人髖部轉移至安全肩帶的能量。ETH-BS和EA-BS可通過MADYMO的ENERGY模塊得到，最終可獲得胸部約束系統的吸能曲線，如圖6(b)所示。

2.3.3髖部及大腿約束系統吸能分析

本文中髖部及下肢約束系統包括安全腰帶、座椅兩個約束子系統。這一部分約束系統吸收的假人能量主要來自于假人的髖部和腿部，故這部分約束系統吸收的假人能量為：

ERA&F=EA&F-EA-TH-EA-BS-EF-TI-

EKA&F-EIA&F

(3)

式中：ERA&F為髖部及大腿約束系統吸收假人的總能量；EA&F為假人髖部和大腿的總能量；EA-TH為假人髖部轉移至胸部的能量；EA-BS為假人髖部轉移至安全肩帶的能量；EF-TI為假人大腿轉移至小腿的能量；EKA&F為假人髖部和大腿的能量；EIA&F為假人髖部和腿部的內能。最終可獲得髖部及下肢約束系統的吸能曲線，如圖6(c)所示。

2.3.4小腿約束系統吸能分析

本文小腿約束系統包括護膝板、地板兩個約束子系統。這一部分約束系統吸收的假人能量主要來自于假人的小腿，故這部分約束系統吸收的假人能量為：

ERTI=ETI-ETI-F-EKTI-EITI

(4)

式中：ERTI為小腿約束系統吸收假人的總能量；ETI為假人小腿的總能量；ETI-F為假人小腿轉移至大腿的能量；EKTI為假人小腿的動能；EITI為假人小腿的內能。最終可獲得小腿約束系統的吸能曲線，如圖6(d)所示。

圖6 約束系統吸能曲線

3 約束系統吸能與乘員傷害關系分析

3.1 實驗設計

由上述對假人與約束系統之間的能量轉移的分析，可得出各約束子系統的吸能曲線。為尋找副駕駛員約束子系統吸能與假人傷害值的關系，可通過設計實驗進行分析。

通過對前人研究的分析，選取對約束系統性能影響較大的參數做進一步的靈敏度分析，確定對WIC影響較大的因素，共有7個參數，分別是：安全氣囊排氣孔直徑、安全氣囊點火時間、安全氣囊質量流率、安全帶限力、安全帶剛度、安全帶預緊時間、座椅剛度。以各參數的初始值為基礎，上下浮動30% 作為各參數的取值范圍，在MADYMO中計算出損傷值。確定出影響WIC的主要因素:安全帶限力、安全帶剛度、安全帶預緊時間、座椅剛度和安全氣囊質量流率。WIC的計算公式如下：

0.05(FL+FR)/20.0

(5)

式中：HIC36為頭部傷害指標值；C3ms為胸部合成加速度3 ms值(g)；Ccomp為胸部壓縮變形量(mm)；FL、FR分別為左右大腿骨所受最大軸向力(kN)。根據實際情況，確定5個要影響因素的取值范圍，如表2所示。

表2 因素取值范圍

然后采用拉丁超立方實驗設計方法，根據5個因素取值范圍設計出30組實驗，并通過仿真得出其響應值，如表3所示。

3.2 約束系統吸能與假人傷害關系分析

在140 ms時，主要的碰撞過程基本結束，各約束子系統的吸能曲線也趨向于平穩，故取該時刻各吸能曲線的相應值為各約束子系吸收的假人能量。

然后利用Matlab線性回歸方法分析正面碰撞時各約束子系統吸收的假人能量與假人傷害值的關系，如圖7、8所示。參數之間的關系用多項式擬合，R2表示其相關性。

表3 實驗響應值

由圖6可知，副駕駛側約束系統吸能與副駕駛乘員的傷害值有較強的相關性。頭部約束系統吸能與假人的加權傷害指數WIC、頭部傷害指標、頸部剪切力FZ均成負相關；胸部約束系統吸能除了與假人的傷害指標WIC、FZ成負相關，與假人的胸部傷害指標Ccomp、C3ms亦均呈負相關。由圖7可知，小腿約束系統吸能與假人的大腿軸向壓縮力FL、FR以及小腿壓縮力FZL、FZR均呈正相關。由于髖部及大腿約束系統接觸部位較多，導致該部分吸能與假人的傷害值關系不明顯。

圖7 約束系統吸能與乘員傷害值關系(一)

圖8 約束系統吸能與乘員傷害值關系(二)

4 結束語

分析了正面碰撞中副駕駛員的能量傳遞情況，對副駕駛員側各約束子系統對假人能量的吸收情況進行了分析。在能量分析的基礎上，進一步尋找出了副駕駛側約束子系統吸能與乘員損傷值之間的關系：假人的加權傷害指數WIC、頭部傷害指標、頸部剪切力FZ與頭部約束系統、胸部約束系統吸能均成負相關；假人的胸部傷害指標Ccomp、C3ms與胸部約束系統吸能呈負相關。假人的大腿軸向壓縮力FL、FR和小腿的壓縮力FZL、FZR與小腿約束系統吸能呈正相關。

即當碰撞過程中副駕駛側安全氣囊和安全肩帶吸收的乘員能量越多，約束系統對乘員的綜合保護性越好。且當安全氣囊吸收的乘員能量越多，對乘員的頭部和頸部保護效果越好。安全肩帶吸收的乘員能量越多，對乘員的頭部、頸部、胸部的保護效果越好。當護膝板和地板吸收的乘員能量越少，對乘員的大腿、小腿保護效果越好。