基于小偏置碰的乘員二次碰撞分析及約束系統仿真優化

蔣成約，張 偉，任立海，胡遠志，李 軍，黃 杰

(1.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 401320；2.重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

國家統計局數據顯示我國交通安全問題仍然十分嚴峻[1]。車輛碰撞事故中，正面小偏置碰撞工況(重疊率≤30%)致死率較高[2-3]。目前，美國公路安全保險協會及中國保險汽車安全指數均已將25%小偏置碰撞納入了測評范圍[4-5]，相關測試結果顯示小偏置碰撞工況對車輛的安全性能有獨特的要求[6]。

當前，小偏置碰中的車體耐撞性與乘員防護是汽車碰撞安全領域的研究重點。文獻[7-11]為小偏置碰中的車身結構評價與約束系統優化提供了參考。研究表明，乘員約束系統關鍵參數與乘員加權傷害指標WIC值有較大相關性[12]；氣囊袋形設計可以兼顧不同乘員的接觸剛度需求[13]。

本文采用CAE方法開展小偏置碰的乘員二次碰撞響應分析及約束系統優化工作，以期完善相關工況中的乘員防護效能。

1 仿真模型的搭建與驗證

當前小偏置碰試驗數據較少，本文首先建立某車型50 km/h正面碰撞工況(Front Rigid Barrier, FRB)約束系統模型并對標；然后采用LS-DYNA仿真獲取該車型64 km/h小偏置碰(Small Overlap Barrier, SOB)的車體響應數據，作為小偏置碰乘員仿真的運動輸入；最后開展小偏置碰乘員響應分析與約束系統優化。

1.1 約束系統模型搭建

本文采用美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)公開的2010款豐田Yaris(三廂版)已對標車型為研究對象[14]。

該車型約束系統基礎模型主要包括乘員艙及各約束系統子模塊。根據實驗設定導入Hybrid-III 50th男性假人并調整假人的相應位置與姿態。針對小偏置碰撞工況中車身繞垂直方向轉角大及乘員艙侵入大等特點，本文采用有限元軟件LS-DYNA中的*INTERFACE等關鍵字施加邊界條件以重現整車碰撞結果中車體的整體運動和局部變形，仿真精度較提取加速度曲線的方式更高，并且可以有效地反映外力的響應。本文搭建的約束系統模型，如圖1所示。

圖1 約束系統模型

1.2 約束系統模型有效性驗證

圖2為60 ms與100 ms時刻的仿真結果與實驗結果的運動對比，由圖可知：仿真與實驗的兩個時刻假人運動姿態、氣囊展開形態基本一致。

(a)60 ms

此外，對假人關鍵部位傷害指標進行了對標。圖3為部分實驗曲線與仿真曲線的對比。由圖可知，仿真結果與實驗結果在趨勢、時域與峰值三個方面的擬合度較好，所建立的約束系統模型可作為后續分析與優化的基礎模型。

(a)頭部X向加速度

上述實驗數據來源于NHTSA[14]。

2 小偏置碰車體運動及乘員損傷對比

利用LS-DYNA軟件完成小偏置碰的結構仿真，并基于正碰對標約束系統模型搭建小偏置碰約束系統模型，繼而分析小偏置碰中的乘員傷害。

2.1 車體運動對比分析

小偏置碰中車體與壁障的重疊率為25%，前縱梁等重要吸能結構難以起到潰縮吸能的作用。小偏置碰結構仿真結果顯示：車身在70 ms左右時開始產生繞Z軸的轉動，在120 ms時刻達到20°左右，并在60 ms左右產生沿Y軸方向近35 g的加速度，見圖4。

(a)整車繞Z軸轉角

2.2 小偏置碰中乘員運動及傷害分析

小偏置碰中車體繞Z軸產生較大轉角，使得假人頭部與駕駛員側氣囊接觸后容易產生滑移，增大了假人頭部與A柱、側窗等硬接觸的概率。圖5所示為115 ms時刻假人頭部滑移后與車門內側直接接觸的動態響應示意圖，根據IIHS評價要求，發生類似狀況且造成假人頭部合成加速度超過70 g，則頭部傷害等級降低一級。

(a)俯視圖

仿真結果顯示乘員頭部與車門內側接觸后使得頭部合成加速度峰值達102.8 g。此外，小偏置碰中頭部從氣囊表面滑落后使得頸部出現了明顯的彎曲運動，其最大頸部彎矩較正碰上升了44.55%，見圖6。

(a)頭部合成加速度

3 約束系統仿真優化

上述分析顯示假人頭部側向滑移、頭部硬接觸、頭部與胸部的較大相對位移等因素是造成小偏置碰中頭部和頸部傷害指標上升的主要原因。

3.1 側氣簾對乘員損傷的影響分析

為避免小偏置碰中假人頭部與內飾產生硬接觸，本文分析了增配氣簾(Curtain Airbag，CAB)對假人頭部的保護效果。圖7為80 ms和115 ms時刻氣簾展開后與假人頭部的相對位置。

(a)80 ms

仿真結果顯示配備氣簾后，有效避免了假人頭部與車門內側的硬接觸，但對頸部損傷指標改善效果較小(頸部易陷入主駕氣囊與氣簾的夾縫中)，因而有必要對主駕氣囊的袋形進行優化設計來改善上述問題。

3.2 異形主駕氣囊設計與優化

圖8(左)所示為普通的主駕氣囊(Driver Airbag，DAB)與氣簾夾縫處的切面示意圖。配備普通DAB存在以下問題：① 頭部受到Y向加速度時容易在DAB表面滑移；② 頭部較易陷入到DAB與氣簾的夾縫中。以上兩種情況均會對假人的頭部、頸部等部位的保護效果造成不同程度上的影響。圖8(右)為理想的氣簾與DAB夾縫處的切面示意圖，DAB的整體形狀呈中間凹陷兩端凸起的形式，增加了頭部在DAB上滑移時的阻力，降低了其滑落的可能性。同時DAB與氣簾的擠壓面積更大，頭部陷入夾縫的可能性也隨之降低。

圖8 氣簾與DAB夾縫處切面示意圖

普通DAB由兩層大小相同的圓形織布通過圓周邊界上下縫合組成，改進后的DAB在兩層圓形織布間的左右兩側增加半圓形夾層，并進行相應的縫合。圖9為形狀改進后的DAB與原始DAB展開后的形狀對比，由圖可知，改進后的DAB中間位置的厚度和上下側的邊界輪廓基本保持不變，左右兩側的邊界輪廓得到延伸，氣囊厚度有所增加，此時氣囊的形態即為預期展開效果。原始DAB的體積為50 L，改進后的DAB(后文簡稱異形DAB)的體積為80 L。

圖9 異形DAB(左)與原始DAB(右)展開形狀對比

DAB的形態與體積發生了較大的變化，需要重新匹配其相關參數以達到最佳的保護效果。從可行性與相關性的角度出發，選擇氣囊質量流率、泄氣孔面積、拉帶長度為設計變量；以綜合損傷指標WIC為目標值[15-16]，即：

(1)

式中：HIC36為頭部綜合性能指標；C3ms、Ccomp分別為胸部的3 ms合成加速度與壓縮量；Fl、Ff分別為左、右大腿軸向力。

利用Isight參數優化設計軟件，首先以均勻超拉丁實驗設計方法構造40組實驗方案；目前比較常用的響應面近似模型構造方法主要有：多項式法、Kriging法和徑向基法等，其中徑向基函數模型對于輸入變量與響應關系非線性、輸入變量水平數比較高的問題可以獲得比較高的擬合度，所以選用該代理模型構造響應面并與NSGA-II算法結合得出最優解方案，具體方案如表1所示，該方案中質量流率和氣囊泄氣孔面積明顯增大，拉帶長度少量增加。

表1 最優解方案

3.3 優化效果驗證

圖10為120 ms時刻小偏置碰優化前后的乘員保護效果對比，在配備氣簾與異形DAB的模型中，頭部處于兩個氣囊的雙重保護中，與車體內飾未發生任何接觸；假人頸部彎曲運動也有所減小，假人姿態得到明顯的改善。

圖10 不同約束系統保護效果對比

約束系統優化后，假人主要傷害指標得以改善(如圖11所示)，具體損傷指標如表2所示，假人頭部HIC36和頸部Nij相比優化前分別降低了61.75%和31.3%；由于安全帶限力等級未進行調整，所以胸部壓縮量和合成加速度變化不大。最終假人的WIC值降低47.22%，優化效果較顯著。

(a)頭部合成加速度

表2 小偏置碰撞損傷值對比

圖12為50 km/h正面碰撞工況采用異形DAB并優化該工況點火時間后的乘員運動形式對比。相較于原始方案，采用異形DAB后假人頭部空間余量變大。

(a)原始DAB

在50 km/h正面碰撞工況中，由于氣囊剛度的增大，假人頭部HIC36增加了5.05%(小于C-NCAP中的高性能限值650)，但頸部Nij改善幅度較大，整體WIC值減少了3.7%，具體指標，見表3。

表3 正面碰撞損傷值對比

4 結 論

本文采用CAE仿真方法分析、比對了50 km/h全正碰與64 km/h小偏置碰兩種工況中的乘員運動響應及損傷特性，并開展了約束系統優化，初步結論如下：

(1)64 km/h小偏置碰中乘員上軀干相對車體產生較大的橫向加速度，導致頭、頸部損傷加劇，且乘員頭部易從DAB表面滑落，進而導致硬接觸風險。

(2)通過約束系統優化，可顯著改善乘員運動姿態與損傷指標。優化后小偏置碰中假人頭部完全處于DAB與CAB的保護中，頸部的彎曲運動也得到改善；頭部HIC36與頸部Nij分別降低了61.75%與31.3%，使得整體WIC值降低47.22%。50 km/h正碰工況優化后，頭部HIC36雖然增加了5.05%，但WIC值降低了3.7%。