基于MPDB工況下駕駛員側假人傷害值優化研究

鈕嘉穎 黃穎 郭剛 丁玲 張越晗

摘? 要：本文分析得出了某車型MPDB碰撞工況和ODB碰撞工況中車身響應和假人傷害值的差異，針對假人胸部壓縮量和小腿脛骨指數超標的問題，考慮到白車身設變成本較高，提出了安全帶配置優化的5個方案。通過對5個優化方案的仿真結果分析得出，二級限力裝置對胸部壓縮量具有較大的改善，相對于恒定限力式安全帶，遞減限力式安全帶的胸部壓縮量減小了13.1%，遞增限力式安全帶的胸部壓縮量減小了23.9%。鎖止鎖舌和端片預緊對胸部壓縮量和小腿脛骨指數均有較大的改善，鎖止鎖舌的改善效果優于端片預緊，兩者同時配置改善效果最優：胸壓減小了21.4%，小腿脛骨指數減小了40.8%。考慮到端片預緊成本較高，推薦配置遞增限力式安全帶以及鎖止鎖舌的方案。通過仿真優化，優化效果顯著，為后續項目的MPDB碰撞性能提升提供了一種有效的優化思路。

關鍵詞：MPDB;傷害值;安全帶優化

中圖分類號：U467.1+4? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）01-0051-07

Abstract： This paper analyzes the difference between the body response and the dummy's damage value in the MPDB crash condition and the ODB crash condition of a certain model. Aiming at the problem of excessive compression of the dummy's chest and calf tibia index， considering the cost-effective， proposed 5 schemes for optimizing the seat belt configuration.Based on the analysis of the simulation results of the five optimization schemes， it is found that the second-level force-limiting device has a greater improvement in chest compression. Compared with the constant force-limiting seat belt， the chest compression of the decreasing force-limiting seat belt is reduced by 13.1 %， the chest compression of the incremental force-limiting seat belt is reduced by 23.9%. Locking tongue and end piece pre-tightening greatly improve chest compression and lower leg tibia index. The improvement effect of locking tongue is better than end piece pre-tightening. It was 21.4% smaller and the calf tibia index was reduced by 40.8%. Considering the high cost of end piece pre-tightening， it is recommended to configure incremental force-limiting seat belts and locking tongues. Through simulation optimization， the optimization effect is remarkable， which provides an effective optimization idea for the MPDB collision performance improvement of subsequent projects.

Key Words： MPDB; Injury Value; Seat Belt Optimization

1? ? 前言

根據C-NCAP 2021版最新要求，將取消原有的64ODB碰撞工況，采用MPDB新碰撞工況：壁障小車質量為1400kg，壁障小車和被撞車輛均以50km/h速度相對運動，以50%的重疊率相對碰撞。

MPDB與ODB工況差異對比見表1，對比2個工況的碰撞具體細節，可以看出碰撞速度、碰撞方式和前排碰撞假人均有不同。碰撞速度和碰撞方式的改變，直接影響整車的變形模式和假人的傷害值指標。而且MPDB的評價指標中，首次采用了Thor假人，新假人對整車加速度響應和傷害敏感程度也不相同，其中胸部因有上下左右四根肋骨，傷害值的敏感程度大大提升了，對車身結構設計和約束系統設計提出了很大的挑戰，加大了C-NCAP試驗的得分難度。

某車型開發時，前期白車身和約束系統設計均是基于ODB工況進行優化的，為了應對新工況MPDB，需要進行針對性的設計優化。但因為白車身已經開模，設變成本較高，優先考慮通過約束系統的設計優化來提高MPDB的試驗得分，從而滿足整車安全性能目標。

2? ? MPDB與ODB工況的差異分析

2.1? ?車身響應差異

從圖1和表2中可以看出，MPDB與ODB工況的加速度波形相差很大，第一峰出現較早，8ms就出現了，而且峰值高于ODB峰值，接近15g。最大峰值遠遠早于ODB，46ms就出現了，而且最大峰值較小，僅39.9g。兩工況間的速度波形也差異很大，MPDB工況回彈時刻較早，在66.4ms就開始回彈了，而ODB工況在88.9ms才開始回彈。

2.2? ?假人傷害值差異

如表3，從假人傷害值得分可以看出，MPDB得分難度更大，胸部和小腿得分均有下降，胸部得分下降了56.8%，小腿得分下降了34.9%。

如圖2和表4，具體地分析假人胸部傷害值發現：THOR假人相比Hybrid III 50%假人而言，胸部左右上下肋骨各有一個傳感器，假人右上胸部變形量超出高性能限值較多，導致胸部得分僅1.33，低于得分目標3.1，需要具體分析原因，進行胸部優化。同時具體分析假人小腿傷害值發現：左上和右上小腿脛骨指數均超出了高性能限值，特別是右上小腿脛骨指數超出高性能限值較多，導致小腿得分僅1.24，低于得分目標2.5，需要具體分析原因，進行腿部優化。

3? ? 假人傷害值優化

3.1? ?優化方案提出

假人胸部變形量[1]公式如下：

kD=FSb（outer），x+FSb（inner），x+Fairbag，x。結合圖3，通過理論分析可以看出，胸部變形量主要受到安全帶肩帶力，氣囊作用力和胸部剛性系數的影響。如圖4，通過對胸部變形量和安全帶受力曲線的分析發現，胸部變形量峰值出現在65-70ms，安全帶肩帶力峰值位于60ms，通過觀看錄像發現氣囊與駕駛員頭部、胸部接觸在55-60ms，所以胸部傷害值在0-60ms區域主要受安全帶影響，60-80ms由安全帶、氣囊共同影響，所以需要優化胸部傷害值，可以通過優化安全帶的方式實現。

假人小腿脛骨指數公式如下：

TI=|MR/225|+|FZ/35.9|。通過對小腿脛骨指數公式分析發現，小腿脛骨指數主要受到小腿壓縮力和小腿彎矩的影響，結合圖5，通過理論分析得出，壓縮力和彎矩都受到前圍侵入量和假人前移量的影響。在白車身已經開模，更改成本較高的前提條件下，優先考慮通過對約束系統的優化減小假人前移量，而因為氣囊主要作用于假人上軀干，對假人前移量的優化作用有限，所以優先考慮優化安全帶配置來減小假人前移量。

目前安全帶的方案是單預緊限力安全帶，配置卷收器預緊和恒定限力，為了優化胸部壓縮量，可以將恒定限力改為二級限力，一種先高后低或先低后高的限力式卷收器，配合氣囊展開，降低對假人胸部的整體約束力。

同時為了減小假人前移量，配置鎖止鎖舌和端片預緊都是常用的方案。鎖止鎖舌包括殼體和夾緊裝置，車輛正常行駛時，安全帶從殼體中穿過，夾緊裝置滑動至放松位置;車輛發生碰撞時，腰帶力達到限值，夾緊裝置作用，夾緊安全帶從而阻斷肩帶和腰帶之間的滑移，限制骨盆的前移量同時減小肩帶力。端片預緊包括氣體發生器組件和拉緊組件，汽車發生碰撞時，氣體發生器點火作用于拉緊組件，通過拉繩向下拉緊鎖鉤及織帶，從而在假人向前運動之前，消除腰帶與假人腹部之間的間隙，配合卷收器預緊消除肩帶與假人上軀干之間的間隙，從而減小假人前移量。

綜上所述，確定安全帶5個優化方案如下表5所示：

3.2? ?建立仿真模型

根據C-NCAP要求，運用MADYMO建立某車型MPDB碰撞仿真模型[2]，模型包含假人、前排座椅、前圍地板、安全帶系統和氣囊系統。假人模型為THOR假人，并根據實際參數對假人進行定位。將實車碰撞波形作為模型的加速度場，通過MOTION.JOINT_ACC將左下B柱加速度波形加載到主駕的車體模型上，將右下B柱加速度波形加載到乘客的車體模型上。

3.3? ?假人傷害值優化結果分析

3.3.1 限力方式的優化情況

仿真結果如圖6所示。圖6.1是在三種不同限力方式下的肩帶力曲線，從曲線上可以看出，限力器從第20ms開始發生作用，恒定限力安全帶CLL的肩帶力在60ms左右達到峰值，峰值為5000N左右。遞減限力安全帶DLL的肩帶力在55ms左右達到峰值4800N左右，保持約15ms后開始下降，在75ms左右進入二級限力階段，肩帶力約3800N。遞增限力安全帶PLL的肩帶力在50ms時達到3800N，保持約15ms后開始上升，在70ms時進入二級限力階段，肩帶力達到峰值4800N左右。

圖6.2-6.4顯示了假人頭部、頸部、胸部傷害指標的對比情況，可以看出，遞減限力式安全帶DLL[3]的總體表現要優于其它兩種安全帶。對于頭部加速度、頸部力和胸部壓縮量，三種安全帶對應曲線的變化趨勢基本一致。

如圖6.2和表6所示，遞增限力式安全帶PLL的頭部加速度高于恒定限力式安全帶CLL，增大了9.5%，而遞減限力式安全帶DLL的頭部加速度明顯低于恒定限力式安全帶CLL，減小了28.4%。

如圖6.3和表6所示，遞增限力式安全帶PLL的頸部力高于恒定限力式安全帶CLL，增大了16.2%，而遞減限力式安全帶DLL的頸部力明顯低于恒定限力式安全帶CLL，減小了18.5%。

如圖6.4和表6所示，二級限力式安全帶的胸部壓縮量均低于恒定限力式安全帶，遞增限力式安全帶PLL的胸部壓縮量最低，比恒定式減小了23.9%，遞減限力式安全帶DLL的胸部壓縮量也較低，比恒定式減小了13.1%。

綜上所述，遞減限力式安全帶DLL對假人頭部和頸部的保護作用優于其它限力形式的安全帶，而遞增限力式安全帶PLL對假人胸部的保護作用優于其它限力形式的安全帶。當頭部和頸部傷害值相對高性能限值仍有較大余量時，建議優先選用遞增限力式安全帶PLL，降低假人胸部壓縮量，提高總體得分率。當頭頸胸部傷害值均需要降低時，建議優先選用遞減限力式安全帶DLL，降低假人頭頸胸部傷害值，提高總體得分率。

針對本文所述車型的仿真結果而言，配置三種限力形式的安全帶，頭部和頸部傷害值相對高性能限值仍有一定的余量，則優先選用遞增限力式安全帶PLL，胸部壓縮量由51.66mm優化至39.32mm，胸部得分3.3，達到得分目標。

3.3.2 鎖止鎖舌和端片預緊的優化情況

仿真結果如圖7所示，從圖7.1肩帶力曲線可以看出，限力器從第20ms開始發生作用，原始安全帶R的肩帶力在60ms左右達到峰值，峰值為5000N左右。配置端片預緊器PLP的安全帶肩帶力提前5ms達到峰值，在55ms左右達到4800N左右，維持45ms。配置鎖止鎖舌CLT的安全帶肩帶力明顯下降，在50ms左右達到3800N左右，維持45ms。同時配置鎖止鎖舌CLT和端片預緊器PLP時，起到綜合作用，安全帶肩帶力在45ms左右達到3800N左右，維持50ms。

從圖7.2腰帶力曲線可以看出，配有鎖止鎖舌CLT時，由于阻止了肩部與腰部之間的織帶傳遞[4]，腰帶力值明顯上升，上升幅度達15.4%。配有端片預緊器PLP時，腰帶力25ms左右出現第一峰值，最大峰值明顯下降，下降幅度達8.3%。同時配有鎖止鎖舌CLT和端片預緊器PLP時，起到綜合作用，較單獨配置CLT時峰值有所下降，相對原始狀態腰帶峰值上升6.5%。由此可以看出：鎖止鎖舌CLT 阻止了織帶的傳遞，導致腰帶力值上升，CLT作用后對假人約束效果明顯提升。端片預緊PLP對腰帶力值有明顯的改善，提前實現對假人的約束。

圖7.3和7.4顯示了假人胸部和小腿傷害指標的對比情況，可以看出，同時配置鎖止鎖舌CLT和端片預緊器PLP的安全帶，其總體表現要優于其它三種安全帶。

如圖7.3和表7所示，配有鎖止鎖舌CLT時，對假人胸壓改善明顯，下降幅度高達18.5%，配有端片預緊PLP時，對假人胸壓的改善作用相對較小，下降幅度為11.1%，兩者同時配置時，對假人胸壓改善效果最優，下降幅度高達21.4%。由此得出：鎖止鎖舌CLT對假人胸壓的改善效果優于端片預緊PLP。

如圖7.4和表7所示，配有鎖止鎖舌CLT時，對假人小腿傷害值具有明顯的改善效果，下降幅度高達28.9%，配有端片預緊PLP時，對于假人小腿傷害值的改善效果也非常顯著，下降幅度高達29.1%，兩者同時配置，對于假人小腿傷害值的改善效果最優，下降幅度高達40.8%。由此得出：配有PLP和CLT時，均有效地限制了假人的臀部前移，在侵入量不變的前提下，假人小腿受到的力和彎矩顯著下降，有效地優化了假人的小腿傷害指標[5]。

綜上所述，同時配置鎖止鎖舌CLT和端片預緊PLP對假人胸部和小腿傷害值的優化效果最好，鎖止鎖舌CLT對胸部壓縮量的優化效果要優于端片預緊PLP，鎖止鎖舌CLT和端片預緊PLP兩者對小腿傷害值的優化效果相當。根據傷害值目標選用不同的配置，當需大幅提升時，建議同時配置鎖止鎖舌CLT和端片預緊PLP，如果只需小幅提升，則優先推薦配置鎖止鎖舌CLT，效果更優。

針對本文所述車型的仿真結果而言，當配置鎖止鎖舌CLT時，胸部壓縮量優化至42.08mm，胸部得分2.87，沒有達到得分目標，小腿脛骨指數優化至0.7262，小腿得分2.55，達到得分目標。當同時配置鎖止鎖舌CLT和端片預緊PLP時，胸部壓縮量優化至40.62mm，胸部得分3.1，達到得分目標，小腿脛骨指數優化至0.6048，小腿得分3.09，達到得分目標。

4? ? 總結

某車型開發時，前期白車身和約束系統設計均是基于ODB工況進行優化的，為了應對新工況MPDB，試驗摸底發現胸部壓縮量和小腿脛骨指數超出高性能限值較多，致使胸部和小腿得分較低不滿足目標，相對于ODB工況，胸部得分下降了56.8%，小腿得分下降了34.9%，需要進行優化。

通過理論分析得出，胸部傷害值在0-60ms區域主要受安全帶影響，60-80ms由安全帶、氣囊共同影響，所以需要優化胸部傷害值，可以通過優化安全帶的方式實現。通過理論分析得出，小腿脛骨指數主要受到前圍侵入量和假人前移量的影響，可以通過優化安全帶配置來減小假人前移量。

遞減限力式安全帶DLL對假人頭部和頸部的保護作用優于其它限力形式的安全帶，而遞增限力式安全帶PLL對假人胸部的保護作用優于其它限力形式的安全帶。相對于恒定限力式安全帶CLL，遞減限力式安全帶DLL的頭部加速度減小了28.4%，頸部力減小了18.5%，胸部壓縮量減小了13.1%。相對于恒定限力式安全帶CLL，遞增限力式安全帶PLL的頭部加速度增大了9.5%，頸部力增大了16.2%，胸部壓縮量減小了23.9%。

同時配置鎖止鎖舌CLT和端片預緊PLP對假人胸部和小腿傷害值的優化效果最好，鎖止鎖舌CLT對胸部壓縮量的優化效果要優于端片預緊PLP，鎖止鎖舌CLT和端片預緊PLP兩者對小腿傷害值的優化效果相當。配有鎖止鎖舌CLT時，胸壓減小了18.5%，小腿脛骨指數減小了28.9%;配有端片預緊PLP時，胸壓減小了11.1%，小腿脛骨指數減小了29.1%;兩者同時配置時，胸壓減小了21.4%，小腿脛骨指數減小了40.8%。

針對本文所述車型，配置遞增限力式安全帶PLL時，胸部得分滿足目標;配置鎖止鎖舌CLT時，小腿得分滿足目標，同時優化了胸部得分;同時配置鎖止鎖舌CLT和端片預緊PLP時，胸部和小腿得分均滿足目標。考慮到端片預緊PLP成本較高，推薦配置遞增限力式安全帶PLL以及鎖止鎖舌CLT，既能滿足安全目標，而且性價比最高。

參考文獻：

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