基于智能約束系統對不同身材乘員的保護與優化

張光輝，田林，黃杰，曾嬙

（1.威馬汽車科技集團有限公司，四川 成都 610100；2.中國汽車工程研究院，重慶 401122）

引言

乘員約束系統是在汽車發生碰撞時，為車內乘員提供保護的安全裝置[1]，良好的約束系統能有效地降低乘員的傷亡率。目前，乘用車約束系統的開發設計都是為了滿足法規或行業標準[2-3]。Adam等[4]研究表明標準設計的約束系統在交通事故中會增加乘員的損傷風險。鞠海蒙等[5]人研究了在正面碰撞工況下假人不同軀干角對假人傷害的影響，分析結果表明不同的軀干角會影響安全氣囊的保護效果。潘如楊等[6]研究了在正面50km/h碰撞中對比分析了第5百分位女性駕駛員與第50百分位男性假人的損傷，結果表明標準約束系統對第5百分位女性假人的保護效果相較于第50百分位男性假人較差，通過對安全氣囊的點火時間、安全氣囊排氣孔直徑、安全帶的預緊時間、安全帶限力大小進行優化后達到了對第5百分位女性駕駛員的更好的保護效果。商恩義等[7]研究了基于第50百分位假人開發的約束系統對第5百分位女性假人的保護，結果表明該約束系統對第5百分位女性假人的頭部和胸部有較好的保護效果，但對頸部會造成嚴重的損傷，通過優化安全氣囊的拉帶長度和采用分級起爆方法能降低第5百分位女性假人的頸部傷害。Takashi Deguchi等[8]人研究出了“S”型氣囊以解決第5百分位女性假人與第50百分位男性假人頭部向前運動空間的不同需求，第5百分位女性假人向前運動的空間小于第50百分位男性假人。

對于標準設計的約束系統，不同駕駛員的身高/坐高和體重參數不同，會影響約束系統的保護效果。為了研究正面碰撞工況下標準設計的約束系統對第5百分位女性假人和95百分位的男性假人的保護效果，并針對存在的損傷和潛在風險進行優化。本文基于智能約束系統，即根據不同百分位假人調整約束系統參數來實現對假人更好的保護。

1 模型的建立

依據威馬汽車某款車型駕駛員艙總布置的數據建立車身模型，主要包括地板、歇腳板、加速器踏板、座椅、儀表板、轉向管柱等。用MADYMO軟件建立的駕駛員側約束系統模型，主要包括安全帶、安全氣囊等。為保證模型的準確性，調整模型中假人身上的JOINT使假人的坐姿姿態與實車試驗時測量的假人位置信息一致[9]，定位好的假人姿態如圖1所示，假人主要空間距離見表1。

圖1 第50百分位假人姿態

雖然有限元安全帶能很好地模擬碰撞過程中安全帶在假人胸部的滑動與嵌入效應，但是在滑環和卡扣位置，有限元安全不能很好地模擬安全帶在其中的滑動。因此，為高效準確地模擬安全帶對假人的保護效果，對安全帶的建模采用兩種方法，與假人接觸的安全帶采用有限元法建立安全帶模型，不與假人接觸的部分采用多剛體方法建立安全帶，隨后調整安全帶在假人胸部的位置，使安全帶距離第50百分位假人下巴的距離試驗一致，安全帶位置信息見表1。

表1 實車試驗時駕駛員空間位置信息

本文中安全氣囊的模擬方法采用的是CV法（Control Volume）模擬安全氣囊的點爆、展開及充氣過程。該方法假設流入和流出囊袋的氣體是理想氣體且該氣體的熱容量系數不變，囊袋內的氣體沒有與外界進行熱量的交換。CV法的優點是考慮了囊袋氣體泄漏對氣囊的影響，而且模型不需要建立氣體發生器模型，只需要定義氣囊的質量流量曲線和溫度特性曲線，因此該方法能準確地模擬氣囊的展開和充氣過程。但由于假設囊袋內溫度和壓力是均勻的，所以此方法有一定的缺點，但能夠達到工程上對模型精度的要求。

2 模型對標

為了保證所建MADYMO模型的準確性，需要將仿真模型與試驗進行對標。模型的輸入波形采用實車100%正面50km/h碰撞剛性壁障左側B柱下端X向加速度波形，如圖2所示。本次實車碰撞試驗中約束系統參數配置為：Hybrid III 50th假人骨盆角為23°、DAB（Driver Airbag）的體積為50L、氣囊的排氣孔直徑為25mm、排氣孔數量為2個、安全帶限力為3.5kN、DAB的點爆時間為20ms、安全帶的預緊時間為16ms。在實際對標過程中，安全帶輸出參數的對標要先于假人傷害參數的對標，因為只有確定了安全帶參數包括肩帶力、腰帶力，才能夠保證假人骨盆加速的正確性。在假人傷害參數對標時，因正面碰撞過程中假人的下肢先于頭部與內飾接觸，故本文中采用“由下到上”順序進行對標[10]。綜上，本文模型的對標順序為肩帶力、腰帶力、骨盆加速度、胸部壓縮量、胸部加速度、頭部合成加速度。

圖2 實車碰撞試驗左側B柱下端X向加速度波形

仿真模型中的安全帶力與試驗測量的安全帶力基本一致，如圖3和圖4所示，因此假人骨盆處的合成加速度與試驗基本吻合。因此，在安全帶座椅的約束下假人骨盆的運動姿態和試驗一致性較好。由于假人的肩帶力仿真和試驗吻合度很高，所以假人胸部壓縮量和胸部合成加速仿真和試驗基本吻合，如圖7和圖8所示。如圖8所示假人頭部合成加速度仿真和試驗基本吻合。通過對比仿真模型與實車試驗的假人主要部位的損傷對比，仿真模型得到有效驗證可以用于接下來的分析工作。

圖3 安全帶肩帶力

圖4 安全帶腰帶力

圖5 假人骨盆合成加速度

圖6 假人胸部壓縮量

圖7 假人胸部合成加速度

圖8 假人頭部合成加速度

3 駕駛員位置假人損傷分析及優化

3.1 模型建立

對駕駛員位置第5百分位女性假人在正面碰撞中損傷情況進行分析，需要對模型中座椅的位置進行調整，參考Euro-NCAP中正面碰撞中對前排第5百分位女性假人定位要求調整假人的H點，其他的約束系統參數保持不變，如圖9所示。

圖9 第5百分位假人坐姿

在正面碰撞中對駕駛員位置是第95百分位男性假人損傷進行分析時，需要對模型中的座椅位置進行調整，參考GB11552-2009中對駕駛員位置95百分位假人前排座椅的定位要求[11]，將座椅調整到設計位置R點，隨后將95百分位假人調整到對應位置，其他約束參數保持不變，如圖10所示。

圖10 第95百分位假人坐姿

3.2 損傷分析

在正面碰撞工況中，駕駛員側乘員的傷害主要集中在頭部、頸部、胸部和骨盆。因此，分析假人時主要查看這些部位的傷害情況，其中頭部傷害指標選擇HIC36；頸部傷害指標選擇剪切力（Fx）、張力（Fz）、彎矩（My）；胸部傷害指標選擇Chest3ms；骨盆傷害指標選擇合成加速度。

由于第5百分位女性假人座椅的位置是在最前，所以第5百分位女性假人要比第50百分位男性假人更接近氣囊，在氣囊點爆展開過程中第5百分位女性假人接觸氣囊的時間要早于第50百分位男性假人。如圖11（a）和（b）所示，在53ms時，第5百分位女性假人的頭部開始接觸氣囊，而第50百分位男性假人頭部和氣囊之間還有一定距離。第5百分位女性假人仿真模型中，安全氣囊的展開形態不正常，氣囊由明顯向風窗玻璃方向傾斜，造成這種顯現的主要原因是氣囊展開過程中過早地與假人胸部接觸，這種現象容易造成胸部和腹部與方向盤輪緣接觸，增加假人胸部和腹部的損傷風險，第5百分位假人傷害指標見表2。

圖11 53ms時假人運動姿態對比

第95百分位男性假人H點相對于第50百分位男性假人更靠后，所以在約束系統參數不變的情況下，第95百分位的男性假人離氣囊更遠，在氣囊點爆過程中第95百分假人接觸氣囊的時間更靠后。在碰撞開始53ms時，50百分位假人下巴距離氣囊的距離60mm，95百分位假人下巴距離氣囊129mm。如圖12所示，對比第50和第95百分位假人碰撞模型可知，在氣囊點爆并充氣完成時第50百分位的假人頭部剛好接觸氣囊，而第95百分位假人距氣囊還有68mm。因此第95百分位的假人頭部HIC36、胸部Chest3ms和胸部壓縮量相對于50百分位的假人偏高，第95百分位假人傷害見表2。另外，第95百分位假人頭部在壓縮氣囊的過程中距離方向盤的距離最小為4mm，有擊穿氣囊的風險，如圖13所示。

圖12 63ms時假人運動姿態對比

圖13 第95百分位假人頭部與方向盤的距離

表2 第5/50/95百分位假人傷害指標結果對比

3.3 基于智能約束系統對第5/50/95百分位假人進行優化

智能約束是指能夠根據乘員的坐高、體重、事故發生時的車速等指標調整碰撞時的約束系統參數，如氣囊排氣孔泄氣面積、氣囊的點爆時間、安全帶的預緊時間、安全帶的限力等級、座椅姿態的調整[12]。本文選取氣囊點爆時間、排氣孔直徑大小、安全帶預緊時間、安全帶限力特性進行研究。

由于對于第5百分位女性假人的位置相對于第50百分位男性假人更靠前，所以碰撞發生時氣囊的點爆時間和安全帶預緊時間的作用時間要更靠前，因此將點爆時間和預緊時間提前6ms。另外，碰撞發生時5百分位假人的沖擊能量要小于50百分位假人，故將5百分位假人安全氣囊的排氣孔直徑大小隨時間的變化設置成如圖14所示，安全帶限力等級隨拉出量的變化設置為如圖15所示。

圖14 05/50/95百分位假人安全帶限力等級

圖15 05/50/95百分位假人氣囊排氣孔直徑

對于第50百分位假人為進一步優化假人的胸部的傷害，將50百分位假人氣囊排氣孔直徑大小隨時間的變化設置為如圖14所示，安全帶限力等級隨拉出量的變化設置為如圖15所示。

第95百分位男性假人的位置相對于第50百分位男性假人更靠后，所以碰撞發生時氣囊的點爆時間和安全帶的預緊時間要靠后，因此將點爆時間和預緊時間延后5ms。因碰撞發生時95百分位假人的能量大于50百分位假人，因此將95百分位假人氣囊排氣孔直徑大小隨時間的變化設置成如圖14所示，安全帶限力等級隨時間的變化設置為如圖15所示。

使用智能約束系統參數后5/50/95百分位假人的損傷都有不同程度地降低，三種假人的頭部HIC36下降最為明顯，50/95百分位假人胸部壓縮量降低較為明顯，假人傷害見表3。如圖16所示，采用智能約束系統參數后第95百分位假人在壓縮氣囊的過程中，最小距離有24mm，有效降低了頭部擊穿氣囊的風險。

圖16 第95百分位假人與方向盤的距離

表3 優化后第5/50/95百分位假人損傷結果

4 結論

針對目前汽車配置的前排約束系統是基于第50百分位男性假人設計開發的，而對第5/95百分位假人的保護不一定是最適合的。文中通過驗證的MADYMO仿真模型，采用智能約束系統參數對5/50/95三種不同百分位假人進行優化，從優化后的假人傷害結果可以看出，在同一碰撞工況下智能約束系統能夠對不同身材的假人提供更好的保護。