面向副駕駛員約束系統安全性能的仿真實驗開發

洪 亮 耿國慶 丁 華 張學榮

（江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013）

我國汽車保有量逐年攀升，導致汽車交通事故頻發。據國家統計局的統計數據表明：2019 年全國汽車交通事故致死、致傷人數分別高達43413 人、157157 人，同時造成近12 億元的直接財產損失。提升乘員約束系統的安全性能是減少汽車交通事故傷亡人數與財產損失的重要措施[1-2]。

許多大專院校都開設有《車身結構與設計》、《汽車安全》課程，這些課程均重點講授乘員約束系統的基本概念、基礎理論以及實際設計時的注意事項?！俺藛T約束系統”知識點具有很強的工程實踐特征，亟需實車碰撞實驗課程補充、整合課堂知識，以加深學生對乘員約束系統設計要點的理解。然而，開展實車碰撞實驗，不僅需有3 千平米以上的實驗場地；同時需要牽引裝置、照明系統、碰撞假人、實驗車輛等價格昂貴的儀器設備。單次實車碰撞實驗費用高達20 萬元，整個操作流程耗時12 小時以上。此外，實車碰撞實驗危險系數高，所有操作只能由專人完成，致使學生參與度極低，教學效果不佳[3]。因此，大專院校難以開設實車碰撞實驗課程。

為克服大專院校難以開設實車碰撞實驗課程的現狀，本文引入虛擬仿真技術[4-6]，開發“面向副駕駛員約束系統安全性能的仿真實驗”，利用成熟可靠的汽車碰撞仿真軟件，引導學生探究在正面偏置碰撞中，副駕駛員約束系統的各設計參數對副駕駛員頭部、胸部、腿部損傷的影響，以便學生結合課堂知識，厘清副駕駛員約束系統的設計參數值與人體傷害指標間的關系，為今后的乘員約束系統研發工作奠定堅實的基礎，最終達到“以虛補實，虛實結合，深度交互，理實融合”的教學效果。

1 實驗方法

1.1 仿真模型的構建與驗證

Madymo 是一款融合多體動力學計算功能和有限元計算功能的汽車碰撞仿真軟件[7-8]。HyperView 與HyperGraph（轉下頁）是兩款通用的可視化后處理軟件，將Madymo 軟件計算生成的kn3 文件導入HyperView 軟件中，可查看仿真動畫；將Madymo軟件計算生成的lac 文件、injury 文件導入HyperGraph 軟件中，可查看仿真曲線[9]。上述三款軟件為本仿真實驗順利實施提供了有力保障。

為達到實驗目標，基于某車型的副駕駛員區域的相關尺寸與性能參數，運用Madymo 軟件，構建正面偏置碰撞副駕駛員約束系統仿真模型（以下簡稱為“仿真模型”）[10]，如圖1 所示。調入Madymo 軟件中自帶的Hybrid Ⅲ50 百分位男性假人模型，并將其定位在副駕駛員座椅上，用以模擬副駕駛員。

圖1 正面偏置碰撞副駕駛員約束系統仿真模型

所建仿真模型須經實車碰撞試驗的驗證，試驗測得的假人傷害響應曲線與仿真模型計算的傷害響應曲線間的對比如圖2所示。由圖2 可知，試驗曲線與仿真曲線間基本吻合，因此仿真模型具備較強的可信度，能夠作為基礎模型進行仿真實驗[11]。

圖2 試驗與仿真曲線的對比

1.2 設計參數與傷害指標的選取

本實驗探究副駕駛員約束系統的各設計參數值變化對副駕駛員頭部、胸部、腿部傷害指標的影響規律。各設計參數及其取值如下：

（1）安全帶的織帶延伸率比例系數：0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3。

（2）安全氣囊起爆時刻：10ms、15ms、20ms、25ms、30ms。

副駕駛員的傷害指標包括頭部傷害指標HIC36，胸部3ms合成加速度T3MS，胸部壓縮量THPC，左、右大腿力FL、FR 以及加權傷害指標WIC，WIC 的表達式見公式（1）[12]。前五種傷害指標可在Madymo 軟件計算生成的peak 文件中查找獲得。

公式（1）中，HIC36 為頭部傷害指標；T3MS 為胸部3ms 合成加速度，m/s2；THPC 為胸部壓縮量，mm；FL、FR 分別為左、右大腿力，N。

2 仿真實驗結果

2.1 織帶延伸率的仿真模擬

當車輛發生碰撞時，安全帶是保證車內人員安全的最重要裝置，織帶延伸率是安全帶的主要設計參數。通常用沿織帶長度方向，織帶受到11100N 的拉力作用后的相對伸長量，來表示織帶延伸率。將七種織帶延伸率分別代入仿真模型，進行仿真實驗，以分析在正面偏置碰撞中，織帶延伸率變化對副駕駛員頭部、胸部、腿部損傷的影響，仿真結果如圖3 所示。由圖3 可知，隨著織帶延伸率由1.3 逐漸減小至0.7，副駕駛員的頭部傷害指標HIC36，胸部3ms 合成加速度T3MS，左、右大腿力FL、FR以及加權傷害指標WIC 都呈現顯著下降的趨勢，下降幅度分別為11.23%，5.71%，30.00%，19.99%與8.30%，但胸部壓縮量THPC 上升4.28%。這是由于減小織帶延伸率，即安全帶變緊后，能夠增強安全帶的束縛能力，有效降低副駕駛員頭部、胸部、腿部的運動幅度和運動速度，最終避免或減輕駕駛員傷害；但也將加大織帶對副駕駛員胸部的擠壓，造成胸部壓縮量THPC 上升。

圖3 織帶延伸率的實驗結果

2.2 起爆時刻的仿真模擬

安全氣囊起爆時刻決定安全氣囊的完全展開時刻與泄氣時刻，將五種起爆時刻10ms、15ms、20ms、25ms、30ms 分別代入仿真模型中，以探索起爆時刻變化對副駕駛員頭部、胸部、腿部損傷的影響，仿真實驗結果如圖4 所示。隨著起爆時刻逐漸提前，頭部傷害指標HIC36 與加權傷害指標WIC 逐漸增大，其它傷害指標無顯著變化；相比于起爆時刻為30ms 的情況，當起爆時刻分別提前至25ms、20ms、15ms、10ms 時，HIC36 分別增大了4.93%，11.82%，18.09%，22.19%，WIC 分別增大了2.76%，6.71%，10.32%，12.63%。由于副駕駛員頭部與安全氣囊的安裝位置相距較遠，無論如何提前或滯后起爆時刻，安全氣囊總是完全展開后，才對副駕駛員頭部進行約束。然而，提前起爆時刻的同時，也會提前泄氣時刻，使得安全氣囊過早泄氣。當頭部與過早泄氣的安全氣囊接觸時，因安全氣囊內部壓力不足，難以有效約束頭部的運動，導致垂直方向上的頭部加速度逐漸增大，最終使得HIC36、WIC 上升。

圖4 起爆時刻的實驗結果

3 結論

本文基于Madymo、HyperView 與HyperGraph 軟件，將“面向副駕駛員約束系統安全性能的仿真實驗”引入實驗教學中，能夠達到以下教學目的：

3.1 采用虛擬仿真技術克服大專院校缺乏實車碰撞實驗課程的現狀，提高學生的學習興趣，豐富實驗教學內容和方法。

3.2 通過仿真實驗，使得學生高效、安全地厘清在正面偏置碰撞中，安全帶的織帶延伸率、安全氣囊的起爆時刻變化對副駕駛員的頭部傷害指標HIC36，胸部3ms 合成加速度T3MS，胸部壓縮量THPC，左、右大腿力FL、FR 以及加權傷害指標WIC的影響規律，加深學生對“乘員約束系統”知識點的感性、理性認知，為今后的乘員約束系統研發工作打下堅實的基礎，提升理論教學效果。