面向副駕駛員約束系統(tǒng)安全性能的仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)

洪 亮 耿國慶 丁 華 張學(xué)榮

（江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

我國汽車保有量逐年攀升，導(dǎo)致汽車交通事故頻發(fā)。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：2019 年全國汽車交通事故致死、致傷人數(shù)分別高達(dá)43413 人、157157 人，同時(shí)造成近12 億元的直接財(cái)產(chǎn)損失。提升乘員約束系統(tǒng)的安全性能是減少汽車交通事故傷亡人數(shù)與財(cái)產(chǎn)損失的重要措施[1-2]。

許多大專院校都開設(shè)有《車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)》、《汽車安全》課程，這些課程均重點(diǎn)講授乘員約束系統(tǒng)的基本概念、基礎(chǔ)理論以及實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)。“乘員約束系統(tǒng)”知識點(diǎn)具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐特征，亟需實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)課程補(bǔ)充、整合課堂知識，以加深學(xué)生對乘員約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的理解。然而，開展實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)，不僅需有3 千平米以上的實(shí)驗(yàn)場地；同時(shí)需要牽引裝置、照明系統(tǒng)、碰撞假人、實(shí)驗(yàn)車輛等價(jià)格昂貴的儀器設(shè)備。單次實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高達(dá)20 萬元，整個(gè)操作流程耗時(shí)12 小時(shí)以上。此外，實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)系數(shù)高，所有操作只能由專人完成，致使學(xué)生參與度極低，教學(xué)效果不佳[3]。因此，大專院校難以開設(shè)實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)課程。

為克服大專院校難以開設(shè)實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)課程的現(xiàn)狀，本文引入虛擬仿真技術(shù)[4-6]，開發(fā)“面向副駕駛員約束系統(tǒng)安全性能的仿真實(shí)驗(yàn)”，利用成熟可靠的汽車碰撞仿真軟件，引導(dǎo)學(xué)生探究在正面偏置碰撞中，副駕駛員約束系統(tǒng)的各設(shè)計(jì)參數(shù)對副駕駛員頭部、胸部、腿部損傷的影響，以便學(xué)生結(jié)合課堂知識，厘清副駕駛員約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)值與人體傷害指標(biāo)間的關(guān)系，為今后的乘員約束系統(tǒng)研發(fā)工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，最終達(dá)到“以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合，深度交互，理實(shí)融合”的教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 仿真模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

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

為達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，基于某車型的副駕駛員區(qū)域的相關(guān)尺寸與性能參數(shù)，運(yùn)用Madymo 軟件，構(gòu)建正面偏置碰撞副駕駛員約束系統(tǒng)仿真模型（以下簡稱為“仿真模型”）[10]，如圖1 所示。調(diào)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(tǒng)仿真模型

所建仿真模型須經(jīng)實(shí)車碰撞試驗(yàn)的驗(yàn)證，試驗(yàn)測得的假人傷害響應(yīng)曲線與仿真模型計(jì)算的傷害響應(yīng)曲線間的對比如圖2所示。由圖2 可知，試驗(yàn)曲線與仿真曲線間基本吻合，因此仿真模型具備較強(qiáng)的可信度，能夠作為基礎(chǔ)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[11]。

圖2 試驗(yàn)與仿真曲線的對比

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)與傷害指標(biāo)的選取

本實(shí)驗(yàn)探究副駕駛員約束系統(tǒng)的各設(shè)計(jì)參數(shù)值變化對副駕駛員頭部、胸部、腿部傷害指標(biāo)的影響規(guī)律。各設(shè)計(jì)參數(shù)及其取值如下：

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

（2）安全氣囊起爆時(shí)刻：10ms、15ms、20ms、25ms、30ms。

副駕駛員的傷害指標(biāo)包括頭部傷害指標(biāo)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(quán)傷害指標(biāo)WIC，WIC 的表達(dá)式見公式（1）[12]。前五種傷害指標(biāo)可在Madymo 軟件計(jì)算生成的peak 文件中查找獲得。

公式（1）中，HIC36 為頭部傷害指標(biāo)；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(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 織帶延伸率的仿真模擬

當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，安全帶是保證車內(nèi)人員安全的最重要裝置，織帶延伸率是安全帶的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。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(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，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(jié)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(biāo)HIC36，胸部3ms 合成加速度T3MS，左、右大腿力FL、FR以及加權(quán)傷害指標(biāo)WIC 都呈現(xiàn)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(qiáng)安全帶的束縛能力，有效降低副駕駛員頭部、胸部、腿部的運(yùn)動(dòng)幅度和運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 起爆時(shí)刻的仿真模擬

安全氣囊起爆時(shí)刻決定安全氣囊的完全展開時(shí)刻與泄氣時(shí)刻，將五種起爆時(shí)刻10ms、15ms、20ms、25ms、30ms 分別代入仿真模型中，以探索起爆時(shí)刻變化對副駕駛員頭部、胸部、腿部損傷的影響，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。隨著起爆時(shí)刻逐漸提前，頭部傷害指標(biāo)HIC36 與加權(quán)傷害指標(biāo)WIC 逐漸增大，其它傷害指標(biāo)無顯著變化；相比于起爆時(shí)刻為30ms 的情況，當(dāng)起爆時(shí)刻分別提前至25ms、20ms、15ms、10ms 時(shí)，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(yuǎn)，無論如何提前或滯后起爆時(shí)刻，安全氣囊總是完全展開后，才對副駕駛員頭部進(jìn)行約束。然而，提前起爆時(shí)刻的同時(shí)，也會(huì)提前泄氣時(shí)刻，使得安全氣囊過早泄氣。當(dāng)頭部與過早泄氣的安全氣囊接觸時(shí)，因安全氣囊內(nèi)部壓力不足，難以有效約束頭部的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)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(shí)刻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文基于Madymo、HyperView 與HyperGraph 軟件，將“面向副駕駛員約束系統(tǒng)安全性能的仿真實(shí)驗(yàn)”引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能夠達(dá)到以下教學(xué)目的：

3.1 采用虛擬仿真技術(shù)克服大專院校缺乏實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)課程的現(xiàn)狀，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法。

3.2 通過仿真實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)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(shí)刻變化對副駕駛員的頭部傷害指標(biāo)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(quán)傷害指標(biāo)WIC的影響規(guī)律，加深學(xué)生對“乘員約束系統(tǒng)”知識點(diǎn)的感性、理性認(rèn)知，為今后的乘員約束系統(tǒng)研發(fā)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提升理論教學(xué)效果。