正面碰撞中鎖止舌片對乘員胸部損傷的研究

姜 劍

（上海元城汽車技術有限公司，上海 200801）

引言

隨著汽車在中國的普及，越來越多的人開始關注車輛安全。在車輛發生碰撞事故后，如何通過約束系統有效保護車輛碰撞過程中乘員的人身安全，已成為國內外學者多年來致力于解決的問題。統計分析報告表明，安全帶的使用在乘員致命傷害方面減少近45%，在乘員嚴重傷害方面減少67%[1]。安全帶的廣泛使用對減少乘員致命及嚴重傷害方面起到極其重要的作用[2]。然而，交通傷流行病學及損傷部位統計結果顯示，安全帶作為乘員保護的重要系統，但也是導致車輛正面碰撞過程中乘員胸部損傷的主要因素[3]。統計C-NCAP試驗結果，結果表明假人胸部作為試驗中失分最多的部位，主要由假人胸部壓縮量不理想所致，因此，降低假人胸部壓縮量是改善乘員胸部傷害的重要措施[4]。約束系統中最重要的部分是安全帶系統，在車輛行駛過程中發生碰撞或緊急制時，其能快速將乘員“束縛”在座椅上，有效地減小乘員骨盆的前移量，從而達到減小乘員胸部傷害的作用[5]。因此，不同的安全帶配置對乘員胸部的保護尤其重要。葛如海等[6]人研究了安全帶不同限力等級下對駕駛員傷害的影響。費敬等[7]人研究了安全帶多種預緊方式對乘員傷害的影響。杜群貴等[7]人建立了正面碰撞有限元模型，研究在新型預緊安全帶約束作用下乘員的傷害情況。上述研究對象多為安全帶整體性能，針對DLT對乘員保護效果的研究較少，且基本上基于仿真分析，缺乏理論分析和整車碰撞試驗驗證。

本文分析DLT的工作原理，并在傳統卷收器預緊限力功能的基礎上，增加DLT功能，并建立DLT有限元模型，對比增加DLT后安全帶力以及乘員胸部壓縮量，通過整車試驗驗證，結果表明增加DLT能有效減小乘員胸部壓縮量。

1 DLT工作原理及有限元模型

1.1 工作原理

DLT是一種結構精巧、輕質和緊湊的裝置，由帶回轉凸輪和暗式彈簧的安全帶凸舌構成[8]。其工作原理是阻止織帶從胸部到臀部的移動，如圖1所示。正常使用及佩戴好安全帶后，DLT和傳統的鎖舌類似，允許織帶自由通過凸舌，以保證其在日常使用中的舒適性，如圖1(a)所示；一旦汽車發生緊急制動或碰撞，腰帶所承受的力較肩帶力大于45 N時，DLT就會鎖緊安全帶織帶，如圖1(b)所示；直至腰帶與肩帶之間的力差達到100 N時，DLT完全鎖止，并結合安全帶其他性能發揮作用以減小假人胸部位移，從而有效地降低乘員胸部所承受的壓力，如圖1(c)所示。

圖1 DLT工作原理示意圖

1.2 DLT有限元模型

車輛發生緊急制動或碰撞，安全帶腹部力（B5）與肩帶力（B4）之間的差值大于特定值時，DLT迅速鎖緊安全帶織帶，同時發揮安全帶的其他安全性能，以限制假人骨盆向前的位移來減小乘員胸部所承受的壓力。

DLT有限元模型通過LS-DYNA中的*SENSOR_DEFINE _FORCE、*SENSOR_DEFINE _FUNCTION、*SENSOR_ SWITCH及*SENSOR_CONTROL四個關鍵字實現。首先在Buckle兩側的肩帶和腰帶處分別建立力傳感器，以監測安全帶力B4和B5，如圖2所示：

圖2 Buckle端肩帶以及腰帶力傳感器標示

其次通過關鍵字*SENSOR_DEFINE_FORCE和*SEN- SOR_DEFINE_FUNCTION建立邏輯函數，表達式如下：

式中：x表示時間；f1(x)表示B5傳感器測得腰帶力－時間函數；f2(x)表示B4傳感器測得的肩帶力－時間函數；f(x)表示腰帶與肩帶的力差值－時間函數。

邏輯判別條件通過關鍵*SENSOR_SWITCH實現，表達式如下：

DLT的開關通過關鍵*SENSOR_CONTROL和方程控制，仿真中DLT默認是鎖止狀態；當腰帶和肩帶的力差f(x)≥mKN時，即激活鎖止功能。

2 基礎模型對標

本文以某SUV 50 km/h FRB工況下已對標主駕約束系統模型為研究基礎，研究DLT對乘員胸部壓縮量的影響。

在50 km/h FRB工況下，車體Y方向和Z方向上的加速度很小，且B柱下端X方向的加速度比較穩定，故在仿真中通過關鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION將X向加速度加載至有限元模型中。B柱下端X向加速度如圖3所示。

圖3 加速度曲線

通過整車試驗及有限元仿真中的安全帶B4及B5力、假人胸部壓縮量、加速度及骨盆X及Z向加速度曲線的對比結果，驗證有限元模型的有效性，進而分析有限元模型預測胸部壓縮量對DLT的靈敏度。圖5為仿真結果與實車碰撞試驗下假人傷害曲線對比。結果表明，假人絕大部分損傷和碰撞參數與實車碰撞試驗傷害值曲線比較一致，肩帶力和腰帶力對標結果良好，其差異在系統可接受范圍內；骨盆加速度X向比較接近，而Z向存在的差異較小，骨盆對標結果可以接受；因實車碰撞中存在Pitch效應，仿真較實車的胸部壓縮量偏大，系統評估可接受該差異量，證明了基礎模型的有效性及可用性。

圖4 基礎模型仿真試驗動畫對比結果

圖5 基礎模型假人傷害值仿真試驗對標結果

3 DLT對乘員胸部傷害的影響

基于主駕約束系統基礎對標模型（該模型無DLT功能），驗證50 km/h FRB和64 km/h ODB中DLT對假人胸部壓縮量的影響。

在50km/h FRB仿真分析中，無DLT時假人胸部壓縮量為28.7 mm，有DLT時假人胸部壓縮量為22.3 mm；增加DLT后胸部壓縮量提高了6.5 mm。通過整車碰撞試驗驗證，試驗與有限元仿真結果具有較好的一致性，試驗假人胸部壓縮量為21.5 mm，如圖6所示。

圖6 DLT對胸部壓縮量的影響

在64 km/h ODB仿真中，無DLT時假人胸部壓縮量為29.8 mm，有DLT時假人胸部壓縮量為24.3 mm，增加DLT后胸部壓縮量提高了5.5 mm。通過ODB試驗驗證，試驗與有限元仿真結果基本一致，試驗假人胸部壓縮量為25.1 mm，如圖7所示。

圖7 DLT對胸部壓縮量的影響

4 結論

本文在項目開發中乘員胸部壓縮量未能滿足開發目標，優化安全氣囊和安全帶限力等級參數，胸部壓縮量得到改善，但仍未達到開發目標；通過研究DLT的工作原理，分析正面碰撞過程中乘員受力情況，增加DLT乘員胸部壓縮量達到開發目標，建立滑臺約束系統有限元模型，最后進行實車正面碰撞試驗驗證。得出以下結論：

（1）DLT可以阻止織帶從胸部到臀部的移動，減小假人胸部位移量，從而有效地降低乘員胸部所承受的壓力，故可以降低乘員胸部壓縮量。

（2）DLT有效降低乘員胸部壓縮量，從而影響C-NCAP得分。在整車安全性能開發階段，應充分考慮使用DLT，以開發出滿足安全性能的車輛。