小型電動汽車正面碰撞的約束系統關鍵設計

段大祿，賈麗剛，易超，解維杰，陳濤，陳自凱

1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司，湖南長沙 410100；3.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900；4.汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室（寶鋼），上海 201900

0 引言

汽車在行駛過程出現交通事故時，約束系統是最有效也是最重要的乘員保護裝置[1]。乘員約束系統包括安全帶、安全氣囊、座椅、轉向系統、儀表板等，在車輛受到正面碰撞時，約束系統可以約束住座椅上因為加速度而向前沖的乘客，避免乘員與車內其他部件產生撞擊造成人員傷害[2]，也可以作為乘員與部件撞擊時的緩沖裝置[3]，對乘員的保護效果顯著。

近些年來，小型電動汽車由于車身小、靈活方便的優勢被廣泛認可。但小型電動汽車在碰撞過程中有比較惡劣的乘員加速度，會對頭、頸、胸等部位造成較大的傷害。另外，相比于普通乘用車，小型電動汽車的吸能空間有限，遭受碰撞時的乘員侵入量較大，易使腿部受到傷害。

本文基于小型電動汽車正碰時車內乘員的傷害問題，通過相關建模仿真分析對約束系統參數進行重新匹配，同時對儀表板結構進行改進，主要是對安全氣囊的拉帶參數、安全氣囊泄氣孔大小、安全帶限力大小的匹配分析以及對儀表板與腿部接觸部分吸能塊的設計改進，以達到減小乘員傷害的目的。

1 實車試驗

實車試驗（圖1）是指汽車主機廠的試驗車生產完成后，通過實車碰撞試驗檢驗約束系統對駕乘人員的保護效果，其目的是最大可能地還原具有代表性的交通事故，以此來獲得對應條件下駕乘人員的傷害值，對試驗車的安全性進行評價[2]。

圖1 實車試驗

實車試驗參考GB 11551—2014《汽車正面碰撞的乘員保護》[4]相關要求安排正面100%剛性壁碰撞試驗，試驗整車質量838 kg，前軸負荷386 kg，后軸負荷452 kg，假人選用Hybrid III 50th男性假人。在試驗場地以50 km/h的速度進行正面100%碰撞試驗，該場地足夠大，壁障的大小和重量都足夠且固定在地面上，方位準確。

試驗中測得的速度為48.68 km/h，符合法規要求的速度范圍，試驗結果數據與法規限值的比較見表1。

表1 試驗結果數據與法規限值的比較

從試驗結果可以得出，該約束系統對乘員保護效果較差，尤其是乘員頭部，傷害指標與法規限值接近；頸部、胸部與腿部受到的傷害也較大。由此可知，原定的約束系統參數匹配方式、原有的儀表板結構都需要進行改進設計，以保證小型電動汽車在正碰時對乘員能有較好的保護效果。

2 傷害分析

從上文試驗結果可知，汽車碰撞時，乘員頭、頸、胸、腿等部位都會受到相應的傷害，由此引用加權傷害準則綜合損傷值（WIC）來評價約束系統對乘員保護的整體情況，WIC的值越小代表約束系統對乘員的保護效果越好。加權傷害準則綜合損傷值WIC的計算公式如下[5]：

式中，HIC為頭部綜合性能指標；C3ms為胸部3ms加速度值，g；D為胸部壓縮量，mm；FFL和FFR分別為左右大腿軸向壓力，kN。

HIC計算公式[6]為：

式中，AR代表在T0≤t≤TE內，頭部質心的合成加速度；T0、TE代表碰撞的開始時間和碰撞結束的時間；t1、t2代表計算時HIC達到最大值的起始和終止時刻；時間間隔一般取（t1－t2）≤36 ms。

在實車正面碰撞試驗時乘員受到的各種損傷主要受加速度的影響，又因為小型電動汽車空間較小，試驗時乘員在向前加速運動的過程中，胸部會推動安全氣囊的氣袋上移，導致胸部與氣囊接觸減少，造成乘員胸部壓縮量增加；同時氣囊上移也會擠壓到頭部，造成乘員頭部傷害增大，HIC偏高，實車試驗結果為897，接近GB 11551—2014的法規限值。除此之外，乘員頭部3 ms累積合成加速值也較大，接近法規限值；小型電動汽車經過撞擊后，轉向管柱跳動會對乘員頸部造成傷害，氣袋的上移也對頸部造成傷害，最終導致乘員頸部損傷My接近正碰條件下的法規限值；在碰撞后加速度很高的情況下，大腿部位對小型電動汽車儀表板侵入量很大，導致大腿受力也偏高。實車試驗的WIC為0.92，WIC值較大代表該小型電動汽車在正碰條件下對乘員整體保護效果也差，需要在儀表板結構改進的基礎上進行約束系統參數改進。

3 模型建立及仿真分析

碰撞過程中主要承擔沖擊力的是車身前部，所以車身前部對碰撞結果影響較大的部位需要利用UG精確建模[7]。本文的CAD模型是參考所研究的小型電動汽車駕駛員區域相關尺寸和性能參數建立的[8]，約束系統仿真建模使用HyperMesh進行前期的幾何處理與網格劃分，仿真建模時需要考慮建模的復雜以及計算時間的消耗，對CAD模型中不必要的燒焊、螺釘等對仿真結果影響不大、受力較小的部位進行簡化[9-10]。

重要受力結構部位按要求抽中面進行5 mm×5 mm或是10 mm×10 mm的網格劃分，最終建立的仿真模型有1029 672個網格單元，該車型設計的轉向管柱沒有壓潰性能。試驗使用安全帶的限力選用8.5 kN，最后建立的仿真模型以及安全帶肩帶力的結果分別如圖2和圖3所示。

圖2 仿真模型

圖3 安全帶肩帶力

試驗使用的氣囊為DAB（ driver airbag）駕駛員安全氣囊，它是在汽車正面碰撞時對駕駛員起防護作用的防護氣囊[11]。在試驗中安全氣囊點火時間定為8.5 ms，有兩個泄氣孔，直徑相同為36 mm，所用的拉帶為Y型3拉帶，它的匹配方式為（250×250×200）mm，對應的仿真模型如圖4所示。

圖4 安全氣囊仿真模型

為了保證仿真模型的有效性，在Prime中導入假人定位后，還需要結合HyperView軟件對座椅坐墊進行預壓，并利用LS-PrePost軟件對安全帶進行預模擬（圖5）。

圖5 安全帶的預模擬仿真

所有子系統仿真模型在建立完成后應進行集成，假人與車體結構、安全帶、安全氣囊、座椅、轉向系統的接觸均采用面面接觸，在子文件中通過關鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_ID定義。

根據實車試驗結果得到的速度為48.68 km/h，在仿真模型加載時單位對應m/s，換算關系為＝m/s 。所以加載的初速度=13.52（m/s）。之后給車體定義6個方向的運動，六向運動的曲線可以從試驗結果或是有限元仿真結果中獲取。

子系統集成及邊界條件定義完成后即可提交LSDYNA計算，LS-DYNA是一種能夠模擬復雜實際問題的通用有限元仿真軟件，以Lagrange算法為主，能夠處理幾何非線性（大位移、大變形等）、材料非線性等問題，是一種功能齊全的非線性程序，且其強大的材料庫囊括了近200多種非線性材料。除此之外，還提供了50多種非線性的接觸方式，被廣泛應用到汽車、航空航天、建筑、軍事、制造和生物工程等諸多行業[9-12]。最終的仿真結果可以用來與試驗結果對比進行模型精確度分析及約束系統安全性評價。

4 仿真模型的有效性驗證

實車試驗結果和仿真結果的指標對比見表2。

表2 試驗與仿真對比

由表2可知，實車試驗結果與相應的模型仿真結果的頭部、頸部和胸部指標的誤差最大為15.2%，小于20%，在可控范圍內[6]。乘員關鍵部位的曲線與仿真結果的對比，如圖6和圖7所示。

圖6 關鍵部位的曲線對比

圖7 實車與仿真運動狀態對比

從實車試驗結果與仿真結果的乘員運動狀態對比和乘員關鍵部位的曲線對比可以看出，乘員頭部、頸部、胸部相關曲線都是從20 s左右開始改變，在50～60 s間達到一個峰值，100 s過后各個曲線波動變小后趨于平緩，且在100 s時的運動狀態完全對應。實車試驗結果和仿真結果在趨勢、時域與峰值三個方面基本一致，說明所建立的駕駛室約束系統模型可以作為后續分析改進的基礎模型[13]。

5 約束系統關鍵設計

5.1 泄氣孔直徑

參考上文的實車試驗和仿真建模，本文研究選取可改動的參數為安全帶限力大小、泄氣孔直徑及安全氣囊的拉帶長度。首先嘗試將泄氣孔直徑36 mm改為31 mm進行仿真分析對比，仿真結果對比見表3。

表3 泄氣孔直徑修改前后結果對比

仿真結果對比發現，直徑改為31 mm后，乘員的頭部與頸部傷害增加，約束系統的泄氣孔參數改進無效，說明氣囊直徑在36 mm時約束系統對乘員保護效果較好。

5.2 安全帶限力

在氣囊直徑36 mm的基礎上，嘗試將安全帶限力大小由設計狀態的8.5 kN降至6.5 kN（限力桿直徑由11.8 mm降至9.9 mm），修改前后仿真結果對比見表4。

表4 安全帶限力修改前后結果對比

從對比結果可以看出，安全帶限力的設計狀態改為6.5kN時對乘員的頭部與頸部傷害指標有很大改善，故約束系統的安全帶限力大小改進有效，為6.5kN。

5.3 安全氣囊的拉帶匹配方式

在氣囊直徑36mm、安全帶限力大小狀態6.5kN的基礎上，安全氣囊的拉帶匹配方式選?。?40×240×240）mm與（250×250×200）mm進行分析。仿真計算結果對比見表5。

表5 安全氣囊拉帶匹配方式修改前后結果對比

由仿真結果對比可知，在兩種匹配方式下頸部、胸部、腿部的傷害差別較小，故通過結果中的頭部性能指標來選擇保護效果較好的拉帶設計。氣囊拉帶在（250×250×200）mm時對乘員頭部保護效果較好，故采用原方案。

5.4 儀表板改進

上述仿真分析中的大腿壓縮力指標都較大，因此本文嘗試在氣囊直徑36 mm、安全帶限力大小設計狀態6.5 kN、氣囊拉帶（250×250×200）mm的基礎上，對儀表板進行內部吸能設計，包括乘員左右膝蓋與儀表板接觸位置的潰縮空間預留，以及吸能塊設計，如圖8所示。

圖8 儀表板改進前后結構對比

改進前后的仿真結果對腿部膝蓋的碰撞效果對比如圖9所示，可以看出在原有的設計情況下，碰撞過程中乘員腿部對儀表板的侵入量過大，造成儀表板變形，同時腿部受到的傷害也相應過大；而在改進后的儀表板設計情況下，碰撞過程中乘員腿部與儀表板接觸時雙方的變形都很小，對乘員腿部傷害較小。

圖9 膝蓋碰撞效果對比

原結構與改進后的仿真結果對比見表6。從仿真對比結果可以看出，儀表板結構改進后對乘員頭部、頸部、胸部的保護效果影響較小，對腿部保護效果改善明顯，乘員的腿部傷害得到很大降低，說明儀表板的結構改進有效。

表6 改進前后仿真結果對比

所以最終確定的改進方式為：在約束系統參數匹配方式為安全氣囊直徑36 mm、安全帶限力大小為6.5 kN、安全氣拉帶匹配方式為（250×250×200）mm的同時，對儀表板吸能塊等部位也進行了結構改進。

5.5 改進前后效果對比

最終改進方案的仿真結果與改進前傷害指標的改進百分比見表7。

表7 改進百分比

由改進前后仿真對比結果可知，改進后的乘員頭部性能指標減小，遠小于法規限值，頸部、胸部指標也都得到改善，大腿力裕度充足，超標風險較小，綜合損傷值WIC得到減小，為0.68。改進百分比最大為68.4%，證明改進后的約束系統在正碰過程中對乘員保護效果有很大提升。

6 結論

本文基于某款小型電動汽車在正面100%實車碰撞試驗中乘員受傷害過大的問題，進行約束系統關鍵設計。通過建立與實車模型相對應的仿真模型進行改進分析，最終得到約束系統相應的參數匹配方法以及儀表板吸能部位的結構改進方法，大大降低了乘員頭部、頸部、胸部及腿部受到的傷害，使乘員整體傷害得到減小，表明本文的約束系統關鍵設計對小型電動汽車正碰條件下乘員整體保護效果有顯著提升。