吳云騰，葛如海，楊工作，朱文婷

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇212013)

我國車輛后排座位的使用率很高.隨之而來的問題是，在我國每年10萬人左右的交通事故死亡人數(shù)中，后排乘員的死亡人數(shù)占據(jù)一定的比例，據(jù)估算約有1萬人[1].國內(nèi)外轎車的被動安全性研究，目前大多數(shù)集中在前排駕駛員側(cè)以及前排乘員側(cè).對正面碰撞工況下的轎車后排乘員的傷害研究較少[2].

本文結(jié)合汽車被動安全的研究現(xiàn)狀，通過MADYMO建立轎車后排約束系統(tǒng)正面碰撞仿真模型，對乘員傷害機理進行研究，具體是建立5%人體模型的轎車后排左側(cè)座椅位置的乘員約束系統(tǒng)仿真模型進行50 km/h碰撞工況仿真分析，對乘員進行傷害研究.在發(fā)生正面碰事故時，因為后排乘員極少會像前排乘員那樣遭受車體變形擠壓的影響，因此只要正確佩戴安全帶，安全系數(shù)還是比較高的.導(dǎo)致目前后排死亡率較高的主要原因是后排乘員的安全帶佩戴率非常低.本文主要分析了安全帶的設(shè)計參數(shù)對乘員的保護效果，得到了改善乘員約束系統(tǒng)保護性能的方法.

1 轎車后排乘員約束系統(tǒng)正面碰撞仿真模型的建立

MADYMO是一個完美融合多體 (MB-Multi Body)動力學計算功能和顯式動態(tài)有限元 (FE)計算的仿真軟件.經(jīng)常采用 MADYMO中的MB方式進行快速而有效的建模來進行產(chǎn)品的概念設(shè)計;對于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，則采用有限元方式進行細致的建模.此軟件可用來研究汽車碰撞過程當中乘員的傷害，也可分析約束系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)變化所產(chǎn)生的影響，以及預(yù)測各種設(shè)計參數(shù)對乘員的保護效果.利用MADYMO，可以對乘員約束系統(tǒng)進行快捷而有效的優(yōu)化設(shè)計，并節(jié)約大量的資金，縮短研究周期[3].

利用MADYMO軟件建立起某轎車車體座椅、安全帶系統(tǒng)和假人的后排乘員約束系統(tǒng)正面碰撞仿真模型.該乘員約束系統(tǒng)的仿真模型主要包含車體模型、假人模型、安全帶模型、接觸算法、加速度場等內(nèi)容.其中假人的肩部、胸部、腰部與安全帶肩帶發(fā)生接觸，假人的腰部、髖部、左右大腿與安全帶的腰帶發(fā)生接觸[4].

圖1為建立起的正面碰撞下后排乘員約束系統(tǒng)模型.

圖1 轎車后排正碰乘員約束系統(tǒng)模型

2 仿真結(jié)果分析

計算機仿真不能夠完全替代實際車輛碰撞試驗.建立的模型需要進行可靠性驗證，采用樣車碰撞的方法來驗證模型準確度.圖2～圖6是樣車碰撞試驗中假人傷害情況和仿真模型中假人傷害情況的對比.驗證的順序按照安全帶腰帶及肩帶力、髖部X方向加速度、左右大腿力、胸部加速度、頭部合成加速度的順序進行.通過對模型進行一系列的校正工作，可以將模型與樣車碰撞試驗的結(jié)果作比較驗證.以下從頭部質(zhì)心合成加速度曲線、髖部合成加速度曲線、胸部合成加速度曲線、左右大腿力曲線等傷害指標結(jié)果，對比仿真結(jié)果和試驗結(jié)果的接近程度.

圖2 頭部質(zhì)心合成加速度曲線

圖3 髖部合成加速度曲線

圖4 胸部合成加速度曲線

圖5 左大腿力曲線

圖6 右大腿力曲線

試驗得到的假人傷害情況與仿真模型計算出的傷害值對比如表1所示.

表1 試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比

從以上對比圖和表1可知，與試驗結(jié)果相比，仿真計算得到的假人傷害曲線和傷害值，其主要指標的誤差均小于15%，曲線也基本吻合.由于碰撞在100 ms基本結(jié)束，模型主要考慮前100 ms的波形.通過MADYMO建立的后排乘員約束系統(tǒng)模型如實地反映了整個碰撞的過程，可將此仿真模型作為基本模型進行分析研究.

3 安全帶參數(shù)對乘員傷害影響的研究

本文選擇安全帶形式、安全帶剛度、卷收器鎖止特性等參數(shù)對乘員的傷害情況影響進行仿真分析和研究.

3.1 安全帶形式對后排乘員的影響

后排乘員并沒有正面氣囊的保護，在發(fā)生撞擊時有可能因為巨大的慣性前沖造成嚴重傷害[5].坐在汽車后排位置的乘員如果不系安全帶，如果發(fā)生車禍，受重傷的概率將大大增加.導(dǎo)致目前后排死亡率較高的一個重要原因就是后排乘員的安全帶佩戴率很低.有數(shù)據(jù)可以得出:在翻車事故、追尾碰撞、正面碰撞和側(cè)面碰撞中，佩戴安全帶可以分別減少77%、49%、43%、27%的傷亡率[6].

因此，不僅建立了包括3點式安全帶的乘員約束系統(tǒng)，還建立起了兩點式腰帶的約束系統(tǒng)以及沒有安全帶的約束系統(tǒng)模型，對仿真模型求解運算后分別得到乘員的傷害數(shù)據(jù)，如表2所示.

表2 不同安全帶形式的傷害情況對比

從表2中可以看出:兩點式腰帶對腿部有一定的保護作用，但身體會發(fā)生轉(zhuǎn)動;對頭部保護作用不明顯，保護效果不理想.而乘員佩戴3點式安全帶情況下，頭部跟胸部的傷害值明顯要小于兩點式腰帶以及無安全帶情況，對乘員有著更好的保護效果，特別能夠減小HIC值，對頭部有更好的保護.在沒有安全帶保護時，一旦發(fā)生碰撞，乘員會從座椅位置飛出，發(fā)生強烈的二次碰撞，引起死傷事故.可以看出，無安全帶形式下對乘員造成的傷害最嚴重.所以，轎車后排位置上應(yīng)安裝3點式安全帶.

3.2 安全帶剛度對乘員傷害的影響

安全帶織帶是由聚酯纖維等材料編制而成，長約2.5 m，寬5 cm，厚1.2～1.5 mm.織帶的延伸率大約在15% ～30%[7].抗拉強度:腰帶為26 700 N，肩帶為17 700 N，腰肩連續(xù)帶為22 300 N.通常用安全帶受力11 080 N時的相對伸長量來表示織帶的剛度.碰撞過程中，安全帶給予乘員提供關(guān)鍵的約束，吸收較大的碰撞能量.安全帶的能量吸收能力取決于織帶的伸縮特性，在實際生產(chǎn)中，不同的安全帶剛度是在通過紗線熱熔膠染色過程中調(diào)節(jié)織帶的松緊度獲得的，一般織帶伸長率(剛度)可在5%～23%范圍內(nèi)變化.

原車裝配的安全帶剛度的可選范圍較大，因此選取與原設(shè)計值分別相差±2%，4%，6%，8%，10%的織帶剛度值代入基本模型中進行仿真分析.計算的結(jié)果按CMVDR294標準進行正則化處理(即每個傷害指標分別除以相應(yīng)的最大極限值)，結(jié)果如圖7所示.可以看出:隨著剛度的增加，頭部損傷的HIC值明顯減小，T3MS變化不是很大，胸部壓縮量在剛度增加2%時最小，雖然乘員臀部最大前移量減小差不多，但是肩部和頭部前移量有較大幅度的減小.

對于該車型來說，乘員肩部和頭部前移量的大幅減小有利于HIC值的降低，因為前移量的減小，表明著發(fā)生二次碰撞的概率減少，即使仍然發(fā)生碰撞，頭部的瞬時加速度也明顯減小，從而減輕乘員頭部傷害[8].而剛度增加超過10%后，安全帶力對胸腔的傷害作用則比較大.因此建議安全帶織帶剛度比原設(shè)計值增大7%～10%，有更好的保護效果.

圖7 織帶剛度變化對乘員傷害的影響

3.3 卷收器鎖止特性對乘員傷害的影響

由于卷收器機構(gòu)鎖止滯后、“卷軸效應(yīng)”和安全帶拉長變形等因素的影響，卷收器鎖止以后，安全帶織帶就會繼續(xù)從卷收器拉出.在GB14166—93中規(guī)定，實際使用中當車體加速度為7 m/s2時，卷收器中的織帶輸出量需小于25 mm;當帶感加速度達到20 m/s2時，卷收器中織帶輸出量小于50 mm為合格.對于碰撞中的乘員約束系統(tǒng)來說，這些輸出量將顯著影響乘員的響應(yīng).卷收器鎖止后，以其拉出量值為基準，在上下方向各選取3個點，與原值分別相差5 mm、10 mm、15 mm，仿真結(jié)果按CMVDR294標準進行正則化處理，結(jié)果如圖8所示.隨著卷收器鎖止后織帶輸出量的減少，頭部HIC值呈明顯下降趨勢，T3MS變化不大，胸部壓縮量略有上升.這是由于卷收器鎖止效率提高后，安全帶能夠提供乘員以更可靠的“束縛”作用，從而減輕了二次碰撞的強度.安全帶約束作用增強后，胸腔受壓同時略為加劇.

圖8 卷收器鎖止特性對乘員傷害的影響

4 結(jié)論

本文利用MADYMO軟件建立后排乘員約束系統(tǒng)模型，利用該模型對安全帶形式、安全帶剛度、卷收器鎖止特性等參數(shù)對乘員的HIC、T3MS、胸部壓縮量和左右大腿力等損傷值的影響進行了比較研究，得到以下結(jié)論:

1)使用MADYMO軟件可以有效地模擬約束系統(tǒng)在碰撞過程中的響應(yīng)情況，能夠全面、詳細地獲知乘員的各項傷害指標，便于評價約束系統(tǒng)的安全性能.

2)后排乘員佩戴3點式安全帶，保護效果要明顯比佩戴兩點式安全帶和無安全帶兩種情況好，因此后排位置乘員需要佩戴3點式安全帶.

3)安全帶剛度比原設(shè)計值增大7% ～10%，HIC值可以從初始的989下降到800左右，對頭部有更好的保護效果.

4)卷收器鎖止特性與原設(shè)計值相比，減小15 mm的輸出量.隨著卷收器鎖止后織帶輸出量的減少，HIC呈明顯下降趨勢，T3MS變化不大，胸部壓縮量略有上升.

[1]張曉龍，朱海濤.在正面碰撞試驗中前后排假人頭部傷害對比分析[J].交通與安全，2008，(4):70-73.

[2]占 強.拯救VIP[J].汽車世界，2010，(1):16-19.

[3]T Langner，MR van Ratingen，T Versmissen，et al.EEVC Research in the Field of Developing a European Interior Headform Test Procedure[C]. //The 19th Enhanced Safety of Vehicles:Paper Number 05-0158.2005:16-19.

[4]MADYMO Theory Manual[M].TNO Road-vehicles Research Institute，2005:209-251.

[5]Linda McCray，Aida Barsan-Anelli.Simulations of Large School Bus Safety Restraints[C].//The 17th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles:Paper Nnumber 06-0226，2001:1-14.

[6]Walner Brian.the Crash Analysis of a Passenger Vehicle under Differing Frontal Crash Conditions[J].SAE.932910.

[7]王秋穎.汽車安全氣囊和安全帶用材料[J].世界汽 車，1998，(7):21-22.

[8]葛如海，劉志強，陳曉東，等.汽車安全工程 [M].北京:化學工業(yè)出版社，2005:220-228.