曾慶勇 程文明＊ 陳浩然

1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 江西 南昌 330045

2.江西科技學(xué)院 江西 南昌 330098

引言

自進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)提升到了全新臺(tái)階，人民生活生活水平和質(zhì)量得到了質(zhì)的提升。而作為代步工具的汽車(chē)自然而然走進(jìn)了千家萬(wàn)戶(hù)，給人們的生活帶來(lái)了方便，提高生活質(zhì)量。但是，近年來(lái)汽車(chē)數(shù)量快速增加的同時(shí)也導(dǎo)致了汽車(chē)交通事故的急劇上升。這不僅給家庭（失去至親，經(jīng)濟(jì)能力的下降）乃至國(guó)家和社會(huì)（勞動(dòng)力的損失）都是不可估量的損失。由此可見(jiàn)，對(duì)汽車(chē)安全的研究，尤其是約束系統(tǒng)的研究有重要意義。

本文主要研究當(dāng)汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，改變乘員約束系統(tǒng)中安全帶有關(guān)的不同參數(shù)對(duì)駕駛員的損傷影響，結(jié)果主要以胸部3MS積累加速度指標(biāo)（g）、胸部壓縮指標(biāo)ThCC（mm）、胸部黏性指標(biāo)VC（m/s）、CTI為主要參考依據(jù)，對(duì)比碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，為汽車(chē)座椅的設(shè)計(jì)提供理論上的支持。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)被動(dòng)安全性研究主要是車(chē)身結(jié)構(gòu)抗撞性、碰撞生物力學(xué)和乘員安全約束系統(tǒng)三方面[1]。在海量的文獻(xiàn)中，我們可于查閱到的對(duì)于汽車(chē)碰撞時(shí)乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)很多都是以一個(gè)或多個(gè)假人作為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)整假人的坐姿、安全帶、安全氣囊的設(shè)計(jì)參數(shù)等來(lái)達(dá)到降低假人的損傷指標(biāo)。例如，揚(yáng)州大學(xué)鞠海蒙，沈輝[2]等利用MADYMO 建立了某車(chē)型正面碰撞約束系統(tǒng)多體模型，利用假人的坐姿作為優(yōu)化目標(biāo)以及假人的頭部損傷值 HCI 為主要參考依據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證優(yōu)化。中國(guó)汽車(chē)工程研究院汽車(chē)噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室費(fèi)敬，陳可明[3]等運(yùn)用 MADYMO軟件建立了正面碰撞下駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)仿真模型，從正面碰撞中不同安全帶預(yù)緊方式的角度方面分析了駕駛員的損傷影響。湖南大學(xué)隆旭[4]基于MADYMO 工程軟件，建立正面碰撞約束系統(tǒng)仿真模型后，把對(duì)不同的安全帶預(yù)緊器組合方式為目標(biāo)，分析了碰撞中預(yù)碰撞階段的緊急制動(dòng)操作和五種不同的安全帶預(yù)緊器組合方式對(duì)乘員整體的保護(hù)效果，同時(shí)，研究了在同一種安全帶預(yù)緊方式的情況下，對(duì)不同體型乘員保護(hù)效果以及差異性。浙江大學(xué)董龍[5]在建立正面碰撞乘員約束系統(tǒng)的模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了參數(shù)靈敏度分析，同時(shí)，采用正交試驗(yàn)以及極差分析法進(jìn)行變量的靈敏度篩選。最終得到最優(yōu)方案，與試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的最優(yōu)方案比較并進(jìn)行對(duì)比，并作出了穩(wěn)健性評(píng)價(jià)。湖南大學(xué)齊曉明等人[6]利用MADYMO軟件建立了駕駛員側(cè)正面碰撞仿真模型，以不同預(yù)緊方式入手，研究了汽車(chē)的制動(dòng)和碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。仿真結(jié)果表明，主動(dòng)式安全帶預(yù)緊裝置效果比其他預(yù)緊方式更顯著。

2 駕駛員系統(tǒng)模型的建立

整個(gè)正碰模型由車(chē)體模型、假人模型、安全帶模型、安全氣囊模型以及乘員和約束系統(tǒng)等構(gòu)成。

2.1 MADYMO車(chē)體建模

以豐田 Yaris 模型的駕駛艙數(shù)據(jù)為例，建立車(chē)體模型。如圖1所示。

圖1 乘員室內(nèi)環(huán)境模型

乘員室內(nèi)環(huán)境模型的各個(gè)剛體的形狀和位置關(guān)系以及各缸體之間的約束是根據(jù)豐田 Yaris 模型實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)確定的。擋風(fēng)玻璃主要是由一個(gè)平板模型以及一個(gè)模擬柱的拉長(zhǎng)橢球模型組成；制動(dòng)踏板和加速踏板由兩個(gè)長(zhǎng)方體的橢球模型組成；車(chē)體的地板、座椅都是平板模型；車(chē)體的儀表臺(tái)是有兩個(gè)橢圓形板模型組成；十六個(gè)橢球模型組成的方向盤(pán)，兩個(gè)拉長(zhǎng)橢球模型組成轉(zhuǎn)向柱，這便是該車(chē)體轉(zhuǎn)向系?？紤]到正面碰撞仿真時(shí)，車(chē)體和假人模型會(huì)有接觸，于是各剛體部件都是通過(guò)滑移鉸鏈來(lái)定義，這是對(duì)其侵入運(yùn)動(dòng)的描述，同時(shí)，為了預(yù)防車(chē)體可能發(fā)生的形變，需要采用運(yùn)動(dòng)鉸對(duì)車(chē)體的多剛體部件進(jìn)行連接，然后依據(jù)各部件之間可能發(fā)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)定義運(yùn)動(dòng)鉸類(lèi)型。最后還需要定義乘員艙內(nèi)座墊，座盆的剛度等特性以及摩擦系數(shù)等參數(shù)。

2.2 假人模型及定位

在MADYMO工程軟件中，有著豐富的假人模型庫(kù)，通過(guò) INCLUDE 語(yǔ)句就可以直接調(diào)用以及替換，INITIAL.JOINT_POS以及ORIENTATION.SUCCESSIVE_ROT來(lái)改變假人的位置，通過(guò)CONTACT.MB_MB定義假人和乘員艙內(nèi)的接觸，同時(shí)，還需要使用GROUP_MB語(yǔ)句來(lái)定義一些剛體組，通過(guò)LOAD.SYSTEN_ACC來(lái)定義加速度場(chǎng)。本文使用的假人模型是 Hy-bridⅢ 男性第50百分位假人模型，如圖2所示。在試驗(yàn)中要是假人的定位精確度不高，直接影響我們的試驗(yàn)結(jié)果。通常假人的定位有以下兩種方法：一種是試驗(yàn)前就測(cè)量出物理假人的定位參數(shù)值，然后精準(zhǔn)輸入，而另一種是利用重力場(chǎng)的作用，對(duì)假人施加一個(gè)重力場(chǎng)，這樣假人在與轉(zhuǎn)向系、座椅之間的相互作用下便可以達(dá)到靜力平衡狀態(tài)了。

圖2 Hy-bridⅢ 男性第50百分位假人模型

2.3 有限元安全帶模型

安全帶包括傳統(tǒng)的多剛體安全帶、有限元安全帶、混合安全帶模型，本文使用的是混合形安全帶，即有有限元安全帶能夠精確的模擬帶在假人身體表面的移動(dòng)的效果，同時(shí)，也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)式安全帶織帶陷入假人身體表面的嵌入效應(yīng)，也可以使用正交各向異性摩擦系數(shù)來(lái)模擬，部分織帶也繼承了傳統(tǒng)安全帶計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)[7]。根據(jù)卷收器（RETRACTOR）、高度調(diào)節(jié)器（HEIGHT_ADJUSTER）、錨點(diǎn)（ANCHOR_POINT）、預(yù)緊器（PRETENSIONER）、D環(huán)、帶扣（BUCKLE）定位參數(shù)來(lái)確定安全帶的各節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系以及走向關(guān)系。圖3所示便是為安全帶模型示意圖。

圖3 安全帶模型示意圖

實(shí)線(xiàn)表示傳統(tǒng)多剛體安全帶，虛線(xiàn)表示有限元安全帶

2.4 安全氣囊模型

建立安全氣囊模型，并將其固定在方向盤(pán)上，氣囊采用FE模型，膜單元采用帶旋轉(zhuǎn)自由度的平板三四邊形單元[8]。其中氣囊初始體積為0.1m3，環(huán)境氣體成分采用N2和O2的混合。氣囊系統(tǒng)中氣體噴射使用均勻壓力模型，其重要參數(shù)包括充氣時(shí)間、點(diǎn)火時(shí)刻、速度、加速度、壓力、溫度和氣體的質(zhì)量[9]。

2.5 車(chē)體模型替換

在 Hypermesh 工程軟件中建立 Yaris 模型，車(chē)原來(lái)自美國(guó)國(guó)家高速公路交通安全管理局（national highway traffic safety ad-ministration，NHTSA）官網(wǎng)，試驗(yàn)編號(hào)為5677。如下圖4所示在 Hypermesh工程軟件中將Yaris模型前處理得到替換MADYMO車(chē)體的模型，如圖5所示。

圖4 Yaris車(chē)體有限元模型

圖5 處理后Yaris車(chē)體有限元模型

將處理后的模型導(dǎo)入MADYMO工程軟件，便會(huì)自動(dòng)生成MADYMO格式，由于生成后的模型與原先建立的 MADYMO 車(chē)體模型是相互獨(dú)立的，需要先調(diào)節(jié)儀表盤(pán)、地板、座椅、假人等模型的位置，然后進(jìn)行替換，將原先的地板、擋風(fēng)玻璃、座椅等刪除，導(dǎo)入并復(fù)制處理后的各模型，并定義相應(yīng)的屬性。最后建立好的駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)仿真模型如圖6所示。

圖6 駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)仿真模型

3 仿真分析

對(duì)于汽車(chē)主動(dòng)、被動(dòng)安全性來(lái)說(shuō)最可靠的莫過(guò)于實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)，但是實(shí)車(chē)碰撞成本高、周長(zhǎng)且不可重復(fù)，不能成為我們汽車(chē)研發(fā)的唯一手段。面對(duì)當(dāng)下計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，正是汽車(chē)的研發(fā)新的機(jī)遇，不但彌補(bǔ)了實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)的缺陷，而且在設(shè)計(jì)初期階段就能夠達(dá)到車(chē)輛的安全性能，精度也相當(dāng)高，對(duì)于汽車(chē)的研發(fā)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)意義重大[10]。

3.1 胸部的評(píng)價(jià)指標(biāo)

按照國(guó)標(biāo)《GB 11551-2014汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》的要求，對(duì)于胸部的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有3MS（CONTIGUOUS_3MS,CUMULATIVE_3MS）、胸部的壓縮量（ThCC）、胸部的黏性指標(biāo)（VC）、胸部的總指數(shù)等。

（1）3MS

通常描述胸部嚴(yán)重?fù)p傷（AIS≥4）的人體耐受級(jí)別是上胸部重心位置受60ɡ的最大線(xiàn)性加速度，持續(xù)3ms或更長(zhǎng)[11]。因此，損傷指標(biāo)是線(xiàn)性加速度的持續(xù)時(shí)間級(jí)別，而不是單個(gè)的線(xiàn)性加速度。3MS指標(biāo)包括連續(xù)3毫秒損傷指標(biāo)以及累積3毫秒損傷指標(biāo)。

（2）胸部的黏性指標(biāo) (VC)

胸部是事故中評(píng)價(jià)乘員傷害的重要器官，按照國(guó)標(biāo)《GB 11551-2014汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》的要求，胸部的黏性指標(biāo)必須小于1.0m/s。

黏性指標(biāo)=壓縮量×變形率。這兩個(gè)值都是通過(guò)測(cè)量胸部的變形量得出，t時(shí)刻的肋骨變形速率按下式求得：

式中 ，

D(t)——t時(shí)刻濾波后的變形量（m）；

δ（t）——變形測(cè)量的時(shí)間間隔（s），最大值為

（3）胸部性能指標(biāo)（ThPC）以及胸部的壓縮量 （ThCC）

按照國(guó)標(biāo)《GB 11551-2014汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》的要求，正面碰撞胸部的性能指標(biāo)（ThPC）必須小于75mm，胸部的壓縮量（ThCC）必須小于50mm。

（4）胸部總指數(shù) (CTI)

胸部指數(shù) (CTI) 是胸部損傷的一種測(cè)量方法，是胸部變形的最大值以及上脊柱 3ms合成加速度的最大值的組合。CTI 的計(jì)算公式如下：

式中，Aint和Dint為與假人相關(guān)的常數(shù)。

3.2 頭部的損傷準(zhǔn)則HIC（頭部的性能指標(biāo)HPC）

按照國(guó)標(biāo)《GB 11551-2014汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》的要求，不管是正面碰撞、正面偏置碰撞還是側(cè)面碰撞頭部的性能指標(biāo)HPC應(yīng)不大于1000，并且頭部合成加速度大于80g的時(shí)間，累積不應(yīng)超過(guò)3ms，但不包括頭部反彈。其計(jì)算公式如下：

式中，

T0 為模擬的起始時(shí)刻；

TE 為模擬的結(jié)束時(shí)間；

R(t)為頭部在時(shí)間范圍內(nèi)的合成加速度（單位g，頭部重心測(cè)量值）；

t1起始時(shí)刻、t2結(jié)束時(shí)刻，在這段時(shí)間間隔內(nèi)HIC值最大，t2-t1≤36ms。

3.3 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

選取對(duì)乘員約束系統(tǒng)影響較大的因素，如安全帶織帶延伸率、安全帶上掛點(diǎn)高度、腰帶位置、卷收器鎖止時(shí)間，每個(gè)因素分別對(duì)應(yīng)3個(gè)水平，然后將各及其對(duì)應(yīng)的水平相互交織，取9種優(yōu)化方案如表1，表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 選取因素及其對(duì)應(yīng)的水平

表2 方案設(shè)定

3.4 結(jié)果分析

表3 試驗(yàn)結(jié)果

由表3我們可以看出方案c、d、h胸部3MS積累加速度指標(biāo)都超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，方案b、f、g有所改善但是效果不佳，而方案a、e、i有明顯的改善，由此可以得出卷收器鎖止時(shí)間對(duì)胸部3MS積累加速度指標(biāo)影響最大，同理卷收器鎖止時(shí)間對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)影響度是最大的，其次是安全帶的延伸率（%）、腰帶位置、安全帶上掛點(diǎn)高度，可以得出可以得出e為最優(yōu)方案，乘員的各項(xiàng)指標(biāo)都得有效的控制。

4 結(jié)論

本文建立了一個(gè) MADYMO 車(chē)輛正面碰撞有限元模型。將不同的乘員約束系統(tǒng)方案帶入模型中計(jì)算，通過(guò)分析得到最佳方案，并比較各方案的結(jié)果，得出以下結(jié)論：

對(duì)于本文選取的影響因素，卷收器的鎖止時(shí)間對(duì)乘員各傷害指標(biāo)影響是最大的，但是不能太大，隨著鎖止時(shí)間不斷增大，傷害值也不斷增加。除了卷收器的鎖止時(shí)間外，其他因素對(duì)乘員各傷害指標(biāo)也都有影響，但影響相對(duì)較小。

本文確定的最佳方案為：安全帶的延伸率 A（12%），安全帶上掛點(diǎn)高度 B（初始位置），腰帶位置 C（30mm），卷收器鎖止時(shí)間 D（13ms）。此方案實(shí)驗(yàn)乘員的到了很好的保護(hù)，各傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)都有所減小。

在科技高速發(fā)展的當(dāng)下，配備完善的乘員約束系統(tǒng)是研究碰撞中乘員保護(hù)的重要方法，對(duì)于其它研究也相當(dāng)重要。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真軟件的運(yùn)用在研發(fā)過(guò)程中作用也是相當(dāng)?shù)拇?，極大的縮短研發(fā)周期、降低成本。