葛如海，蔡朝陽，顧瑤芝，黃可鑫

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.硅湖職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 昆山 215332)

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們的生活水平日益提高，汽車已經(jīng)成為人們出行最重要的一種交通工具。據(jù)統(tǒng)計，截止2018年末我國的汽車保有量已經(jīng)達到3.2億輛，但在汽車帶給人們便利的同時，交通事故的數(shù)量也在不斷增加，汽車的安全性問題也因此越來越受到重視，如何提高乘員的安全性成為現(xiàn)在研究的熱點。

約束系統(tǒng)作為現(xiàn)代汽車安全必不可少的一部分，在汽車在碰撞過程中能夠為乘員提供保護，將乘員的能量轉(zhuǎn)移吸收，從而降低成員的傷害。商恩義等[1]分析了正面偏置碰撞中安全氣囊對乘員能量各方向吸收情況，發(fā)現(xiàn)當安全氣囊x方向吸能越多，乘員頭頸部傷害越低。張燕等[2]對汽車碰撞過程中乘員能量的Ride-down效率與乘員傷害的關(guān)系進行了分析，發(fā)現(xiàn)過高或過低的Ride-down效率都不利于乘員的保護。葛如海等[3]對正面碰撞中駕駛員側(cè)各約束子系統(tǒng)的吸能進行了研究，并找到了約束子系統(tǒng)吸能與WIC之間的關(guān)系?；谝陨涎芯?，可以發(fā)現(xiàn)碰撞過程中乘員與約束系統(tǒng)之間的能量傳遞對乘員安全性存在影響。但是前人對乘員與約束系統(tǒng)間能量的研究大多針對駕駛員側(cè)乘員的安全性，針對副駕駛乘員的很少，且主要是頭部、頸部傷害。

由于副駕駛側(cè)約束系統(tǒng)與駕駛員側(cè)不同，在碰撞過程中副駕駛乘員與駕駛員的運動響應(yīng)不同，且當車輛處于碰撞危險中時，駕駛員下意識的避險操作可能導致副駕駛乘員暴露在危險中[4]。因此,本文對副駕駛員側(cè)各約束子系統(tǒng)對乘員能量的吸收進行了研究，并較為全面地分析了副駕駛乘員各部位傷害與約束系統(tǒng)吸能之間的關(guān)系。

1 仿真模型建立及驗證

基于某款車的實際尺寸，在MADYMO軟件中建立了該車的副駕駛乘員的碰撞仿真模型，如圖1所示。

圖1 副駕駛側(cè)正面碰撞MADYMO模型

將實車碰撞試驗中采集的該車型B柱下方的X向加速度波形(如圖2) 輸入到模型中。Y、Z向的加速度相對較小，且對假人的傷害值影響不大，故未輸入。實車試驗基于中國新車評價規(guī)程C-NCAP。

圖2 碰撞加速度波形

汽車碰撞模型的驗證主要從假人的動態(tài)響應(yīng)及傷害值兩個方面進行驗證。MADYMO正面碰撞模型的驗證遵循從下至上的原則，即先下肢、髖部、胸部，最后到頭部響應(yīng)。力與加速度信號應(yīng)滿足“起始時刻、形狀、峰值、峰值時刻及脈寬”等基本特征[6]。

圖3為實車碰撞試驗與MADYMO碰撞仿真得到的傷害值響應(yīng)對比,由此可以看出：仿真模型在經(jīng)過調(diào)整及對標后與實車試驗的響應(yīng)曲線有較高的吻合度，關(guān)鍵指標的誤差都在合理范圍之內(nèi)，因此該仿真模型驗證有效，可以作為基本模型進行研究。

圖3 試驗與仿真中的假人傷害響應(yīng)曲線對比

2 副駕駛員約束系統(tǒng)吸能分析

2.1 乘員能量分析

正面碰撞中，副駕駛乘員的能量一部分被約束系統(tǒng)吸收，一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而消耗。同時，隨著乘員能量的向外轉(zhuǎn)移或消耗，乘員的動能不斷降低[7-8]。因此，碰撞過程中乘員的能量存在如下平衡：

ETotal=EK+Ers+EI

(1)

式中：ETotal為乘員的總能量；EK為乘員的動能；Ers為乘員經(jīng)約束系統(tǒng)轉(zhuǎn)移的能量；EI為內(nèi)能。

2.2 假人部位及約束系統(tǒng)劃分

在碰撞過程中，由于約束系統(tǒng)的作用使乘員身體各部位運動響應(yīng)不一致，從而在乘員內(nèi)部發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，因此為了分析碰撞過程中各約束子系統(tǒng)吸收的假人能量，需要同時對假人內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)移進行分析。本文依據(jù)目前的汽車碰撞安全法規(guī)以及中國新車評價規(guī)程C-NCAP，并根據(jù)分析需要以及假人各部位之間的連接關(guān)系將假人劃分成5個部位，分別為頭部、胸部(包括手臂和頸部)、髖部、大腿、小腿(包括腳部)，如圖4所示[9]。

圖4 假人部位劃分

同時，根據(jù)不同約束子系統(tǒng)在假人身上的主要作用部位，本文將約束子系統(tǒng)分為4部分進行研究，分別為頭部約束子系統(tǒng)、胸部約束子系統(tǒng)、髖部及大腿約束子系統(tǒng)、小腿約束子系統(tǒng)。具體分類情況如表1所示。

表1 約束系統(tǒng)劃分

2.3 副駕駛員約束系統(tǒng)吸能分析

正面碰撞時，乘員與約束系統(tǒng)接觸的主要運動過程在140 ms時結(jié)束，因此本文選取0～140 ms碰撞過程進行研究。根據(jù)本文對假人部位的劃分，對約束系統(tǒng)作用部位以及假人內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)移進行分析，然后結(jié)合MADYMO軟件的ENERGY模塊[10](如圖5)，從而獲得各約束子系統(tǒng)吸能曲線。

圖5 ENERGY模塊

2.3.1頭部約束子系統(tǒng)吸能分析

在正碰過程中安全氣囊主要作用于假人的頭部，因此安全氣囊吸收的能量主要來自假人頭部。安全氣囊與假人頭部之間的能量轉(zhuǎn)移情況可通過 ENERGY模塊得到[10]，由此獲得安全氣囊的吸能曲線即頭部約束子系統(tǒng)的吸能曲線，如圖6(a)所示。

2.3.2胸部約束子系統(tǒng)吸能分析

本文中胸部約束子系統(tǒng)只有安全肩帶，安全肩帶主要作用于假人的胸部和髖部，因此胸部約束子系統(tǒng)吸收的假人能量為：

ETR=ETH-BS+EA-BS

(2)

式中：ETR為胸部約束系統(tǒng)吸收假人的總能量；ETH-BS為假人胸部轉(zhuǎn)移至安全肩帶的能量；EA-BS為假人髖部轉(zhuǎn)移至安全肩帶的能量。ETH-BS和EA-BS可通過MADYMO的ENERGY模塊得到，最終可獲得胸部約束系統(tǒng)的吸能曲線，如圖6(b)所示。

2.3.3髖部及大腿約束系統(tǒng)吸能分析

本文中髖部及下肢約束系統(tǒng)包括安全腰帶、座椅兩個約束子系統(tǒng)。這一部分約束系統(tǒng)吸收的假人能量主要來自于假人的髖部和腿部，故這部分約束系統(tǒng)吸收的假人能量為：

ERA&F=EA&F-EA-TH-EA-BS-EF-TI-

EKA&F-EIA&F

(3)

式中：ERA&F為髖部及大腿約束系統(tǒng)吸收假人的總能量；EA&F為假人髖部和大腿的總能量；EA-TH為假人髖部轉(zhuǎn)移至胸部的能量；EA-BS為假人髖部轉(zhuǎn)移至安全肩帶的能量；EF-TI為假人大腿轉(zhuǎn)移至小腿的能量；EKA&F為假人髖部和大腿的能量；EIA&F為假人髖部和腿部的內(nèi)能。最終可獲得髖部及下肢約束系統(tǒng)的吸能曲線，如圖6(c)所示。

2.3.4小腿約束系統(tǒng)吸能分析

本文小腿約束系統(tǒng)包括護膝板、地板兩個約束子系統(tǒng)。這一部分約束系統(tǒng)吸收的假人能量主要來自于假人的小腿，故這部分約束系統(tǒng)吸收的假人能量為：

ERTI=ETI-ETI-F-EKTI-EITI

(4)

式中：ERTI為小腿約束系統(tǒng)吸收假人的總能量；ETI為假人小腿的總能量；ETI-F為假人小腿轉(zhuǎn)移至大腿的能量；EKTI為假人小腿的動能；EITI為假人小腿的內(nèi)能。最終可獲得小腿約束系統(tǒng)的吸能曲線，如圖6(d)所示。

圖6 約束系統(tǒng)吸能曲線

3 約束系統(tǒng)吸能與乘員傷害關(guān)系分析

3.1 實驗設(shè)計

由上述對假人與約束系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)移的分析，可得出各約束子系統(tǒng)的吸能曲線。為尋找副駕駛員約束子系統(tǒng)吸能與假人傷害值的關(guān)系，可通過設(shè)計實驗進行分析。

通過對前人研究的分析，選取對約束系統(tǒng)性能影響較大的參數(shù)做進一步的靈敏度分析，確定對WIC影響較大的因素，共有7個參數(shù)，分別是：安全氣囊排氣孔直徑、安全氣囊點火時間、安全氣囊質(zhì)量流率、安全帶限力、安全帶剛度、安全帶預緊時間、座椅剛度。以各參數(shù)的初始值為基礎(chǔ)，上下浮動30% 作為各參數(shù)的取值范圍，在MADYMO中計算出損傷值。確定出影響WIC的主要因素:安全帶限力、安全帶剛度、安全帶預緊時間、座椅剛度和安全氣囊質(zhì)量流率。WIC的計算公式如下：

0.05(FL+FR)/20.0

(5)

式中：HIC36為頭部傷害指標值；C3ms為胸部合成加速度3 ms值(g)；Ccomp為胸部壓縮變形量(mm)；FL、FR分別為左右大腿骨所受最大軸向力(kN)。根據(jù)實際情況，確定5個要影響因素的取值范圍，如表2所示。

表2 因素取值范圍

然后采用拉丁超立方實驗設(shè)計方法，根據(jù)5個因素取值范圍設(shè)計出30組實驗，并通過仿真得出其響應(yīng)值，如表3所示。

3.2 約束系統(tǒng)吸能與假人傷害關(guān)系分析

在140 ms時，主要的碰撞過程基本結(jié)束，各約束子系統(tǒng)的吸能曲線也趨向于平穩(wěn)，故取該時刻各吸能曲線的相應(yīng)值為各約束子系吸收的假人能量。

然后利用Matlab線性回歸方法分析正面碰撞時各約束子系統(tǒng)吸收的假人能量與假人傷害值的關(guān)系，如圖7、8所示。參數(shù)之間的關(guān)系用多項式擬合，R2表示其相關(guān)性。

表3 實驗響應(yīng)值

由圖6可知，副駕駛側(cè)約束系統(tǒng)吸能與副駕駛乘員的傷害值有較強的相關(guān)性。頭部約束系統(tǒng)吸能與假人的加權(quán)傷害指數(shù)WIC、頭部傷害指標、頸部剪切力FZ均成負相關(guān)；胸部約束系統(tǒng)吸能除了與假人的傷害指標WIC、FZ成負相關(guān)，與假人的胸部傷害指標Ccomp、C3ms亦均呈負相關(guān)。由圖7可知，小腿約束系統(tǒng)吸能與假人的大腿軸向壓縮力FL、FR以及小腿壓縮力FZL、FZR均呈正相關(guān)。由于髖部及大腿約束系統(tǒng)接觸部位較多，導致該部分吸能與假人的傷害值關(guān)系不明顯。

圖7 約束系統(tǒng)吸能與乘員傷害值關(guān)系(一)

圖8 約束系統(tǒng)吸能與乘員傷害值關(guān)系(二)

4 結(jié)束語

分析了正面碰撞中副駕駛員的能量傳遞情況，對副駕駛員側(cè)各約束子系統(tǒng)對假人能量的吸收情況進行了分析。在能量分析的基礎(chǔ)上，進一步尋找出了副駕駛側(cè)約束子系統(tǒng)吸能與乘員損傷值之間的關(guān)系：假人的加權(quán)傷害指數(shù)WIC、頭部傷害指標、頸部剪切力FZ與頭部約束系統(tǒng)、胸部約束系統(tǒng)吸能均成負相關(guān)；假人的胸部傷害指標Ccomp、C3ms與胸部約束系統(tǒng)吸能呈負相關(guān)。假人的大腿軸向壓縮力FL、FR和小腿的壓縮力FZL、FZR與小腿約束系統(tǒng)吸能呈正相關(guān)。

即當碰撞過程中副駕駛側(cè)安全氣囊和安全肩帶吸收的乘員能量越多，約束系統(tǒng)對乘員的綜合保護性越好。且當安全氣囊吸收的乘員能量越多，對乘員的頭部和頸部保護效果越好。安全肩帶吸收的乘員能量越多，對乘員的頭部、頸部、胸部的保護效果越好。當護膝板和地板吸收的乘員能量越少，對乘員的大腿、小腿保護效果越好。