丁曉雅 徐陳運 谷先廣

（1.奇瑞新能源汽車股份有限公司，蕪湖 241003；2.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009）

1 前言

隨著自動駕駛技術(shù)的日趨成熟，未來，乘員在駕乘過程中必將解放雙手，坐姿將越來越隨意、方便。然而，一旦出現(xiàn)緊急制動情況并發(fā)生碰撞事故，不同坐姿下的乘員受慣性的影響產(chǎn)生離位位移后，極易出現(xiàn)與安全帶、安全氣囊等約束系統(tǒng)部件觸發(fā)不匹配的現(xiàn)象，從而帶來乘員損傷風(fēng)險，因此需要進行約束系統(tǒng)優(yōu)化，使其能采取針對性防護措施。

曹立波等[1]研究了正面碰撞條件下人體差異對乘員損傷風(fēng)險的影響，結(jié)果表明，不同體型的乘員坐姿不同，導(dǎo)致駕駛員損傷風(fēng)險存在差異。武和全等[2]分析了不同座椅朝向條件下的老年人體碰撞響應(yīng)，結(jié)果表明，座椅朝向與碰撞方向呈180°時人體損傷風(fēng)險最低。周青等[3]研究表明，在碰撞過程中，乘員身材、年齡和碰撞強度等對乘員損傷存在一定影響，身材矮小和老齡乘員等在碰撞過程中的損傷風(fēng)險相對更大。

本文基于某乘用車建立正面100%重疊碰撞的駕駛員側(cè)乘員約束系統(tǒng)模型，采用試驗對標(biāo)的方法驗證模型的準(zhǔn)確性，并利用該模型在不同坐姿條件下進行分析，獲得最優(yōu)坐姿，以降低碰撞對人體產(chǎn)生的損傷。

2 約束系統(tǒng)模型建立

本文基于MADYMO 軟件建立了某乘用車正面100%重疊碰撞的駕駛員側(cè)乘員約束系統(tǒng)模型，主要包括駕駛室、假人、安全帶和安全氣囊等，其過程包括：

a. 根據(jù)某乘用車的實車尺寸和布置搭建駕駛室模型，主要包括車體、座椅、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型等，選擇采用多體或有限元進行相應(yīng)部件的建模。

b. 從MADYMO 假人庫中調(diào)入假人模型，對其進行位置調(diào)整和預(yù)模擬。

c.完成安全帶和安全氣囊建模并定位。

d.定義模型中的主要接觸關(guān)系，包括駕駛室與安全帶、安全氣囊，假人與安全帶、安全氣囊之間的接觸關(guān)系。

e.定義各部件的特性、載荷等，如加速度場、氣囊特性等。

2.1 駕駛室模型建立

駕駛室模型中，車體模型包括地板、踏板、擱腳板、防火墻、儀表板等，座椅模型包括頭枕、靠背、座墊等，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向盤和吸能管柱等。駕駛室模型各部件均基于多剛體方法建立，其中地板采用平面表示，其余部件采用橢球體表示。

各部件需通過運動鉸鏈連接，模型各部件相對位置的確定與調(diào)整均需要鉸鏈。用自由鉸連接駕駛室模型與參考坐標(biāo)系；擱腳板、踏板與地板、靠背和座墊之間需要一定的轉(zhuǎn)動自由度，可以采用轉(zhuǎn)動鉸連接，模擬防火墻的侵入；防火墻與地板的連接方式為移動鉸；頭枕與靠背采用移動轉(zhuǎn)動鉸；轉(zhuǎn)向管柱與轉(zhuǎn)向盤、儀表板系統(tǒng)分別采用萬向移動組合鉸和移動鉸連接，模擬碰撞過程中轉(zhuǎn)向吸能管柱的潰縮特性，在轉(zhuǎn)向管柱建模過程中定義潰縮力曲線。

2.2 假人定位

MADYMO 假人類型包括Hybrid III、Euro-SID、US-DOISID、TNO10 等，按照單元類型分為多面體（Facet）、橢球體（Ellipsoid）和有限元（Finite）假人。本文使用既能保證模型有效性，又具有較高計算效率的Hybrid III 型第50 百分位男性橢球體假人。在建立駕駛室模型后，將假人庫中的假人導(dǎo)入仿真模型。

假人模型需定位在實車碰撞試驗中的真實位置，先根據(jù)碰撞試驗中駕駛員的初始位置參數(shù)初步調(diào)整假人身體各部位鉸鏈的位置和角度，使其與實際位置大體一致，此時假人與座椅未達到靜平衡，為符合真實性，必須應(yīng)用預(yù)模擬（Pre-simulation）方法確定假人的位置，其過程是模擬假人在重力作用下與駕駛室的座椅貼合[4]。

3 約束系統(tǒng)模型驗證

為確保乘員碰撞的損傷分析研究的準(zhǔn)確性和有效性，必須對模型進行驗證。本文分別從自動緊急制動（Autonomous Emergency Braking，AEB）和碰撞2個階段對乘員運動學(xué)響應(yīng)和碰撞損傷響應(yīng)進行模型驗證。

3.1 AEB階段模型驗證

AEB 階段模型驗證的主要方法是對假人在制動階段的離位姿態(tài)進行對比，AEB 制動試驗的數(shù)據(jù)來源于Ito等[5]搭建的能結(jié)合制動和碰撞脈沖再現(xiàn)完整碰撞過程的臺車試驗設(shè)備，試驗采用Hybrid III型第50百分位男性假人。

試驗中，假人以標(biāo)準(zhǔn)坐姿放置在座椅上并由標(biāo)準(zhǔn)安全帶約束，設(shè)定臺車系統(tǒng)的初速度為64 km/h，以持續(xù)時間為0.8 s、制動強度為0.8g的減速度減速至48 km/h 后與障礙物發(fā)生碰撞。在仿真模型中，采用文獻[6]的方法控制假人在制動階段的前傾量，通過調(diào)整安全帶卷收器的鎖止時間，使制動過程中假人的位置與姿態(tài)盡量接近臺車試驗結(jié)果，圖1 所示為制動初始時刻和制動結(jié)束時刻假人身體各部位位置標(biāo)記的對比結(jié)果，由圖1可以看出，制動初始時刻和制動結(jié)束時刻的假人離位程度與臺車試驗結(jié)果基本保持一致。

圖1 仿真和試驗不同時刻假人位置坐標(biāo)

仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比如表1 所示，假人在制動過程中身體各部位的動態(tài)響應(yīng)與臺車試驗結(jié)果基本一致，頭部和胸部在X向和Z向的位移與試驗結(jié)果的誤差均在合理范圍內(nèi)，說明AEB 階段的仿真結(jié)果具有較高的可信度。

表1 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比

3.2 碰撞階段模型驗證

依據(jù)中國新車評價規(guī)程（China New Car Assess?ment Program，C-NCAP）中的正面碰撞試驗開展碰撞階段模型驗證，工況為正面100%重疊剛性壁障碰撞，使用三點式安全帶將第50百分位男性假人約束在座椅上，用牽引裝置將汽車加載到50 km/h 與剛性墻進行碰撞。通過試驗測得乘員動態(tài)響應(yīng)曲線，將碰撞試驗測得的B 柱加速度曲線加載到約束系統(tǒng)仿真模型中，設(shè)置與實車碰撞試驗結(jié)果相同的輸出，如圖2 所示為仿真與試驗獲得的響應(yīng)曲線的對比結(jié)果。

圖2 仿真與試驗的響應(yīng)結(jié)果對比

從圖2 中可以看出，仿真得到的頭部、盆骨X向加速度和胸部壓縮量曲線峰值大小和峰值時刻均與試驗結(jié)果一致，仿真得到的胸部X向加速度峰值較試驗結(jié)果略大，誤差在合理范圍內(nèi)，仿真得到的安全帶肩帶力和腰帶力曲線與試驗結(jié)果在峰值、走勢上基本一致。綜上，仿真和試驗曲線的吻合度較高，峰值誤差和時間延遲均在合理范圍內(nèi)。

綜上，本文構(gòu)建的模型能很好地模擬乘員在AEB 階段的離位響應(yīng)及碰撞階段的姿態(tài)和損傷響應(yīng)，可以用于后續(xù)研究。

4 仿真設(shè)置及結(jié)果分析

為了分析正面碰撞工況下坐姿對人體損傷的影響，本文設(shè)置5種不同的駕駛姿態(tài)，分別為標(biāo)準(zhǔn)坐姿、前移50 mm、后移50 mm、右傾10°、左傾10°。其中：標(biāo)準(zhǔn)坐姿為試驗中假人坐姿；前移或后移50 mm為假人隨著座椅向前或向后移動50 mm 距離；右傾或左傾10°是指假人在標(biāo)準(zhǔn)坐姿座椅位置基礎(chǔ)上脊椎向右或左傾10°。在保證乘員正常操作和乘坐舒適的前提下，將假人固定在座椅上，通過改變座椅在車輛坐標(biāo)系中的坐標(biāo)以及假人軀干的傾角和位置坐標(biāo)建立5 種假人的坐姿模型如圖3 所示。按照圖3 中的5 種駕駛姿態(tài)進行仿真，最終得到假人在不同坐姿下的損傷參數(shù)及身體各部位合成加速度峰值，如圖4、表2 和表3 所示。分析假人頭部和髖部的合成加速度峰值及頭部傷害指數(shù)（Head Injury Criterion，HIC）可知：標(biāo)準(zhǔn)坐姿下的加速度峰值較低，而偏離標(biāo)準(zhǔn)坐姿的其他4 種坐姿加速度峰值均有所提高，其中前移50 mm 時頭部與氣囊的接觸時間有所提前。左大腿軸向力遠(yuǎn)比右大腿軸向力小，是由于在仿真時間內(nèi)，小腿與車體的距離較小，導(dǎo)致右大腿與車體提前接觸。

表2 假人頭部、髖部合成加速度峰值及HIC值

表3 假人身體損傷及受力情況

圖3 假人的5種駕駛姿態(tài)

圖4 頭部合成加速度曲線

由表2 和表3 的數(shù)據(jù)分析可知：假人位置后移50 mm時，頭部與轉(zhuǎn)向盤的距離增大，頭部與氣囊接觸時處于泄氣狀態(tài)，未達到最佳約束效果，頭部合成加速度峰值和胸部累積3 ms 損傷值均明顯增大，當(dāng)胸部與轉(zhuǎn)向盤碰撞接觸時，氣囊相較于標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)下泄氣更多，對胸部未起到較好的保護作用，這是由于氣囊在仿真時間段內(nèi)離假人較遠(yuǎn)，與之碰撞時間較短，右大腿軸向力降低；假人位置前移50 mm時，頸部張力明顯增大，兩側(cè)大腿軸向力均明顯增大，是由于頭部與轉(zhuǎn)向盤的距離減小，在氣囊展開過程中，假人頭部與氣囊提前發(fā)生接觸，氣囊的沖擊力會加重頭部損傷；假人位置右傾10°時，胸部壓縮量明顯增加，但胸部累積3 ms 損傷值增長不大，安全帶作用的位置在假人偏右側(cè)，身體側(cè)傾導(dǎo)致頭部在與氣囊接觸時不在最佳接觸位置，從而加劇頭部損傷；假人位置左傾10°時，安全帶作用的位置在假人偏左，頭部和髖部合成加速度明顯升高，胸部壓縮量有所降低，但胸部累積3 ms損傷值增大。

5 結(jié)束語

本文通過已驗證的100%重疊正面碰撞駕駛員側(cè)乘員約束系統(tǒng)仿真模型分析了標(biāo)準(zhǔn)坐姿、前移50 mm、后移50 mm、右傾10°和左傾10°5 種坐姿對假人各部位的損傷影響情況，得到以下結(jié)論：

a.駕駛員縱向位置變化對頭部、胸部損傷風(fēng)險影響較大，主要原因是駕駛員頭部與轉(zhuǎn)向盤之間的距離變化導(dǎo)致其頭部過早或過晚與氣囊接觸，若在氣囊未完全展開時接觸氣囊，安全氣囊的快速膨脹可能對頭部造成更加嚴(yán)重的傷害。

b.駕駛員向前或向后移動時，其頸部均具有較高的損傷風(fēng)險。駕駛員腿部與膝部擋板越遠(yuǎn)，其腿部的損傷風(fēng)險越高。乘員在汽車正面碰撞中保持標(biāo)準(zhǔn)坐姿時，約束系統(tǒng)的保護效果最理想。

c. 駕駛員向左或向右傾斜都會導(dǎo)致不同程度的傷害，這是由于安全帶對人體胸部的約束并不理想，使頭部與安全氣囊的接觸偏離最佳位置與時刻。乘員偏離標(biāo)準(zhǔn)坐姿越嚴(yán)重，約束系統(tǒng)對乘員的保護程度越低，汽車正面碰撞對乘員的損傷影響就越大。因此，針對未來多樣化駕駛?cè)巳哼M行乘員智能保護系統(tǒng)的研發(fā)，在碰撞發(fā)生前，約束系統(tǒng)盡量將乘員從非標(biāo)準(zhǔn)坐姿轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)坐姿，可降低駕駛員的損傷。