某車型正面碰撞駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)匹配研究

費(fèi)敬+陳可明+史愛(ài)民+靳云飛+李氣輝+崔淑娟

摘 要：針對(duì)國(guó)內(nèi)某款多用途汽車（Multi-purpose Vehicle，MPV），采用多剛體動(dòng)力學(xué)分析軟件（Mathematical Dynamic Model，MADYMO）軟件建立了50 km/h正面碰撞駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)仿真模型，并將此仿真模型與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)標(biāo)分析。在對(duì)標(biāo)好的模型基礎(chǔ)上，對(duì)未配備安全氣囊的約束系統(tǒng)進(jìn)行了匹配優(yōu)化，使假人傷害值滿足GB 11551—2003法規(guī)要求。同時(shí)，對(duì)配備安全氣囊的約束系統(tǒng)匹配優(yōu)化，使其假人傷害值滿足GB 11551—2014法規(guī)要求。

關(guān)鍵詞：駕駛員；約束系統(tǒng)；匹配；假人傷害值

中圖分類號(hào)：U461.91文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.05.12

2014版國(guó)標(biāo)《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》（GB 11551—2014）實(shí)施以后，相對(duì)于2003版（GB 11551—2003），增加了假人頸部剪切力、張力以及伸張彎矩的考核，頭部增加了累積3 ms合成加速度的考核，胸部增加了粘性指數(shù)（Viscous Injury Response，VC），對(duì)大腿壓縮力的考核也更加嚴(yán)格[1-2]。這說(shuō)明以前滿足2003版國(guó)標(biāo)的車型不一定滿足新版國(guó)標(biāo)的要求，因此，對(duì)于某些車型，發(fā)生碰撞時(shí)，乘員生存空間有限，結(jié)構(gòu)改進(jìn)空間較小，約束系統(tǒng)需要重新進(jìn)行匹配[3]。本文針對(duì)某款MPV車型，對(duì)約束系統(tǒng)重新匹配，使其滿足GB 11551—2014新版國(guó)標(biāo)。

1 駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)模型的建立

本文采用MADYMO軟件[4]建立駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)模型（圖1）。建立的模型包括轉(zhuǎn)向管柱多剛體模型、護(hù)膝板多剛體模型、地板多剛體模型、假人多剛體模型、座椅多剛體模型、儀表板有限元模型、安全氣囊有限元模型、限力式安全帶多剛體-有限元模型以及部分車體有限元模型。同時(shí)定義了假人與座椅、假人與地板、假人與方向盤、假人與護(hù)膝板的MB-MB接觸，以及假人與安全帶MB-FE接觸。優(yōu)化的模型加上安全氣囊后，還需要定義假人與安全氣囊，以及方向盤與安全氣囊的MB-FE接觸。安全帶的限力等級(jí)為3.5 kN，安全帶的力-延伸率曲線如圖2所示。加上安全氣囊后安全氣囊的直徑為660 mm，泄氣孔直徑為2×40 mm，氣囊起爆的時(shí)間為15 ms，質(zhì)量流率曲線如圖3所示。

2 駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的有效性，對(duì)建立的約束系統(tǒng)模型與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)標(biāo)分析。模型采用的車體加速度曲線為整車試驗(yàn)的B柱左側(cè)下方加速度，使用MADYMO軟件，在相應(yīng)的B柱傳感器位置建立鉸鏈JOINT.FREE_BRYANT，并在此鉸鏈上通過(guò)關(guān)鍵字MOTION.JOINT_ACC來(lái)加載加速度曲線。試驗(yàn)的加速度曲線如圖4所示。

對(duì)比分析了仿真與試驗(yàn)結(jié)果：仿真與試驗(yàn)的肩帶力曲線，頭部x向、z向以及合成加速度曲線，頸部剪切力Fx曲線、頸部張力Fz曲線、頸部伸張彎矩My曲線，胸部x向、合成加速度曲線，胸部壓縮量曲線，左右大腿壓縮力曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，如圖5所示。對(duì)標(biāo)曲線與仿真曲線的橫縱坐標(biāo)都進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化處理，從上述曲線可以看出，假人的頭部和頸部仿真與試驗(yàn)曲線的相位和峰值有一些差異，這是因?yàn)榧偃说念^部撞到了方向盤的上邊緣，安全氣囊被擊穿，造成試驗(yàn)結(jié)果中頭部和頸部的傷害值曲線出現(xiàn)異常波動(dòng)，但是撞擊的時(shí)刻以及曲線的走勢(shì)是比較吻合的。根據(jù)整個(gè)假人傷害曲線對(duì)標(biāo)結(jié)果可知，仿真模型可以比較真實(shí)地反映實(shí)車碰撞中假人的響應(yīng)，可以用于下一步的研究。

3 未配備安全氣囊的約束系統(tǒng)優(yōu)化

從試驗(yàn)錄像、曲線、照片以及車體的整體布置、車體的壓潰空間可以看出，車身結(jié)構(gòu)加速度曲線可優(yōu)化的空間較小，且優(yōu)化效果不明顯。因此，從節(jié)約成本的角度考慮，不優(yōu)化結(jié)構(gòu)只優(yōu)化約束系統(tǒng)來(lái)使假人傷害值達(dá)標(biāo)。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：座椅沒(méi)有失效，說(shuō)明假人向前的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)是正確的。假人傷害值超標(biāo)集中在頭部和頸部，這是由于假人的額頭撞在方向盤的上邊緣，致使方向盤彎曲比較嚴(yán)重。該款車型的轉(zhuǎn)向管柱設(shè)計(jì)狀態(tài)是可以壓潰的，但是由于假人頭部撞到了方向盤的上邊緣，方向盤沒(méi)有很好地將力傳遞到轉(zhuǎn)向管柱上，沒(méi)有達(dá)到方向盤設(shè)計(jì)的壓潰力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向管柱沒(méi)有壓潰，轉(zhuǎn)向管柱沒(méi)有吸能造成了這種設(shè)計(jì)的浪費(fèi)。如果將方向盤上輪緣軟化，對(duì)假人的頭部傷害值是有利的，但是此時(shí)方向盤剛度已經(jīng)很小，如果繼續(xù)軟化，可能無(wú)法滿足轉(zhuǎn)向盤抗沖擊性能、受力變形以及疲勞壽命等的規(guī)定[5]。因此，本文從增大安全帶的限力等級(jí)、增加安全帶的預(yù)緊、更改轉(zhuǎn)向管柱的壓潰力這三個(gè)方面來(lái)綜合考慮降低假人頭部以及頸部傷害值。

優(yōu)化方案圍繞安全帶限力值、轉(zhuǎn)向管柱壓潰力、安全帶預(yù)緊三方面進(jìn)行優(yōu)化，提出了3種優(yōu)化方案，見(jiàn)表1。方案一為安全帶限力值由3.5 kN改為4.0 kN；轉(zhuǎn)向管柱壓潰力由6.5～7 kN改為2.5～3.0 kN。方案二為安全帶限力值由3.5 kN改為4.5 kN；在卷收器處加預(yù)緊器，預(yù)緊器點(diǎn)火時(shí)間為8 ms，預(yù)緊力為1.7 kN；轉(zhuǎn)向管柱壓潰力為2.5～3.0 kN。方案三為安全帶限力值由3.5 kN改為4.0 kN；在卷收器處加預(yù)緊器，預(yù)緊器點(diǎn)火時(shí)間為8 ms，預(yù)緊力為2.0 kN；在錨點(diǎn)處加預(yù)緊器，預(yù)緊器點(diǎn)火時(shí)間為8 ms，預(yù)緊力為4.0 kN；轉(zhuǎn)向管柱壓潰力為2.5～3.0 kN。方案一假人頭部HIC值余量比較小，3種方案頭部3 ms合成加速度都超過(guò)了784 m/s2，綜合考慮，選用方案二作為最終的優(yōu)化方案。方案二中不同時(shí)刻假人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6所示。

4 配備安全氣囊的約束系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)主機(jī)廠要求，匹配安全氣囊假人傷害指標(biāo)需要滿足GB 11551—2014《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》的要求。在原模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)更改安全帶的限力等級(jí)、安全氣囊的起爆時(shí)間、泄氣孔大小以及拉帶的長(zhǎng)度和剛度對(duì)約束系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。匹配安全氣囊優(yōu)化后假人傷害值見(jiàn)表2。在方案一中，氣囊起爆時(shí)間為15 ms，氣囊拉帶長(zhǎng)度為0.22 m，氣囊拉帶剛度為5 300 N/m，泄氣孔面積縮放因子為0.768，安全帶限力等級(jí)為3.5 kN。在方案二中，氣囊起爆時(shí)間為15 ms，氣囊拉帶長(zhǎng)度為0.30 m，氣囊拉帶剛度為2 300 N/m，泄氣孔面積縮放因子為0.768，安全帶限力等級(jí)為3.5 kN。方案三是在方案二的基礎(chǔ)上將安全帶限力等級(jí)由3.5 kN改為5.0 kN。方案四是在方案二的基礎(chǔ)上將限力安全帶變?yōu)榫o急鎖止式安全帶。由表2可知，方案二和方案三的假人身體各部位損傷值均達(dá)標(biāo)。但是方案三相對(duì)而言頭部3 ms合成加速度余量較小，出于綜合考慮，采納方案二作為最后的配備氣囊約束系統(tǒng)優(yōu)化方案。方案二中不同時(shí)刻假人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖7所示。

5 結(jié)論

（1）本文對(duì)某款MPV約束系統(tǒng)建模并進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)標(biāo)驗(yàn)證，對(duì)標(biāo)結(jié)果吻合度較好，此約束系統(tǒng)模型可以進(jìn)行下一步的優(yōu)化分析。

（2）在對(duì)標(biāo)模型的基礎(chǔ)上對(duì)未配備安全氣囊的約束系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，使其滿足GB 11551—2003法規(guī)。結(jié)果表明：選用方案二作為最終的優(yōu)化方案；安全帶限力值為4.5 kN；在卷收器處加預(yù)緊器，預(yù)緊器點(diǎn)火時(shí)間為8 ms，預(yù)緊力為1.7 kN；轉(zhuǎn)向管柱壓潰力為2.5～3.0 kN；假人傷害值滿足GB 11551—2003法規(guī)。

（3）在對(duì)標(biāo)模型的基礎(chǔ)上對(duì)配備安全氣囊的約束系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，使其滿足GB 11551—2014法規(guī)。綜合考慮假人身體各部位損傷值，采納方案二作為最后的配備氣囊約束系統(tǒng)匹配優(yōu)化方案，氣囊起爆時(shí)間為15 ms，氣囊拉帶長(zhǎng)度為0.30 m，氣囊拉帶剛度為2 300 N/m，泄氣孔面積縮放因子為0.768，安全帶限力等級(jí)為3.5 kN。本研究為以后此類車型約束系統(tǒng)優(yōu)化的改進(jìn)方向提供了指導(dǎo)。