DOE在副駕駛員胸部傷害值分析中的應(yīng)用

陳建明

(延鋒百利得(上海)汽車安全系統(tǒng)有限公司，上海 201315)

0 引言

乘員胸部損傷是交通事故中比較常見的一種損傷類型。交通事故數(shù)據(jù)表明約45%的受傷乘員存在著胸部創(chuàng)傷。在C-NCAP新車評(píng)價(jià)體系中，實(shí)車正面100%重疊率剛性壁障碰撞和正面40%重疊率可變形壁障碰撞試驗(yàn)中,假人胸部加速度和胸部壓縮變形量是評(píng)價(jià)假人受傷害的重要指標(biāo)[1]。此外，總結(jié)歷年C-NCAP測(cè)試結(jié)果，假人胸部失分也是車輛在C-NCAP評(píng)價(jià)中難以獲得高分的主要障礙之一。因此，在車輛被動(dòng)安全約束系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并提高對(duì)假人胸部的保護(hù)。車輛碰撞時(shí)假人胸部的傷害主要由車輛加速度波形、座椅、安全帶、方向盤、安全氣囊和乘員空間綜合作用產(chǎn)生，優(yōu)秀的車身結(jié)構(gòu)、合適的乘員空間及合理的被動(dòng)安全約束系統(tǒng)能夠有效減小碰撞事故對(duì)乘員胸部的傷害，降低乘員胸部加速度，減小乘員胸部壓縮變形量，從而減小乘員在車輛事故中的傷亡率。

本文作者以副駕駛位假人胸部傷害值為研究對(duì)象，基于某車型，利用仿真軟件MADYMO，結(jié)合實(shí)車建立基礎(chǔ)仿真模型，借助HyperStudy軟件使用DOE(Design Of Experiments)全因子分析方法，分析影響假人胸部傷害值的因素以及各因素對(duì)假人胸部傷害值的貢獻(xiàn)度，并據(jù)此提出針對(duì)典型車型的被動(dòng)安全約束系統(tǒng)建議配置，為被動(dòng)安全約束系統(tǒng)開發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)、節(jié)省開發(fā)時(shí)間、提高開發(fā)效率。

1 仿真模型及主要變量介紹

本文作者以某車型為基礎(chǔ)，在MADYMO環(huán)境下建立此次仿真分析的基礎(chǔ)模型，模擬C-NCAP規(guī)則下50 km/h正面100%重疊率剛性壁障碰撞試驗(yàn)(50FRB)，基礎(chǔ)仿真模型如圖1所示。

圖1 50FRB基礎(chǔ)仿真模型

文中DOE仿真分析，綜合考慮碰撞波形(Pulse)、乘員空間(Knee_to_IP_dis)、約束系統(tǒng)點(diǎn)火時(shí)間(TTF)、安全帶限力值(Load_limiter)以及PAB形狀等因素，并設(shè)定為5變量3水平，仿真變量匯總見表1。其中，乘員空間、波形及PAB變量分別如圖2—圖4所示。

表1 仿真變量匯總

圖2 車身空間

圖3 波形曲線及速度曲線

圖4 PAB包形

其中，乘員空間變量(Knee_to_IP_dis)在模型中的表現(xiàn)如圖2所示。Knee_to_IP_dis變量值為0.07、0.10、0.13 m，分別對(duì)應(yīng)小乘員空間、一般乘員空間、大乘員空間。

波形曲線及其速度曲線如圖3所示，Pulse1、Pulse2、Pulse3分別對(duì)應(yīng)差波形、一般波形、優(yōu)波形。

PAB包形如圖4所示。

2 DOE分析

2.1 DOE矩陣設(shè)定

按照文中DOE仿真設(shè)計(jì)，針對(duì)5個(gè)變量3水平值制定出全運(yùn)算矩陣，總計(jì)243個(gè)仿真試驗(yàn)算例，如圖5所示。

圖5 全運(yùn)算矩陣

2.2 失效試驗(yàn)排除

在DOE仿真試驗(yàn)中，試驗(yàn)編號(hào)為83號(hào)和217號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果失效，實(shí)際表現(xiàn)為假人頭部砸透，頭部傷害指數(shù)HIC36ms超標(biāo)(假人頭部透過(guò)氣囊與IP發(fā)生硬接觸)。具體試驗(yàn)配置如表2所示。

表2 失效試驗(yàn)列表

試驗(yàn)編號(hào)為83號(hào)和217號(hào)的試驗(yàn)失效，根本原因在于采用了差波形和2D PAB，另外安全帶又未能配合限力值在合適的時(shí)間發(fā)生作用。

在83號(hào)試驗(yàn)中，波形較差，安全帶限力值較小，但安全帶預(yù)緊器作用時(shí)間偏晚，導(dǎo)致安全帶的預(yù)緊限力發(fā)生作用時(shí)假人已經(jīng)向前運(yùn)動(dòng)較大距離，其效果等同于縮小車內(nèi)空間，增大了假人與氣囊接觸時(shí)的能量；同時(shí)由于2D PAB與頭部接觸位置厚度較小，緩沖吸能空間不足，進(jìn)而導(dǎo)致氣囊被砸透。

在217號(hào)試驗(yàn)中，波形較差，安全帶限力值較大，安全帶預(yù)緊器作用時(shí)間偏早4 ms，導(dǎo)致假人的X向移動(dòng)量偏小，絕大部分的能量卸載形式轉(zhuǎn)變?yōu)榧偃松宪|干的轉(zhuǎn)動(dòng)；同樣的，配合2D PAB與頭部接觸位置厚度較小，緩沖吸能空間不足，進(jìn)而導(dǎo)致氣囊被砸透。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 DOE結(jié)果可信度

由圖6、圖7可見，文中DOE仿真試驗(yàn)觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值基本一致，計(jì)算結(jié)果可信。

圖6 胸部加速度殘差分布

圖7 胸部壓縮量殘差分布

3.2 主要變量對(duì)假人胸部傷害值貢獻(xiàn)度

分析計(jì)算結(jié)果得：對(duì)于假人胸部加速度，碰撞波形是主要影響因素，如圖8所示；對(duì)于假人胸部壓縮量，安全帶限力值是主要影響因素，如圖9所示。

圖8 主要變量對(duì)假人胸部加速度貢獻(xiàn)度

圖9 主要變量對(duì)假人胸部壓縮量貢獻(xiàn)度

3.3 乘員空間對(duì)胸部傷害值的影響

分析計(jì)算結(jié)果得：乘員空間越大，假人胸部壓縮量越大，而假人胸部加速度越小，但實(shí)際傷害數(shù)值影響很小(胸部壓縮量變化量在1.7 mm以內(nèi)，胸部加速度變化量在0.9g以內(nèi))，如圖10所示。

圖10 乘員空間對(duì)胸部傷害值的影響

3.4 安全帶限力值對(duì)胸部傷害值的影響

分析計(jì)算結(jié)果得：安全帶的限力值越大，假人胸部壓縮量與胸部加速度越大，對(duì)胸部壓縮量作用尤為明顯。胸部壓縮量變化量為9 mm以內(nèi)，胸部加速度變化量在3.5g以內(nèi)，如圖11所示。

圖11 安全帶限力值對(duì)胸部傷害值的影響

3.5 PAB包形對(duì)胸部傷害值的影響

分析計(jì)算結(jié)果得：PAB越大越厚，胸部加速度值和胸部壓縮量越大，胸部加速度值變化量在3g以內(nèi)，胸部壓縮量變化量在1.5 mm以內(nèi)。分析其原因?yàn)镻AB對(duì)胸腔存在擠壓作用。如圖12所示。

圖12 PAB包形對(duì)胸部傷害值的影響

3.6 波形對(duì)胸部傷害值的影響

分析計(jì)算結(jié)果得：碰撞波形越差，胸部加速度值越大；而胸部壓縮量隨著碰撞波形的變好而趨向增大，但實(shí)際數(shù)值基本不變(變化量在0.3 mm以內(nèi))，如圖13所示。

圖13 波形對(duì)胸部傷害值的影響

3.7 點(diǎn)爆時(shí)刻對(duì)胸部傷害值的影響

分析計(jì)算結(jié)果得：約束系統(tǒng)點(diǎn)火時(shí)間越早，胸部壓縮量越小，而胸部加速度越大。但對(duì)實(shí)際傷害值影響很小(胸部壓縮量變化量在0.3 mm以內(nèi)，胸部加速度變化量在0.4g以內(nèi))，如圖14所示。

圖14 點(diǎn)火時(shí)間對(duì)胸部傷害值的影響

4 約束系統(tǒng)配置建議

結(jié)合假人頭部傷害值，典型車身環(huán)境下的被動(dòng)安全系統(tǒng)建議如下配置。

(1)差波形、小乘員空間工況下，約束系統(tǒng)建議配置如表3所示，計(jì)算結(jié)果如圖15所示。

表3 差波形、小乘員空間工況下建議配置

圖15 差波形、小乘員空間工況計(jì)算結(jié)果

(2)一般波形、一般乘員空間工況下，約束系統(tǒng)建議配置如表4所示，計(jì)算結(jié)果如圖16所示。

表4 一般波形、一般乘員空間工況下建議配置

圖16 一般波形、一般乘員空間工況計(jì)算結(jié)果

(3)優(yōu)波形、大乘員空間工況下，約束系統(tǒng)建議配置如表5所示，計(jì)算結(jié)果如圖17所示。

表5 優(yōu)波形、大乘員空間工況下建議配置

圖17 優(yōu)波形、大乘員空間工況計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

本文作者通過(guò)DOE全因子仿真分析得出：對(duì)于乘員胸部加速度，碰撞波形是主要影響因素；對(duì)于乘員胸部壓縮量，安全帶限力值是主要影響因素。并據(jù)此分析結(jié)果提出針對(duì)典型車型的一般被動(dòng)安全約束系統(tǒng)配置建議。