預緊端片和鎖止鎖舌對假人動態(tài)性能的影響

胡晏殊　劉昕耀　劉雪姣　劉佳男　李明陽

摘 要：為了研究預緊端片及鎖止鎖舌對假人動態(tài)性能的影響，進行單獨添加一種配置及組合一起添加的方式，采用LS-DYNA軟件，進行仿真碰撞分析，得到安全帶力值及假人運動趨勢的變化，進而評估對假人的約束效果。仿真結果顯示：單獨添加預緊端片，在運動前期對假人骨盆約束效果明顯;單獨添加鎖止鎖舌，可明顯改善胸部壓縮量，在運動中后期對假人約束效果明顯;采用預緊端片和鎖止鎖舌組合的方式，效果最佳，相比較普通卷收器預緊限力的配置，其胸部位移量降低10%，骨盆位移量降低29%，胸部壓縮量降低35%。由此可見，兩種配置都添加對假人運動的全過程起到明顯的約束效果，胸部壓縮量改善明顯。根據(jù)上述結果可以對預緊端片及鎖止鎖舌的參數(shù)進行細致的研究，進而有效實現(xiàn)安全氣囊和安全帶的共同作用，為起到更好的安全帶約束作用提供參考。

關鍵詞：安全帶;預緊端片;鎖止鎖舌

1 引言

安全帶作為汽車碰撞時最重要的保護裝備，也是配合安全氣囊使用最有效的裝置[1]。根據(jù)交通部統(tǒng)計，佩戴三點式安全帶可大大降低碰撞時的傷亡。目前預緊限力式安全帶已經普遍應用到乘用車中，一些新的功能也在不斷的開發(fā)，一些零部件廠開發(fā)卷收器、鎖扣以及端片預緊限力裝置，在事故發(fā)生之前，通過車輛傳感器向ECU 發(fā)送信號，ECU 判斷后再向它們傳達提前預緊的信號，從而結合了被動安全技術和主動安全技術來改善對乘員的保護效果。主、被動安全技術結合可以發(fā)揮各自的優(yōu)點，這也成為未來汽車安全主要的發(fā)展趨勢[2]。

文獻[3]采用MADYMO軟件建立了正面碰撞模型仿真分析，說明一種新型預緊安全帶能夠有效降低乘員傷害值，具有較好的乘員保護效果。文獻[4]主要對前排乘員在不同預緊限力裝置下通過正面碰撞仿真研究其6 種安全帶預緊限力組合時各種傷害情況，最后采用WIC綜合評價得出最優(yōu)的組合。文獻[5]提出了一種新型雙邊預緊器，能夠在單預緊器的基礎上實現(xiàn)雙級預緊器的功能，通過對該雙邊預緊、卷收器預緊、帶扣預緊三種預緊方式展開仿真對比研究。這些文獻主要是對預緊裝置進行研究，通過改進預緊裝置性能或者通過在不同位置實現(xiàn)不同的預緊方式，全方位地考慮對乘員的保護，以實現(xiàn)更好的效果。本文在傳統(tǒng)卷收器預緊限力功能的基礎上，增加預緊端片功能和鎖止鎖舌功能，通過建立LS-DYNA的安全帶總成的動態(tài)試驗模型，對比增加新功能后對安全帶力值以及假人運動趨勢的影響，通過綜合分析得到最優(yōu)的組合方式。

2 安全帶仿真模型的建立及驗證

本次模擬是實現(xiàn)安全帶的響應過程，通過實驗數(shù)據(jù)和建模要求進行模型建立，根據(jù)實驗工況的要求改變模型的相關參數(shù)設置進行模擬。本次進行了十種工況的模擬，分別得到相應工況下的力值輸出數(shù)據(jù)，并與實驗數(shù)據(jù)結果進行對標。

2.1 安全帶滑臺試驗

本文中實驗采用專業(yè)的安全帶滑臺實驗，實驗假人使用HybridⅢ型第50百分位男性假人，如圖1所示。每次實驗均可精確記錄座椅速度，安全帶力值等數(shù)據(jù)，以供模擬所需。

2.2 安全帶系統(tǒng)仿真模型的建立

本文基于LS-DYNA軟件進行安全帶系統(tǒng)仿真技術研究，利用有限元方法模擬座椅、安全帶、假人等零部件系統(tǒng)，進行滑臺試驗工況下安全帶系統(tǒng)仿真分析，如圖2所示。

安全帶子系統(tǒng)包括預緊器、卷收器、滑環(huán)、插鎖、端片和織帶等零部件，本文研究的是在鎖扣上添加鎖止裝置和端片上添加預緊裝置對動態(tài)性能的影響。在對標模型中，安全帶的安裝位置和滑臺試驗按照設計坐標布置，實現(xiàn)與設計坐標一致，座椅位置與試驗一致，假人的H點及姿態(tài)與試驗一致，最大限度的保持仿真與試驗狀態(tài)相同。

2.3 仿真和試驗力值數(shù)據(jù)對標

采用卷收器預緊限力+鎖止鎖舌CLT（Crash Locking Tongue）+端片預緊PLP（Plate lap pretension）的工況，建立安全帶系統(tǒng)仿真模型，通過計算安全帶卷收器出口力B1、肩帶力B3、插鎖上方與肩帶連接位置力值B4、腰帶力值B6的響應曲線，同滑臺實驗時安全帶各部分的力值曲線進行對標，結果如圖3所示。經計算cora值為0.907，仿真和試驗結果相似度較高。

本文利用有限元仿真手段對安全帶滑臺試驗進行仿真對標，完成DYNA安全帶的建立?？蓪崿F(xiàn)以下內容：1、安全帶點火時刻完全一致;2、安全帶織帶性能與實際使用織帶狀態(tài)一致;3、卷收器B1、B3、B4、B6力值，基本可以實現(xiàn)與滑臺數(shù)據(jù)基本一致。

3 不同配置的組合對安全帶力值及假人運動趨勢的影響

對于不同的配置，首先需要定義他們的名稱：預緊限力卷收器稱為 Retractor，簡稱R;預緊端片稱為PLP;鎖止鎖舌稱為CLT;為了對比出不同配置的影響，我們主要研究一下四種工況：R、R+PLP、R+CLT、R+PLP+CLT。

模型的主要參數(shù)如下：我們選取50Km/h的速度，某主機廠的實車波形，卷收器點火時間12ms，預緊端片的點火時間20ms，限力值設定在3500N后對安全帶進行釋放，實現(xiàn)限力作用。鎖止鎖舌受到腰帶和肩帶力值差值達到500N后實現(xiàn)鎖止功能。選取在11.1KN的力值下延伸率為14%織帶進行分析，假人為Hybrid III型50百分位男性假人，剛性座椅進行仿真動態(tài)試驗分析。

為了評價不同配置的組合對安全帶力值及假人運動趨勢的影響，我們在模型中提取安全帶力值，包括卷收器出口力B1、肩帶力B3、插鎖上方與肩帶連接位置力值B4、腰帶力值B6，針對不同工況進行力值對比分析。提取假人的運動趨勢，包括骨盆加速度、胸部壓縮量、胸部位移量和臀部位移量進行對比分析。通過對比增加配置工況與普通卷收器預緊限力（R）狀態(tài)的差異，進而獲得PLP和CLT對假人運動趨勢的影響。

不同配置的安全帶力值仿真結果，如圖4所示：

不同配置的假人運動趨勢仿真結果，如圖5所示：

3.1 卷收器出口力B1、肩帶力B3

從圖4（a）和圖4（b）可以看出，不同配置對卷收器出口力值影響很小，在25ms前（卷收器預緊到結束的時間）并沒有影響。在25ms后轉入限力的過程，帶有PLP配置的工況，限力時間有3ms左右的提前，由此可以看出：PLP對假人前期束縛效果有明顯改善。

3.2 插鎖上方與肩帶連接位置力值B4

從圖4（c）可以看出，配有CLT裝置的工況，由于阻止了肩部與腰部之間的織帶傳遞，插鎖位置的力值明顯下降，下降幅度有32%。帶有PLP裝置的工況，對于插鎖位置的力值有少許降低，下降幅度3%。配有CLT+PLP裝置的工況，插鎖位置的力值最明顯，下降幅度有37%。由此可以看出：CLT對于插鎖力值有明顯改善，可有效的實現(xiàn)對假人的約束作用。

3.3 腰帶力值B6

從圖4（d）可以看出，配有CLT裝置的工況，由于阻止了肩部與腰部之間的織帶傳遞，腰帶力值明顯上升，上升幅度有31%。配有PLP裝置的工況，腰帶力值前期升高較早，峰值明顯下降，下降幅度有15%。配有CLT+PLP裝置的工況，起到綜合作用，較單獨添加CLT峰值有所下降，相對R狀態(tài)腰帶峰值上升19%。由此可以看出：CLT阻止了織帶的傳遞，導致腰帶力值上升，CLT作用實現(xiàn)后對假人約束效果明顯提升。PLP對腰帶力值有明顯的改善，提前實現(xiàn)對假人的約束作用。

3.4 骨盆加速度

通過圖5（a）可以看出，配有CLT和CLT+PLP裝置的工況，加速度峰值明顯升高。配有PLP裝置的工況，40ms前加速度有提升，在50ms時加速度峰值有所降低。這與卷收器及肩帶力值表現(xiàn)的一致，PLP在前期對假人束縛較好。由此得出：CLT對假人骨盆的運動起到約束作用，在總體運動中期及后期作用明顯。PLP對假人前期骨盆的運動起到約束作用。

3.5 胸部壓縮量

胸部壓縮量是安全帶對假人傷害的重要參數(shù)之一，是C-NCAP評價的關鍵參數(shù)之一，由此可見此參數(shù)的重要性。通過圖5（b）可以看出，配有CLT裝置的工況，對于假人胸壓明顯的改善，下降幅度高達33%，配有PLP裝置的工況，對于假人胸壓改善作用較小，下降幅度為10%，配有CLT+PLP裝置的工況，對于假人胸壓明顯的改善，下降幅度高達35%。由此得出：配有CLT裝置的工況，對假人胸壓會有明顯的改善作用。

3.6 胸部位移量和臀部位移量

從圖5（c）和圖5（d）可以看出，在60ms之前，對假人胸部及臀部位移量由高到低排序是：R，CLT，PLP，CLT+PLP，在60ms到80ms之間，對假人胸部及臀部位移量由高到低排序是：R， PLP，CLT，CLT+PLP。80ms以后，臀部位移量與之前一致，胸部位移量單獨配有PLP的工況有所升高。由此可見：CLT+PLP工況對假人整個運動過程中都有明顯的約束作用，PLP工況主要在假人運動前期約束較好，CLT工況在假人運動過程的中后期起到約束作用。

4 結論

本文是在模型進行對標的情況下，使用LS-DYNA軟件進行不同工況分運算分析，得出對于安全帶力值及假人運動趨勢的影響，通過對比分析，得出以下結論。

1）采用PLP裝置：插鎖位置和腰帶位置力值上升較早，前期胸部位移量減小，整個運動過程中臀部位移量降低，可以說明 PLP裝置在運動前期對假人骨盆約束效果明顯。

2）采用CLT裝置阻礙了肩部和臀部之間織帶的傳遞，對胸壓有明顯改善。在假人運動的中后期起到約束作用。

3）采用CLT+PLP裝置，綜合了兩種配置的優(yōu)點，對假人運動的全過程起到明顯約束效果，胸部壓縮量改善明顯。

綜上所述，本文通過使用模擬仿真計算，對安全帶新產品技術進行對比研究，摸索出不同配置的搭配對乘員安全保護的影響。有利于企業(yè)在后續(xù)項目中的實際開發(fā)工作，減少實驗資源的浪費，對汽車企業(yè)進行安全帶選型有一定的指導意義。

參考文獻：

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