正面碰撞下轿车后排乘员伤害的仿真研究

吴云腾，葛如海，杨工作，朱文婷

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏212013)

我国车辆后排座位的使用率很高.随之而来的问题是，在我国每年10万人左右的交通事故死亡人数中，后排乘员的死亡人数占据一定的比例，据估算约有1万人[1].国内外轿车的被动安全性研究，目前大多数集中在前排驾驶员侧以及前排乘员侧.对正面碰撞工况下的轿车后排乘员的伤害研究较少[2].

本文结合汽车被动安全的研究现状，通过MADYMO建立轿车后排约束系统正面碰撞仿真模型，对乘员伤害机理进行研究，具体是建立5%人体模型的轿车后排左侧座椅位置的乘员约束系统仿真模型进行50 km/h碰撞工况仿真分析，对乘员进行伤害研究.在发生正面碰事故时，因为后排乘员极少会像前排乘员那样遭受车体变形挤压的影响，因此只要正确佩戴安全带，安全系数还是比较高的.导致目前后排死亡率较高的主要原因是后排乘员的安全带佩戴率非常低.本文主要分析了安全带的设计参数对乘员的保护效果，得到了改善乘员约束系统保护性能的方法.

1 轿车后排乘员约束系统正面碰撞仿真模型的建立

MADYMO是一个完美融合多体 (MB-Multi Body)动力学计算功能和显式动态有限元 (FE)计算的仿真软件.经常采用 MADYMO中的MB方式进行快速而有效的建模来进行产品的概念设计;对于产品的结构设计，则采用有限元方式进行细致的建模.此软件可用来研究汽车碰撞过程当中乘员的伤害，也可分析约束系统的设计参数变化所产生的影响，以及预测各种设计参数对乘员的保护效果.利用MADYMO，可以对乘员约束系统进行快捷而有效的优化设计，并节约大量的资金，缩短研究周期[3].

利用MADYMO软件建立起某轿车车体座椅、安全带系统和假人的后排乘员约束系统正面碰撞仿真模型.该乘员约束系统的仿真模型主要包含车体模型、假人模型、安全带模型、接触算法、加速度场等内容.其中假人的肩部、胸部、腰部与安全带肩带发生接触，假人的腰部、髋部、左右大腿与安全带的腰带发生接触[4].

图1为建立起的正面碰撞下后排乘员约束系统模型.

图1 轿车后排正碰乘员约束系统模型

2 仿真结果分析

计算机仿真不能够完全替代实际车辆碰撞试验.建立的模型需要进行可靠性验证，采用样车碰撞的方法来验证模型准确度.图2～图6是样车碰撞试验中假人伤害情况和仿真模型中假人伤害情况的对比.验证的顺序按照安全带腰带及肩带力、髋部X方向加速度、左右大腿力、胸部加速度、头部合成加速度的顺序进行.通过对模型进行一系列的校正工作，可以将模型与样车碰撞试验的结果作比较验证.以下从头部质心合成加速度曲线、髋部合成加速度曲线、胸部合成加速度曲线、左右大腿力曲线等伤害指标结果，对比仿真结果和试验结果的接近程度.

图2 头部质心合成加速度曲线

图3 髋部合成加速度曲线

图4 胸部合成加速度曲线

图5 左大腿力曲线

图6 右大腿力曲线

试验得到的假人伤害情况与仿真模型计算出的伤害值对比如表1所示.

表1 试验结果与仿真结果的对比

从以上对比图和表1可知，与试验结果相比，仿真计算得到的假人伤害曲线和伤害值，其主要指标的误差均小于15%，曲线也基本吻合.由于碰撞在100 ms基本结束，模型主要考虑前100 ms的波形.通过MADYMO建立的后排乘员约束系统模型如实地反映了整个碰撞的过程，可将此仿真模型作为基本模型进行分析研究.

3 安全带参数对乘员伤害影响的研究

本文选择安全带形式、安全带刚度、卷收器锁止特性等参数对乘员的伤害情况影响进行仿真分析和研究.

3.1 安全带形式对后排乘员的影响

后排乘员并没有正面气囊的保护，在发生撞击时有可能因为巨大的惯性前冲造成严重伤害[5].坐在汽车后排位置的乘员如果不系安全带，如果发生车祸，受重伤的概率将大大增加.导致目前后排死亡率较高的一个重要原因就是后排乘员的安全带佩戴率很低.有数据可以得出:在翻车事故、追尾碰撞、正面碰撞和侧面碰撞中，佩戴安全带可以分别减少77%、49%、43%、27%的伤亡率[6].

因此，不仅建立了包括3点式安全带的乘员约束系统，还建立起了两点式腰带的约束系统以及没有安全带的约束系统模型，对仿真模型求解运算后分别得到乘员的伤害数据，如表2所示.

表2 不同安全带形式的伤害情况对比

从表2中可以看出:两点式腰带对腿部有一定的保护作用，但身体会发生转动;对头部保护作用不明显，保护效果不理想.而乘员佩戴3点式安全带情况下，头部跟胸部的伤害值明显要小于两点式腰带以及无安全带情况，对乘员有着更好的保护效果，特别能够减小HIC值，对头部有更好的保护.在没有安全带保护时，一旦发生碰撞，乘员会从座椅位置飞出，发生强烈的二次碰撞，引起死伤事故.可以看出，无安全带形式下对乘员造成的伤害最严重.所以，轿车后排位置上应安装3点式安全带.

3.2 安全带刚度对乘员伤害的影响

安全带织带是由聚酯纤维等材料编制而成，长约2.5 m，宽5 cm，厚1.2～1.5 mm.织带的延伸率大约在15% ～30%[7].抗拉强度:腰带为26 700 N，肩带为17 700 N，腰肩连续带为22 300 N.通常用安全带受力11 080 N时的相对伸长量来表示织带的刚度.碰撞过程中，安全带给予乘员提供关键的约束，吸收较大的碰撞能量.安全带的能量吸收能力取决于织带的伸缩特性，在实际生产中，不同的安全带刚度是在通过纱线热熔胶染色过程中调节织带的松紧度获得的，一般织带伸长率(刚度)可在5%～23%范围内变化.

原车装配的安全带刚度的可选范围较大，因此选取与原设计值分别相差±2%，4%，6%，8%，10%的织带刚度值代入基本模型中进行仿真分析.计算的结果按CMVDR294标准进行正则化处理(即每个伤害指标分别除以相应的最大极限值)，结果如图7所示.可以看出:随着刚度的增加，头部损伤的HIC值明显减小，T3MS变化不是很大，胸部压缩量在刚度增加2%时最小，虽然乘员臀部最大前移量减小差不多，但是肩部和头部前移量有较大幅度的减小.

对于该车型来说，乘员肩部和头部前移量的大幅减小有利于HIC值的降低，因为前移量的减小，表明着发生二次碰撞的概率减少，即使仍然发生碰撞，头部的瞬时加速度也明显减小，从而减轻乘员头部伤害[8].而刚度增加超过10%后，安全带力对胸腔的伤害作用则比较大.因此建议安全带织带刚度比原设计值增大7%～10%，有更好的保护效果.

图7 织带刚度变化对乘员伤害的影响

3.3 卷收器锁止特性对乘员伤害的影响

由于卷收器机构锁止滞后、“卷轴效应”和安全带拉长变形等因素的影响，卷收器锁止以后，安全带织带就会继续从卷收器拉出.在GB14166—93中规定，实际使用中当车体加速度为7 m/s2时，卷收器中的织带输出量需小于25 mm;当带感加速度达到20 m/s2时，卷收器中织带输出量小于50 mm为合格.对于碰撞中的乘员约束系统来说，这些输出量将显著影响乘员的响应.卷收器锁止后，以其拉出量值为基准，在上下方向各选取3个点，与原值分别相差5 mm、10 mm、15 mm，仿真结果按CMVDR294标准进行正则化处理，结果如图8所示.随着卷收器锁止后织带输出量的减少，头部HIC值呈明显下降趋势，T3MS变化不大，胸部压缩量略有上升.这是由于卷收器锁止效率提高后，安全带能够提供乘员以更可靠的“束缚”作用，从而减轻了二次碰撞的强度.安全带约束作用增强后，胸腔受压同时略为加剧.

图8 卷收器锁止特性对乘员伤害的影响

4 结论

本文利用MADYMO软件建立后排乘员约束系统模型，利用该模型对安全带形式、安全带刚度、卷收器锁止特性等参数对乘员的HIC、T3MS、胸部压缩量和左右大腿力等损伤值的影响进行了比较研究，得到以下结论:

1)使用MADYMO软件可以有效地模拟约束系统在碰撞过程中的响应情况，能够全面、详细地获知乘员的各项伤害指标，便于评价约束系统的安全性能.

2)后排乘员佩戴3点式安全带，保护效果要明显比佩戴两点式安全带和无安全带两种情况好，因此后排位置乘员需要佩戴3点式安全带.

3)安全带刚度比原设计值增大7% ～10%，HIC值可以从初始的989下降到800左右，对头部有更好的保护效果.

4)卷收器锁止特性与原设计值相比，减小15 mm的输出量.随着卷收器锁止后织带输出量的减少，HIC呈明显下降趋势，T3MS变化不大，胸部压缩量略有上升.

[1]张晓龙，朱海涛.在正面碰撞试验中前后排假人头部伤害对比分析[J].交通与安全，2008，(4):70-73.

[2]占 强.拯救VIP[J].汽车世界，2010，(1):16-19.

[3]T Langner，MR van Ratingen，T Versmissen，et al.EEVC Research in the Field of Developing a European Interior Headform Test Procedure[C]. //The 19th Enhanced Safety of Vehicles:Paper Number 05-0158.2005:16-19.

[4]MADYMO Theory Manual[M].TNO Road-vehicles Research Institute，2005:209-251.

[5]Linda McCray，Aida Barsan-Anelli.Simulations of Large School Bus Safety Restraints[C].//The 17th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles:Paper Nnumber 06-0226，2001:1-14.

[6]Walner Brian.the Crash Analysis of a Passenger Vehicle under Differing Frontal Crash Conditions[J].SAE.932910.

[7]王秋颖.汽车安全气囊和安全带用材料[J].世界汽 车，1998，(7):21-22.

[8]葛如海，刘志强，陈晓东，等.汽车安全工程 [M].北京:化学工业出版社，2005:220-228.