某低配轿车驾驶员头部保护方案优化设计*

潘丽杰，田佳平

(华晨汽车集团控股有限公司，辽宁沈阳 110041)

0 引言

某款轿车采用无缝气囊，普通三点式安全带的低端配置，乘员约束系统需要满足GB11551的前面碰撞强制性法规要求［1］。由于车体空间有限，没有气囊的保护，很难达到开发目标。在滑台试验验证中发现，很难满足犯规要求。图1为滑台实验环境台。表1为滑台实验结果。

图1 滑台实验环境台

表1 滑台实验后测试表

通过实验，产品设计不满足法规要求。由于项目后期不允许太大的工程更改，并且项目成本控制压力大。笔者旨在对已经存在的产品，在不进行太多参数改动的基础上，来达到项目开发目标。

通过基础滑台试验结果的数据分析，发现头部伤害指标过高，是该项目不满足法规要求的主要问题。其原因在于该车型前端吸能区域表现不佳以及约束系统部件中未配备气囊。基于这一特殊工况，笔者提出将腰带部分一定长度的安全带折叠缝合并且通过控制缝纫线的强度，来达到限力效果的优化方案。该方案可以通过调整相关的安全带参数来改变碰撞过程中假人的运动姿态，降低头部伤害指标。

通过MADYMO仿真与试验设计(DOE)相结合的方法，对该项目安全带设计参数，进行优化设计。通过调整织物延伸率、调节安全带限力等级参数调整得到理想参数模型［2］。将模型进行搭建物理实验平台，再次进行滑台试验验证，最重满足法规要求。

1 仿真模型建立及计算

1.1 仿真模型建立

为了缩短开发周期，采用MADYMO软件来预测碰撞过程中约束系统特性及乘员伤害情况。通过前期的基础滑台试验，发现驾驶员头部伤害超出法规要求，而乘员侧头部伤害指标相对较低，在法规要求范围内。因此该模型主要针对驾驶员侧约束系统进行研究［3］。

MADYMO正撞模型包括车体，乘员和约束系统等构成。车体系统包括:地板、防火墙、风挡、顶棚、仪表板、方向盘和座椅。约束系统包括安全带，安全带织物可用多体或多体－FE混合建模。将试验中测得的B柱下端的加速度信号和重力场施加在MADYMO模型上，不同角度观看的完整模型如图2、图3所示。

图2 仿真模型建立1

图3 仿真模型建立2

通过仿真计算，MADYMO软件可以输出假人伤害指标文件。GB11551法规主要对头部HIC36、胸部压缩量以及大腿压缩力进行评价。仿真模型中，对织带的撕裂特性也进行了模拟，将撕裂力值设为4 kN，即当安全带拉力达到4 kN时，折叠部分的织带将全部放出。

1.2 根据织物延伸率不同

在模型中，调整安全带织物延伸率7%～12%，对比结果如图4所示。

图4 不同织物延伸率对乘员伤害影响

结果显示，调整安全带织物延伸率对乘员头部，颈部及胸部的伤害产生一定影响。随着延伸率的增大头部加速度及颈部拉伸力FZ有些许升高，颈部剪切力FX、颈部延展力矩My及胸部位移量有所降低，但是两种延伸率假人伤害差异并不是很明显。

1.3 限力等级不同

在MADYMO模型中，针对五种限力等级安全带分别进行约束系统仿真计算，安全带参数如表2所示;仿真结果曲线对比如图5所示。对假人颈部拉伸力FZ及胸部压缩量进行评价。

表2 不同安全带限力等级

图5 不同限力等级安全带对乘员伤害影响

由假人伤害值曲线对比可知，限力式安全带对于改善乘员胸部位移量效果明显，对于降低颈部FZ作用不大。其原因在于限力式安全带改善了乘员上躯干的运动姿态，随着限力器起作用放出织带，缓解了安全带对乘员胸部的压力，颈部产生较大拉伸力。

通过调整织物延伸率、调节安全带限力等级，得到新的模型，对模型进行计算，将仿真结果与基础滑台试验假人头部加速度曲线对标，图6为驾驶员头部仿真曲线与滑台曲线对标。

图6 驾驶员头部仿真曲线与滑台曲线对标

在对标后的MADYMO驾驶员侧约束系统仿真模型的基础上，可以进一步进行DOE试验设计，以寻找最佳的安全带参数来降低头部伤害指标。

2 DOE试验设计

DOE是一种安排试验和分析试验数据的数理统计方法;试验设计主要对试验进行合理安排，以较小的试验规模(试验次数)、较短的试验周期和较低的试验成本，获得理想的试验结果和正确的结论。

在该项目中，将驾驶员头部伤害值作为评价指标，安全带缝纫线撕裂力、折叠长度和延伸率确定为主要影响因素，安全带的撕裂力，折叠长度和延伸率确定为主要影响因素，而因素的水平数如表3所示。

表3 因素水平表

选用L16(34)正交表，通过MADYMO仿真运算，安全带最终的优化参数为:织带延伸率为9%，折叠长度为110 mm，撕裂力为4 kN。

3 滑台试验验证

DOE试验设计完成之后，进行滑台试验验证安全带优化参数的有效性。滑台环境如图1所示。滑台试验包括原车匹配的延伸率为12%的普通三点式安全带和优化后的延伸率为9%，织带折叠110 mm，撕裂力值为4 kN的安全带，试验结果如表4所列。由表4可以看到，通过安全参数优化，驾驶员头部伤害指标有了大幅降低，完全满足法规要求。

表4 滑台试验结果

4 结语

通过MADYMO仿真计算与DOE试验设计相结合的方法，对低配轿车驾驶员头部保护进行优化设计，通过调整织物延伸率、调节安全带限力等级。得到理想的安全带优化参数。

物理滑台试验验证结果显示该优化方案有效降低了驾驶员头部伤害，满足了法规要求。该项目优化方案切实可行，为其他类似车型乘员约束系统优化提供了有效借鉴。

参考资料:

［1］ 曹立波，李正坤，龚永坚.主动式安全头枕的开发及仿真研究［J］.清华大学学报，2012，5(1):36－40.

［2］ 陈 超，李广益，娄 磊，等.基于鞭打试验的头枕与乘员颈部伤害关系分析［J］.清华大学学报，2012，14(3):87－91.

［3］ Svensson M Y，Aldman B.Pressure Effects in the SpinalCanal During Whiplash Motiom－a Possible Cause of Injurythe Cervical Spinal Ganglia［J］.International IR COBIConference on the Biomechanics of Impacts，2002，717(1):29－39.