安全带固定点位置对乘员损伤及舒适性仿真分析与研究

闫宏涛，马燕，段大禄

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

安全带固定点位置对乘员损伤及舒适性仿真分析与研究

闫宏涛，马燕，段大禄

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

安全带作为汽车碰撞过程中保护驾乘人员的基本防护装置，为了保证其安全有效性和佩戴舒适性，通过设置前期开发中某车型驾驶员安全带固定点，针对安全带的乘员佩戴舒适性及碰撞损伤进行研究，结合工程实际情况，有效解决了该车型安全带固定点位置的布置问题。

汽车安全；安全带固定点；仿真优化

Abstract:Safety belt is basic protection device which can protect drivers in a car crash. In order to guarantee its safety,effectiveness and wearing comfort, by arranging driver belt fixing points of a pre-developed vehicle, the occupants injury and comfort were studied. Combining with the actual situation of the project, the layout problem of a safety belt fixing point position was solved effectively.

Keywords: Vehicle safety; Seatbelt fixing point; Simulation optimization

0 前言

汽车乘员舱的安全性和舒适性是乘员舱设计的重点，安全带作为保护乘员最基本的防护装置，其合理的设计尤其重要，不仅关系到乘员安全性，同时也关系到乘员的乘坐舒适性。车辆碰撞安全要求的不断提高，与安全带相关的强制性法规越来越高的指标要求，促使在设计车辆安全带时更要注重安全带固定点的布置、安全带自身的性能、安全带固定点的强度等方面研究。文中结合工程实际，研究汽车安全带固定点位置对乘员损伤及舒适性，确保乘员约束系统满足GB 11551-2003正面碰撞法规要求[1]。

1 安全带佩戴模拟和安全性模型

1.1 RAMSIS安全带佩戴模拟模型

在人机工程软件RAMSIS中，通过驾驶员设计位置的数据将50百分位假人的H点(跨点)定位于H点行程轨迹的中点，脚部与双手分别按照AHP点(脚踵点)及SWC点(方向盘中心点)定位，假人靠背角约束为20°、脚踝角度约束为87°，定位完成的假人如图1所示。

在RAMSIS软件中，根据驾驶员安全带的设计数据，包括安全带的左右固定点及导向环的形式、外形尺寸、在车辆坐标系中的位置等在安全带模拟分析模块中输入安全带的形式、尺寸、位置等信息，如图2所示。

完成假人定位及安全带的信息输入后，即可在安全模拟分析模块中进行分析，计算出安全带的佩戴仿真位置，如图3所示。

1.2 驾驶员侧约束系统模型

使用多刚体动力学分析软件MADYMO建立驾驶员约束系统模型，主要包括座椅、方向盘、安全带、地板、踏板、仪表台和假人[2]。汽车的乘员舱变形通常较小，为了提高计算效率，简化建模，建立车体的多刚体模型。仿真分析使用的安全带模型为1D多刚体-2D有限元混合安全带，便于安全带预模拟，与假人接触部分采用2D有限元模型，查看安全带与假人贴合情况。使用MADYMO假人模型库中的50%分位Hybrid Ⅲ型男性假人作为乘员模型，即法规试验所使用假人，用来计算评估乘员的损伤指标。完整的驾驶员侧约束系统模型如图4所示。

为了确保仿真分析模型的准确性以及可靠性，根据试验扫描测量所获得的假人姿态数据对模型进行调整，根据法规碰撞试验所得到的假人各个部位的响应结果及损伤曲线对仿真模型进行了对标分析验证，包括头部加速度曲线、胸部加速度曲线和胸部压缩量曲线、骨盆加速度曲线、左右大腿力曲线。文中主要考察头部损伤，如图5所示。

2 仿真结果及优化分析

由于该车型骡子车经对标车改制而成，针对骡子车实际状态，取安全带上固定点安装孔A为分析初始位置，此位置也为试验位置，座椅行程180 mm，安全带作用在假人人体状态如图6所示，在RAMSIS模型中对安全带进行佩戴预模拟，如图7所示。

图6 试验前安全带位置状态

图7 固定点A安全带佩戴模拟

由分析可知，固定点A位置不合理，安全带从人体手臂穿过，严重影响了手臂运动及肩关节转动。针对该问题对安全带上固定点进行优化分析，安装孔位置如图8所示，分析结果如表1所示。

安装孔人体及H点SAE95%H点最后位置SAE50%H点向前90mmGB5%H点最前位置GB95%H点最后位置安装孔A织带未接触织带部分接触偏下织带全接触织带未接触安装孔B1织带部分接触织带全接触织带全接触织带全接触略偏下安装孔B2织带全接触织带全接触织带全接触织带全接触安装孔C织带部分接触织带全接触织带全接触织带部分接触

综合考虑，选取安装孔B1进行碰撞仿真验证，建立MADYMO模型如图9所示。由图可知，B1安装孔所得的安全带预模拟状态良好，织带经由假人肩膀中部穿过，不影响人体左臂及肩关节运动。对此，结合试验结果对比假人各运动参数及头部损伤值，评估B1点的碰撞安全性能，具体分析结果汇总见表2。

评价指标试验状态采用安装孔A采用安装孔B1设计状态采用安装孔B1假人前移量/m0.4270.3730.348方向盘接触速度/(m·s-1)10.4(仿真)8.768.48头部HIC值946912.4899.3

3 优化方案试验验证

3.1 白车身固定点强度验证

从表2中可知：在假人、座椅及方向盘位置均为试验状态或设计状态采用安装孔B1时，假人前移量、头部与方向盘接触速度以及头部HIC值均有改善，证实了采用B1安装孔在满足安全带佩戴舒适性要求的前提下，同时也改善了安全性能。

对安全带新固定点B1进行强度校核，验证座椅安全带固定点能否满足GB14167《汽车安全带安装固定点》的要求[3]。如图10所示，3点式安全带加载装置分别施加15.6 kN=13.7+0.1×19，计算结果如图11所示，主驾驶安全带上固定点最大应变为0.028，撕裂风险较小，满足法规要求。

3.2 整车碰撞试验验证

根据优化后的方案进行100%正面碰撞试验，其试验结果汇总见表3，可知试验后各评价指标均符合法规要求[1]。对比仿真分析结果和试验结果，各指标的误差在10%以内，说明仿真分析可以较好地预估实际试验的结果，对实际工程问题有一定指导作用。

表3 碰撞试验结果汇总

4 结论

乘员舱的安全性和舒适性是乘员舱设计的重点，安全带作为保护乘员最基本的防护装置，其合理的设计尤其重要。

文中根据某车型骡子车所存在的问题，在车型开发前期，采用MADYMO碰撞仿真分析模型，对安全带佩戴舒适性和安全性进行跨学科研究，结合工程产品的实际开发过程，不仅改善了安全带佩戴舒适性，同时也提高了安全性能，确保了系统的整体性能，最后通过试验验证了改进方案仿真分析结果的准确性。

该研究方法不仅可缩短产品的开发周期， 而且可稳健地推动企业乘员约束系统的平台化进程，进一步降低开发成本，最终体现公司“低成本，高价值”理念。

【1】 全国汽车标准化技术委员会.GB 11551-2003乘用车正面碰撞的乘员保护[S].北京:中国标准出版社，2003.

【2】 WHO.World report on road traffic injury prevention:summary,2004.

【3】 全国汽车标准化技术委员会.GB/T 14167-2013汽车安全带安装固定点、ISOFIX固定点系统及上拉带固定点[S]．北京:中国标准出版社,2014．

SimulationAnalysisandResearchofSafetyBeltMountingPositiontoOccupantInjuryandComfort

YAN Hongtao,MA Yan,DUAN Dalu

(SAIC-GM-Wuling Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi 545007,China)

2014-06-17

闫宏涛(1984—)，硕士，工程师，研究方向为安全约束系统产品设计开发。E-mail：Hongtao.Yan@sgmw.com.cn。