约束系统匹配对车-车斜角碰撞中驾驶员损伤影响

费 敬，陈可明，乐中耀，郝海舟，颜凌波

（1.中国汽车工程研究院，重庆 401122；2.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南，长沙 410082）

交通事故统计数据显示，2010年交通事故总数为390.6万起，造成的经济损失达到了9.3亿元。在这些交通事故中，两车相撞的交通事故占总交通事故的53%～55%，两车相撞的驾乘伤亡人员占交通事故伤亡总数的60%以上[1]。而在我国，关于斜角度碰撞的研究比较少，也没有相关的法规要求。Kaye Sullivan等人对汽车耐撞性数据库NASS-CDS进行了统计分析，结果表明碰撞角度为15°～45°的比例为29.5%[2]。由此可见，研究两车相撞的交通事故尤其是斜角度碰撞对完善我国的碰撞安全法规以及降低乘员损伤有着重要的意义。

大量研究表明，乘员约束系统与乘员生物指标最相关，而乘员约束系统的匹配可以有效地减少乘员的伤害。雷雨成等人提出了提高汽车的碰撞相容性之一的措施是加强自身乘员保护系统[3]。Adrian K.lund等人认为，现阶段改善相容性最有效的办法就是进一步改善乘员约束系统[4]。与40%偏置碰撞类似，斜角度碰撞是一种特殊的碰撞形式，车身只有一侧参与碰撞，较严重的前部车体变形导致乘员舱空间侵入较大进而导致乘员伤亡。因此，安全气囊与安全带的有效匹配对降低乘员的损伤显得非常重要。

1 MAYMO约束系统模型的建立

1.1 车体有限元模型验证

本文建立的MADYMO模型是30°斜角碰撞中的被撞车模型，参考的是美国国家碰撞分析中心（NCAC）发布的2010年版丰田Yaris有限元模型。车-车碰撞模型如图1所示，碰撞速度为50 km/h。NCAC建立模型后进行了100%正面碰撞试验，试验与仿真模拟如图2（a）和（b）所示。试验与仿真的车体加速度曲线如图3所示。由图3可知，试验与仿真的加速度曲线吻合较好，可以用于后续的研究。

1.2 安全气囊模型的建立

气囊的建模一般包括均匀压力（UP）建模与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）建模，后者主要应用于精确模拟气囊的展开过程，适用于对离位乘员的研究。本模型中气囊的建模采用的是UP模型，这是因为气囊与乘员接触时气囊已经处于完全展开的状态，气流的作用不明显，气囊内各处的压力已经达到了平均状态。建立的气囊模型如图4和图5所示，气囊容积为50 L，大气压力为1.01e+5 Pa，温度为296 K，环境中气体成分包括 N2，CO2，O2，Ar。通过 INFLATOE.DEF 定义了气体的流动，包括气体的质量流率、温度、充气气体的成分以及喷嘴，质量流率曲线与温度流曲线如图6和图7所示。充气气体成分包括H2O，He，H2。此气囊没有定义喷嘴，而是通过定义不同时刻的喷气量模拟喷气。气囊起爆的时间为9 ms。拉带采用的是两节点弹簧单元进行模拟，拉带的材料和属性在MATERIAL.KELVIN3D和PROPERTY.BEAM2_DISCRETE中定义。孔材料通过定义MATERIAL.HOLE来模拟，织物材料通过定义MATERIAL.FRABIC_SHEAR和PROPERTY.MEM3来模拟。

1.3 安全带模型的建立

假人安全带采用MB-FE混合法建立，由有限元（FE）安全带和传统的多体（MB）安全带组成，如图8所示。混合法建立的安全带模型不仅计算快，还能模拟织带在假人身上两个方向的滑动。建立的安全带模型包括安全带肩带与腰带、卷收器、D环、锚点以及带扣。建立好FE安全带后，需要通过预演算对安全带定位，找到满足力学平衡条件的安全带位置。安全带建模最复杂的问题是FE安全带与乘员的佩戴过程，即FE安全带与乘员的贴合。MADYMO高版本新增加的Belt Fitting功能可以很方便地建立安全带模型并使安全带与假人快速准确地贴合，大大节省了传统建模的时间。安全带预紧和限力作用可以通过MADYMO里面的关键字BELT_PRETENSIONER.PAYIN_TIME和BELT_LOAD_LIMITER来定义，也可以采用铰链约束来模拟。本研究采用的是铰链约束，分别在安全带锚点进行安全带腰带预紧，在卷收器处进行安全带肩带预紧。在卷收器模型以及锚点模型里定义铰链的限力作用。腰带MB部分包括锚点至安全带腰带一末端节点，带扣至安全带腰带另一末端节点；肩带MB部分包括卷收器至D环，D环至安全带肩带FE末端一节点，安全带肩带FE末端另一节点至带扣，通过关键字POINT_OBJECT.MB来定义。安全带织带的刚度曲线如图9所示。

1.4 人-车仿真模型的建立

本研究采用多刚体-有限元分析软件MADYMO建立仿真模型，这是因为MADYMO里面自带有丰富的假人数据库，可以很方便地调用所需的假人模型，且这些模型经过严格的生物学验证，生物逼真度很高。载荷的施加通过关键字MOTION.JOINT_POS加载车体铰链的x、y、z方向加速度和3个方向的角加速度随时间变化的曲线。施加的x、y、z方向加速度与角加速度曲线如图10（a）和（b）所示。

MADYMO后处理软件MadPost可以运用PSM（Prescribed Structure Motion）加载前围板、仪表板等部件的变形，通过关键字MOTION.STRUCT_DISP来调用变形文件[5-6]。此方法是把对乘员损伤影响较大部件的运动情况作为已知的边界条件导入到MADYMO中，通过有限元仿真获得这些部件的侵入量、侵入速度等。该方法建模比较快，相对于有限元仿真CPU的计算时间更短，大大节省了时间和费用，且计算结果具有较高的预测性，对约束系统的开发与乘员保护有很大的现实意义。本研究即采用PSM方法将防火墙等的运动信息导入到MADYMO里面进行计算。PSM计算流程如图11所示。

2 损伤评价准则的选取

通常我们所做的研究是以HIC36(或HIC15)、胸部3 ms准则、胸部压缩量、颈部Nij来衡量假人损伤。但是这些损伤评价标准是以一定的容限水平来评价乘员约束系统设计的。为评价约束系统整体性能，应该有一个包括单个伤害参数的完全伤害准则。基于这种考虑，参考了加权损伤评价准则WIC[7]（Weighted Injury Criterion）来对假人进行综合损伤评价，如式（1）所示，WIC越小，说明约束系统的保护性能越好。

本研究建立了驾驶员侧多刚体-有限元模型，包括部分车身有限元模型、座椅有限元模型、仪表板有限元模型、膝部挡板有限元模型、地板及脚踏板有限元模型、方向盘及转向管柱多刚体模型以及Hybrid Ⅲ 50th多刚体假人模型。同时定义了假人与安全带、安全气囊、座椅以及车体的接触，安全气囊的自接触以及安全气囊与仪表板的接触等。接触的类型包括CONTACT.MB_FE和CONTACT.FE_FE等。建立的约束系统模型如图12所示。

式中，HIC36为头部损伤指标；C3ms为胸部3 ms合成加速度，m/s2；D为胸部压缩量，mm；FFL为左大腿轴向压缩力，kN；FFR为右大腿轴向压缩力，kN。

3 约束系统参数优化

3.1 设计变量的选取

本研究在参考了杨济匡等人研究的基础上[8-9]，选取腰带预紧时间A、气囊起爆时间B、气囊质量流率缩放系数C、安全带刚度系数D、气囊织物泄气系数E、安全带初始松弛量F、气囊体积缩放系数G为研究变量。变量的取值范围如式（2）所示。

3.2 试验设计方法

试验设计方法以概率论和数理统计为理论基础，是研究和处理多因子与响应变量关系的一种科学方法。它通过合理地挑选试验条件，安排试验，并通过对试验数据进行分析，从而找出总体最优的改进方案。试验设计一般须遵循随机化原则、重复性原则、区域控制原则等。拉丁超立方试验设计是一种充满空间的设计，它将每个因素的设计空间都均匀地分开，试验次数可以人为控制，试验方法更加灵活，能以较少的样本点反映整个设计空间的特性，是一种研究多因素试验设计的常用方法[10]。本文选用了拉丁超立方试验设计方法，选取样本点建立了二阶响应面近似模型。

3.3 约束系统参数匹配优化

本文选取拉丁超立方试验设计方法，选取了40组设计变量建立了二阶响应面近似模型，样本点采样结果见表1。

表1 参数优化结果

将试验结果以文本文档的格式导入到ISIGHT软件中建立二阶响应面模型，如式（3）所示。

建立好近似模型后需要对近似模型的精确性进行验证，采用拉丁超立方试验方法重新选取50个样本点，然后从这50个样本点中随机选取5组进行近似模型的验证，见表2。由表2可知，建立的二阶响应面模型的仿真值与近似值的误差都在10%以内，可以认为我们所建立的近似模型满足精度要求，可以对近似模型进行下一步的优化分析。

在ISIGHT的优化模块中选取相应的优化算法对近似模型进行优化，我们选取的是ISIGHT中推荐的序列二次规划算法，此算法主要用于解决带有约束的非线性问题，主要应用于优化问题不是很大，梯度和函数可用很高的精度来模拟的模型。采用此算法优化得到近似模型的最优值WIC为0.31，将此最优设计点代入到MADYMO中进行计算，得到仿真模型在该点处的WIC为0.33，代理模型的优化值与在该点处的仿真值的相对误差为7.7%，达到优化收敛条件，优化过程结束。

优化前后约束系统参数及目标值对比见表3。由表3可知，优化后乘员综合损伤指标WIC值最小为0.33，此时对应的腰带预紧时间A为0.014 s，气囊起爆时间B为0.007 s，气囊质量流率缩放系数C为0.847，安全带刚度系数D为1.000，气囊织物泄气系数E为0.988，安全带初始松弛量F为-0.023，气囊体积缩放系数G为0.772，WIC值相对于优化前提高了8.33%。

优化后假人的运动情况如图13所示。

表2 二阶响应面近似模型的验证

表3 优化前后结果对比

4 结论

本文对车-车30°斜角碰撞中的驾驶员侧头部、胸部以及大腿的综合损伤WIC进行了研究，采用了拉丁超立方试验设计方法建立了二阶响应面模型，对影响驾驶员损伤的安全气囊与安全带约束参数进行了优化，优化后的综合损伤指标WIC减小了8.33%，假人损伤降低得越多对碰撞中安全带与安全气囊匹配设计的要求越高，这也为以后车-车不同角度碰撞中安全带与安全气囊的匹配设计提供了参考。

本文对Yaris-Yaris 30°斜角碰撞中的被撞车Yaris的综合损伤指标WIC进行了优化研究，本项目后续还对Yaris-Taurus、Yaris-Explorer 15°、30°以及45°斜角碰撞分别进行了研究，分析并对比了这3款车作为主动车和被动车时不同车辆质量以及不同车辆刚度的驾驶员损伤情况。如何综合考虑约束系统的匹配参数，使主动车及被动车的乘员损伤都达到一个合理的范围是今后研究的重点。

[1]中华人民共和国2010年道路交通事故统计年报 [M].北京：公安部交通管理局，2011.

The People's Republic of China on Road Traffic Accident Statistics Annual Report [M]. Beijing：Ministry of Public Security Traffic Management Bureau，2011. (in Chinese)

[2]SULLIVAN K，HENRY S，LAITURI T R. A Frontal Impact Taxonomy for USA Field Data [J]. SAE International Journal of Passenger Cars Mechanical Systems，2009，1(1)：406-429.

[3]雷雨成，严斌，程昆. 汽车的碰撞相容性研究 [J]. 汽车科技，2004(1)：15-16.

Lei Yucheng，Yan Bin，Cheng Kun. A Study on Vehicle Crash Compatibility [J]. Automobile Science and Technology，2004(1)：15-16.(in Chinese)

[4]LUND A K，CHAPLINE J R. Potential Strategies for Improving Crash Compatibility in the US. Vehicle Fleet[C]// SAE 1999-01-0066.

[5]陈可明，胡丽娟，胡晏殊. 国内某车型小偏置碰正面碰撞的全面评估 [J]. 汽车安全与节能学报，2013，4(1)：27-34.

Chen Keming，Hu Lijuan，Hu Yanshu. Small-Overlap Frontal-Impact Assessments for a Vehicle Made in China[J]. Automotive Safety and Energy，2013，4(1)：27-34. (in Chinese)

[6]BOSMA F，VAN OORSCHOT E，UNGER M，et al.Side Impact System Integration：BASIS+Sled Testing and MADYMO PSM Simulation [C]//2005 MADYMO China User's Meeting，Shanghai China，November 30，2005.

[7]VIANO D C，AREPALLY S. Assessing the Safety Performance of Occupant Restraint System [C]//SAE Paper No.902328.

[8]刘晖. 代理模型方法在轿车乘员约束系统仿真优化中的应用研究 [D]. 长沙：湖南大学，2008.

Liu Hui.Vehicle Restraint System Simulation Optimization Based on Surrogate Model Method [D].Changsha：Hunan University，2008.(in Chinese)

[9]杨济匡，吴亚军，张斌. 汽车侧面碰撞中头胸部安全气囊的优化研究 [J]. 湖南大学学报(自然科学版)，2010，30(1)：23-28.

Yang Jikuang，Wu Yajun，Zhang Bin. Research on the Optimization of Thorax-Head Airbag for Vehicle Side Im-pact [J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences)，2010，30(1)：23-28. (in Chinese)

[10]刘文卿. 试验设计 [M]. 北京：清华大学出版社，2005.

Liu Wenqing. Experiment Design [M]. Beijing：Tsinghua University Press，2005. (in Chinese)