兼顾女性驾驶员的约束系统研究

葛如海,黄凯凯，应 龙

(1.江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江212013; 2.无锡职业技术学院， 江苏 无锡 210848；3.上海市东方久乐安全气囊有限公司， 上海 201201)

兼顾女性驾驶员的约束系统研究

葛如海1,2,黄凯凯1,3，应 龙1

(1.江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江212013; 2.无锡职业技术学院， 江苏 无锡 210848；3.上海市东方久乐安全气囊有限公司， 上海 201201)

近年来，女性驾驶员人数逐年增加，但汽车约束系统的开发多以男性驾驶员为研究目标，如何更好地保护身材矮小的女性驾驶员成为被动安全领域一个亟待解决的问题。运用多刚体动力学分析软件(MADYMO)建立某款车型正面碰撞的乘员约束系统仿真模型，将仿真结果和实车试验碰撞结果进行对比，验证模型的有效性。利用引入的综合伤害指标WIC以及WICF作为优化目标，通过正交试验及极差分析法，综合选取兼顾男女驾驶员的优化参数；在分析男性驾驶员模型最优解的基础上，利用逼近准则，选择9组符合要求的参数组合代入女性驾驶员模型，利用提出的加权函数WICA对男女驾驶员伤害进行兼顾优化。最后经与初始模型对比发现：男女驾驶员伤害在优化后都得到显著减少，达到兼顾女性驾驶员约束系统研究的目的。

汽车被动安全;女性驾驶员;正交试验;极差分析;综合伤害指标

随着我国经济的快速发展，女性驾驶员群体增长十分迅速。据公安部交管局统计的数据显示，截至2015年底，男性驾驶员2.4亿人，占比74.29%，女性驾驶员8 415万人，相比上一年的7 092万人增加1 323万人，占比25.71%[1]。而目前车辆上匹配的乘员约束系统大多是以男性驾驶员为基础进行设计的，对身材相对矮小的女性驾驶员考虑较少，这在一定程度上限制了驾驶员约束系统的性能。在美国，碰撞法规FMVSS208规定了研究女性驾驶员安全的碰撞工况。在2015版Euro-NCAP试验要求中首次增加了针对第五百分位女性驾驶员的完全正面碰撞工况。由此可见，增加女性驾驶员碰撞工况是国际研究趋势，我国新车评价体系也将向此发展。因此，研究女性驾驶员约束系统的匹配和兼容性具有较大的现实和法规意义。

Paulo Morassi 等[2]通过在相同约束系统及碰撞波形下应用 5th、50th、95th驾驶员模型的研究发现，5th女性驾驶员在头部 HIC、颈部 My 以及胸部压缩量上明显高于50th男性驾驶员，而颈部轴向力及大腿轴向力则要小于50th男性驾驶员。张学荣等[3]研究了 50th、5th、95th驾驶员在相同约束系统和碰撞波形下的伤害情况，针对存在的问题设计了可根据乘员身材调节气囊排气孔面积和座椅安全带限力器水平的智能约束系统。长安大学的潘如杨等[4]运用MADYMO 仿真软件对女性驾驶员的伤害进行分析，认为同一车型50 km/h正面碰撞工况中，女性驾驶员受到的伤害比男性大，并通过调节转向管角度、安全气囊点火时刻等方法对女性驾驶员的安全性进行了优化。

考虑到之前的研究都是基于单独分析男性驾驶员或者女性驾驶员的碰撞伤害，并没有兼顾男性和女性驾驶员的共同优化。本研究基于通过验证过有效性某车型正面碰撞仿真模型，选择正交试验及极差分析法，同时利用提出的综合伤害指标，对男女驾驶员模型进行兼顾优化。

1 驾驶员侧仿真模型的建立与验证

本研究以国内某品牌A级车为原型，利用该车型的三维空间定位数据及约束系统参数，建立该车型正面碰撞驾驶员侧约束系统仿真模型，并以实车在正面全宽碰撞试验中获得的数据为基础进行对标，保证仿真模型的有效性。

1.1 男性驾驶员仿真模型的建立

正面碰撞驾驶员侧仿真模型包括车内环境模型、转向系统模型、假人模型、安全带及气囊模型，图1所示为驾驶员侧模型在软件内的各个系统模块。将实车试验采集的数据，例如：B柱加速度曲线，车体碰撞Z向轨迹，假人H点，假人骨盆角等导入MADYMO模型，添加碰撞加速度曲线及各个部件之间的接触，并调整假人坐姿与试验状态相同[5]。

图1 约束系统模块

1.2 男性驾驶员模型的有效性验证

通过对模型进行一系列的校正工作，将模型与实车碰撞试验的结果作比较验证,模型曲线对标结果如图2(a)～(f)所示，模型校正后的仿真与试验的结果如表1所示。

图2 仿真曲线与实车试验曲线对比

参数HIC36H3MS/gThpc/mmT3MS/g试验654．9468．4736．1359．03仿真625．0665．8538．2452．46误差/%4．563．835．8411．13

从假人各部位伤害的力、加速度以及位移曲线可以看出，基本满足“起始时刻、形状、峰值、峰值时刻及脉宽”等基本特征与试验曲线相似的要求。从表1可以看出：模型假人各部位伤害指标都控制在15%以内，满足对标要求，模型可用于该约束系统的后续优化研究。

1.3 女性驾驶员模型的建立

在女性驾驶员约束系统模型仿真分析时需要将上述男性驾驶员模型中第五十百分位男性假人替换为第五百分位女性假人，并按照2015版Euro-NCAP对于完全正面碰撞测试的假人定位要求，将驾驶员的座椅位置由滑轨中间前移至前后行程的最前端(由于车座椅前后行程为240 mm，故将整个座椅模型前移120 mm)，座椅高度也由中间位置调至上下行程的最高位置(由于此车座椅上下可调行程为80 mm，故将整个座椅模型上移40 mm)，假人H点调整对应位置(-0.12 0 +0.04)[6]，并同时调整第五百分位女性假人坐姿。通过MADYMO自带的安全带匹配器重新拟合安全带,得到女性驾驶员模型。图3所示为女性假人及男性假人在同一个约束系统里的y轴视图。

图3 男、女假人在同一约束系统的y轴视图

由图3可见：使用相同的约束系统时，第五百分位女性假人比第五十百分位男性假人更靠近方向盘，这将导致女性假人比男性假人更早地接触到气囊。图4为碰撞发生0、30、45、60 ms时的男、女驾驶员模型运算对比瞬态图(上：男性驾驶员；下：女性驾驶员)。通过对比可知：女性驾驶员直接使用该约束系统，将更早地接触气囊，所受到的伤害也将更加严重。

图4 0、30、45与60 ms男女驾驶员模型动画对比

由图5的男性与女性驾驶员头部加速度曲线对比可以明显地看出：女性驾驶员头部加速度峰值比男性驾驶员更大，女性驾驶员在该系统参数下的60 ms时达到了第一个峰值，并且高达70.3g。此外，安全气囊气袋在未完全展开时如果与乘员的胸部和颈部相接触，其继续展开产生的巨大膜张力将对乘员的头部和颈部造成伤害(薄膜效应)[7]。由前所述，原模型气囊完全展开时间是以男性假人为基准，女性驾驶员在位置相对靠前的情况下，使用原模型约束系统各参数值，将导致女性假人头部在气囊未完全展开时就冲撞气囊，使女性假人头部加速度更早地达到峰值并且数值较大。后续研究时，需要考虑将该约束系统更好地兼顾，以防止女性驾驶员受到伤害。

图5 男、女驾驶员头部加速度对比曲线

2 约束系统模型的优化设计

2.1 正交试验设计

正交试验设计包括试验指标、试验因素、因素水平[8]。正交试验设计的主要工具是正交表，本研究应用的正交表有7因素3水平正交试验表以及5因素4水平正交试验表。

2.2 男女驾驶员完全伤害评价指标的引入

2.2.1 男性驾驶员综合伤害指标

在对男性驾驶员模型进行正交极差分析的时候，选取可以综合评价约束系统的整体性能的完全伤害评价指标 WIC 作为目标函数，WIC定义如式(1)所示[9]。

(1)

其中：HIC36为头部伤害准则，数值为36 ms；T3MS为胸部3 ms合成加速度(g)；Thpc为胸部压缩量(mm)；Fleft为左大腿峰值(kN)；Fright为右大腿力峰值(kN)。

2.2.2 女性驾驶员综合伤害指标

对女性假人模型进行正交极差分析，本研究引入式(2)所示的正面全宽碰撞女性驾驶员综合伤害指标WICF作为目标函数进行计算分析。经表2对比和分析得知：女性假人头部损伤准则(15 ms)、头部3 ms合成加速度、胸部压缩量、颈部弯曲力矩与2015版Euro-NCAP规定的正面碰撞伤害低性能限值比较接近，所以选用这4个伤害指标作为公式变量。其中，HIC15、H3MS、Thpc这3个伤害值与Euro-NCAP低性能限值相比更加靠近，故在公式中所占的权重比较大，分别为0.3、0.3与0.35，具体如式(2)所示。

(2)

其中：HIC15为头部伤害准则，数值为15 ms；H3MS为3 ms合成加速度(g)；Thpc为胸部压缩量(mm)；MOCy为颈部弯曲力矩(N·m)。

2.3因素水平选择

在进行灵敏度分析之前，需要从众多约束系统参数中选取对系统性能影响较大、且容易修改的参数进行灵敏度分析。经过正面碰撞模型假人运动状态分析以及系统参数对假人各部位伤害影响程度的分析，本研究从大量的约束系统参数中选出7个参数来进行灵敏度分析，这7个参数分别是：气囊点火时刻，气囊排气孔直径，气体质量流率，气囊拉带长度，安全带织带延伸率，安全带限力等级，安全带肩带与假人(表面)之间的摩擦因数。

表2 初始模型与法规限值对比

利用正交表对这7个因素安排正交试验。由于因素较多，本研究为每个参数选取3个水平进行试验分析，最终确定使用7因素3水平的因素水平表，共安排18次试验。参照参数在实际中的变化范围确定因素水平在初始系统参数水平基础上的变化幅度，具体如表3所示。

表3 因素水平

2.4 因素灵敏度分析(极差分析)

首先对男性驾驶员模型安排试验，并利用本文2.2.1节介绍的综合伤害指标WIC来综合评价男驾驶员模型，利用极差分析法(R法)来确定试验因素的影响程度。

2.4.1 极差分析法(R法)

R法计算内容和主要步骤如图6所示[10]。

图6 极差分析法(R法)示意图

(3)

Rj反映了第j因素水平变动时试验指标的变动幅度。Rj大说明变更该因素对设计响应特征有较大的影响，设计时改变参数值要慎重；Rj小说明变更该因素对目标值影响相对较小，在设计时可以根据其他的需要适当改变设计值。因此，依据极差Rj的大小就可以判断因素对目标值灵敏程度的大小。

2.4.2 男性驾驶员模型参数灵敏度分析

利用7因素3水平安排18组试验，利用MADYMO软件作为求解器分别计算这18组不同参数组合的模型。结合综合伤害指标WIC分别算出18个相对应的评价指标值，通过极差分析法得出表4所示的数据(表4中A-G是表3中相对应的参数；Xj代表j因素不同水平相应综合伤害指标和；Kj代表j因素不同水平相应综合伤害指标平均值；Rj代表j因素综合伤害指标平均值极差)。

表4 针对WIC的正交试验数据分析

综合上面的数据可以得出7个因素对男性假人模型的响应程度，按灵敏程度从大到小分别为：气囊点火时刻，气囊排气孔直径，肩带与假人之间摩擦系数，气囊拉带长度，安全带限力水平，气体质量流率，安全带织带延伸率。

由于极差分析得到的参数灵敏度排序是因素在其他参数共同变化下该参数对系统响应的灵敏程度，能够真实地反映参数对目标函数的影响趋势，故在此基础上进行7因素单因素灵敏度分析，证实该排序与单因素对目标函数的灵敏度排序一致。

2.4.3 女性驾驶员模型参数灵敏度分析

在进行女性驾驶员正交试验及极差分析的过程中，利用2.2.2节引入的WICF作为目标函数来评价伤害程度，运用分析男性驾驶员模型的方法进行分析计算，数据如表5所示。

表5 针对WICF的正交试验数据分析

通过分析得到女性驾驶员模型7个参数灵敏度的排序为：气囊点火时刻，气囊排气孔直径，气囊质量流率，安全带限力水平，安全带织带延伸率，肩带与假人之间摩擦因数，气囊拉带长度。经单因素灵敏度分析发现，与该灵敏度排序一致。

2.4.4 约束系统参数的综合分析及选取

在分析了7个参数对男性与女性驾驶员模型灵敏程度的基础上，需要进一步综合分析及选取5个约束系统参数进行接下来的优化设计。本研究提出如下思路：首先选取2～3个对男女驾驶员模型响应都比较灵敏的参数，然后在余下的参数里选择对女性驾驶员模型比较灵敏而对男性驾驶员模型相对不灵敏的系统参数。按照所述思路进行分析筛选，确定对男女驾驶员模型响应都比较灵敏的参数为气囊点火时刻、气囊排气孔直径和安全带限力水平这3个参数。由于最终参加优化设计的为5个参数，所以在余下的参数中再次筛选2个参数。经过分析比较，确定这2个参数分别为气囊气体质量流率和安全带织带延伸率。

最终确定的5个参数为气囊点火时刻、气囊排气孔直径、安全带限力水平、气囊气体质量流率、安全带织带延伸率。

2.5 男性驾驶员模型的正交优化

运用正交试验，选取5因素4水平正交表，安排16次试验，并通过本文2.4.1节介绍的极差分析法处理数据，得到针对完全伤害评价指标WIC的最优参数组合。在单因素对假人各部位伤害影响趋势分析基础及参数在实际中的变化范围确定具体因素水平，因素水平见表6，以WIC为目标的正交试验的数据分析见表7。

表6 因素水平

表7 以WIC为目标的正交试验的数据分析

续表(表7)

选取伤害值最低的水平为相应参数最优组合的水平，通过表7的数据处理情况来看,最优参数组合为A4B1C1D1E2。通过查看发现，安排的16组试验中没有这样的组合，因此在MADYMO中再进行1次模拟试验，以验证优化效果，得到WIC值0.519 6为最优解。

2.6男女驾驶员模型约束系统的兼顾优化

本研究将本文2.2.1节的WIC与2.2.2节引入的WICF综合伤害指标通过加权的方法结合在一起，称为兼顾正面碰撞男女驾驶员的综合伤害指标WICA。根据公安部交管局公布的统计数据，可以得出至2015年底全国男女司机人数的比例约为7∶3，因此设置WIC之前的加权因子为0.7，WICF之前的加权因子为0.3，具体如式(4)所示。

WICA=0.7·WIC+0.3·WICF

(4)

依照不同约束系统参数组合对应的WIC值接近2.5节男性驾驶员模型最优解WIC值这一思路，通过微调气囊气体质量流率和安全带织带延伸率这两个对男性假人伤害相对不灵敏的参数，选出9组约束系统参数组合。然后，分别将这9组参数组合代入女性驾驶员仿真模型进行运算，求得每组相对应的WICF值。

利用提出的综合伤害加权公式WICA对男女驾驶员综合伤害指标进行加成，具体数据如表8所示。表8中：A代表气囊排气孔直径缩放系数；B代表气囊点火时刻；C代表安全带限力水平缩放系数；D代表安全带织带延伸率；E代表气囊气体质量流率缩放系数。

WICF值越小，男女驾驶员伤害综合值越小。从表8可以得出：第1组参数组合为本研究得出的兼顾男女驾驶员约束系统最优参数组合。

表8 男女综合伤害数据分析

3 男女模型优化前后假人伤害对比

由表9的男性驾驶员模型优化前后伤害对比，可以得到以下结论：目标值WIC的优化程度较大，达到了16.48%，其他4个伤害指标也都得到明显的优化，其中颈部弯矩优化效果最好，达到了33.3%。

表9 男性驾驶员模型优化程度

从表10可以得出以下结论，优化效果最好的是头部HIC15，其次是头部3 ms加速度，然后是胸部压缩量，颈部弯矩在欧标规定的高性能限值内有所上升。图7所示为女性驾驶员优化前后的头部合成加速度对比图，综合表10与图7，可得出女性驾驶员头部伤害得到显著地降低，此约束系统很好地兼顾了女性驾驶员。

表10 女性驾驶员模型优化程度

图7 女性驾驶员优化前后头部加速度对比

4 结论

1) 本研究提出了正面碰撞工况兼顾男性与女性驾驶员的综合伤害指标WICA，以及评价女性驾驶员的综合伤害指标WICF，同时引入了在同一个约束系统中兼顾优化男女驾驶员伤害的研究思路，包括优化参数的选取、兼顾方法，经优化结果证实本研究的思路可行。

2) 通过对初始模型进行兼顾优化，使得男性假人的各种伤害得到很大程度的降低，并利用引入的综合伤害指标对男女伤害进行加权优化，使得女性假人的伤害程度也得到一定程度的降低，尤其是头部伤害优化明显。女性假人胸部压缩量在欧标规定的低性能限值内优化程度不高，后续将针对这一伤害指标做进一步研究，比如：气囊用双级点火发生器。

3) 在男女驾驶员兼顾研究的思路方面，利用逼近准则选取了9组参数组合。后续研究将增加选取样本的个数，分析目标值WIC是否与变量成固定的线性关系。

[1] 2015年全国机动车驾驶人3.27亿人女性占25.71%[EB/OL].2016-1-25.http://news.xinhuanet.com/local/2016-01/25/c_128667495.htm.

[2] MORASSI,BLINDER P,AKIOSSI L,et al.Effectiveness of a vehicle restraint system considering different anthropometric human standards[J].SAE Technical Paper,2010,29(9):15-25.

[3] 张学荣.正面碰撞不同身材成员保护约束系统地设计[J].汽车工程，2007，29(8)：669-672.

[4] 潘如杨,王桃英,郭庆祥.女性汽车驾驶员正面碰撞伤害分析及安全性能优化[J].汽车实用技术，2014(4):46-51.

[5] 2008,TNO MADYMO BV.Application Manual Version7.0[S].

[6] 2014,Euro-NCAP full width frontal impact testing protocol [S].

[7] 武晓林.双级气体发生器安全气囊仿真研究[D].长春:吉林大学,2015.

[8] 周诗纬.汽车正面碰撞中智能约束系统的仿真分析[D].长沙:湖南大学,2011.

[9] 洪亮.多工况下驾驶员座椅被动安全性研究[D].镇江:江苏大学,2014.

[10] 杜亮.汽车正面碰撞驾驶员侧约束系统模型建立与性能优化[D].锦州:辽宁工学院,2007.

(责任编辑杨黎丽)

ResearchonRestraintSystem:TakingintoFemaleDriver

GE Ruhai1,2, HUANG Kaikai1,3, YING Long1

(1.School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China；2.Wuxi Institute of Technology， Wuxi 210848， China；3.Shanghai East Joy Long Corporation, Shanghai 201201, China)

Currently, the number of female drivers increases year by year, but the development of automotive restraint systems mostly focuses on male drivers as the research target, how to protect the diminutive female drivers better has become a serious problem in the field of passive safety. MADYMO software has been used to establish a driver constraint system model for impact simulation for a certain type of car. The simulation and real vehicle collision test results were compared to verify the validity of the emulational model. It selects sensitive parameters both male and female drivers by orthogonal test and range analysis, and based on this condition it optimizes the model of male drivers firstly, and then uses approach criterion, selects parameter combinations of several groups of objective function values close to the optimal solution and puts them into the female driver model calculated, and uses weighting function to optimize both men and women drivers’ model. Finally, compared with the original model, the optimal degree of injury of the male and female pilots are optimized.

automotive passive safety;female drivers;orthogonal test;range analysis;comprehensive damage index

2016-11-17

中国博士后科学基金资助项目(2013M541607)

葛如海(1957—)，男，江苏如皋人，教授，博士生导师，主要从事汽车主被动安全研究；通讯作者 黄凯凯(1991—)，男，江苏南通人，硕士研究生，主要从事汽车被动安全研究，E-mail：18252585327@163.com。

葛如海,黄凯凯，应龙.兼顾女性驾驶员的约束系统研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(11):16-24.

formatGE Ruhai, HUANG Kaikai, YING Long.Research on Restraint System:Taking into Female Driver[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):16-24.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.003

U461.91

A

1674-8425(2017)11-0016-09