车对车斜角碰撞中灵敏因子的探究和约束系统的优化∗

颜凌波，张 超，许 伟，曹立波，戴宏亮

(1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039； 2.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

前言

截止2015年，我国的汽车保有量已达到1.72亿量，而预计至2020年我国的汽车保有量将突破2亿辆[1]。汽车数量的增长也带来一系列交通事故问题，对乘员的生命安全造成很大威胁。

据美国公路交通安全管理局NHTSA对汽车碰撞事故形式的分析，在汽车正面碰撞、侧面碰撞和追尾碰撞3种事故类型中，正面碰撞事故所占比例高达49%，且其乘员死亡人数占总死亡人数的比例也高达33.5%，此两项均是第一位[2]。正面碰撞又可分为正面全宽碰撞、正面偏置碰撞和角度碰撞等。而美国Kaye Sullivan等对美国正面碰撞事故中车辆的碰撞位置进行统计的结果表明，碰撞位置在-15°～15°角度范围内的占65.2%，在-15°～-45°和15°～45°范围的共占30%[3]，说明斜角碰撞在正面碰撞中占有一定的比例。

目前，国内外对角度碰撞的研究相对较少。牛卫中等研究了某SUV车型小重叠正面斜角碰撞工况对车体耐撞性的影响[4]；张萍等对车车碰撞条件下某轿车斜角碰撞和小重叠率碰撞的驾驶员损伤进行研究[5]；RUDD R W等研究发现斜角碰撞中安全气囊对乘员的保护效果较差[6]；James Saunders等对安全带参数在30°碰撞中对驾驶员胸部、臀部损伤的影响展开了研究[7]。而约束系统作为直接与乘员接触的车身组件，能在碰撞事故中大大减轻乘员受到的伤害。目前的约束系统主要是针对正面全宽碰撞和偏置碰撞设计的，是否适用角度碰撞有待进一步验证。本文中主要研究不同车型在车车斜角碰撞中显著影响乘员损伤的约束系统灵敏因子，并展开约束系统优化设计，探讨此工况下不同车型在考虑车车碰撞兼容性条件下的约束系统参数优化趋势的异同。

图1 Taurus验证

图2 Explorer验证

1 车车碰撞有限元模型的建立

1.1 整车有限元模型的选择

选用了2010年版丰田Yaris，2001福特 Taurus和2002年版福特Explorer 3款车作为研究对象。3款车的整车有限元模型由美国国家碰撞分析中心(national crash analysis center，NCAC)建立并发布。其中Yaris代表小型乘用车，Taurus代表中型乘用车，Explorer代表SUV车型。NCAC在建立该模型后，将其与整车试验进行了对比验证，其中整车试验数据来自于美国新车碰撞测试中的100%正面碰撞试验，试验的碰撞速度为56km/h，试验号依次为5677[8]，7520[9]和3730[10]。其试验与仿真中的车身变形情况和加速度曲线如图1～图3所示。

由图可知，3款车的模型车体变形和实车变形相近，仿真和试验的加速度曲线吻合较好。

1.2 车车斜角碰撞工况的建立

根据美国国家汽车调查系统耐撞性数据系统(NASS-CDS)1995-1999年的统计结果显示，左侧角度碰撞是发生概率较高的一种车车碰撞模式[11]，同时我国道路交通事故统计结果显示，75%的交通事故中事故车的车速小于50km/h[12]。因此在本研究中设置两车碰撞夹角为30°，碰撞时车速为50km/h，仿真时间为120ms。每次仿真中为同一款车分别设置为目标车和同伴车，研究其在斜角碰撞中两个位置的车身响应，在之后的约束系统灵敏度分析中，综合两者研究该款车的约束系统灵敏因子。

在碰撞有限元模型的驾驶员座椅下方设置加速度传感器输出加速度和转角曲线，将其导入MADYMO模型中。其中，目标车驾驶员侧座椅R点与乘员侧座椅R点的中点作为仿真设置的参考点，并使同伴车的中垂面分别通过这两点来设置仿真模型中同伴车的位置，如图4所示，其中左侧车辆为目标车，右侧为同伴车。

图3 Yaris验证

图4 车车斜角碰撞时两车的位置关系

2 乘员约束系统建立

2.1 PSM模型

利用MADYMO软件采用子结构技术的PSM(prescribed structure motion)法分别建立3种车型的驾驶区碰撞仿真模型。PSM法通过在有限元分析模型中提取必要的零部件，转化为碰撞模型车体的边界条件。这样进行求解较快捷，更适合于样本较多、计算量较大的试验设计。该模型包括车体、假人、安全带和安全气囊；车体包含仪表板总成、地板、左侧车门内饰板、左侧A柱和B柱及驾驶员座椅；安全带模型为有限元与多刚体相结合的混合式安全带，并定义卷收器，包含限力功能和预紧功能，安全气囊点火时刻和充气速率通过对比整车碰撞的试验动画设置，假人采用Hybrid III 50百分位椭球体假人，根据整车碰撞试验假人位置调整仿真假人在车体中的相对空间位置[13]。建立的目标车驾驶员侧约束系统模型(以Taurus为例)如图5所示。建立约束系统模型后，分别按照试验号5677，7520和3730的试验中假人损伤进行验证，100%正面碰撞仿真和试验的损伤差异如表1所示。

图5 建立的MADYMO模型

表1 100%正面碰撞试验与仿真的驾驶员损伤对比

由表1可知，所建立的约束系统模型仿真所得的驾驶员损伤值与试验值误差在10%以内。

2.2 车车斜角碰撞假人响应

根据有限元和多刚体仿真结果可知，在发生车车斜角碰撞后，前方构件吸能较差，导致目标车的车身左侧的仪表板严重入侵乘员空间，且和驾驶员的下肢发生了挤压，对驾驶员的下肢造成较大伤害；由于在斜角碰撞中有一定的Y向加速度，导致在发生碰撞后驾驶员的头部向外偏转，这可能会导致安全气囊未完全发挥作用，也会造成较大的颈部伤害。

同伴车的车头左侧也发生了严重的变形，同样导致了比较严重的驾驶员下肢伤害，发生碰撞后驾驶员的头部未向一侧偏转，头部和其他内饰发生碰撞的风险小于目标车，其状态如图6所示，通过仿真得到车车斜角碰撞时的损伤参数，并计算WIC值，列于表2。

图6 两车驾驶员仿真结束时姿态

表2 3款车驾驶员损伤参数

综合损伤评价指标WIC是针对头部、胸部、大腿等部位的损伤值加权，其表达式为[14]

式中:HIC36为头部损伤指标；Cg为胸部3ms合成加速度；C为胸部压缩量；Fl，Fr分别为左右大腿轴向力最大值。WIC值越小，说明约束系统对驾驶员的保护效果越好。

3 灵敏因子的确定

3.1 建立modeFRONTIER计算模型

为分析各约束系统参数对乘员损伤参数的影响，用试验设计的方法对其展开灵敏度分析。采用均匀拉丁方方法对约束系统参数值在一定范围内进行均匀取值，生成DOE设计表，进行试验。由于计算样本量较大，为提高效率，运用modefrontier进行约束系统参数修改和模型的自动运算。最后采用T检验确定每个约束系统参数对每个损伤指标的敏感程度。

本文中选取的进行分析的约束系统参数包括:气囊参数(包括气囊起爆时间、气体质量流率、泄气孔面积、气囊体积)；安全带参数(包括安全带限力级别、预紧器作用时间、D环摩擦因数)以及坐垫刚度共计8个约束系统参数。

将各约束系统参数以其初始值为基准，结合实际工况选择上下浮动30%-50%作为试验设计的取值范围。各车型约束系统参数取值范围如表3～表5所示。

表3 Yaris约束系统各参数取值范围

表4 Taurus约束系统各参数取值范围

表5 Explorer约束系统各参数取值范围

表6 Explorer灵敏因子分析

表7 Taurus灵敏因子分析

在modefrontier中建立流程图，采用试验设计方法，利用均匀拉丁方方法生成100组约束系统参数，modefrontier自动将计算模型提交至MADYMO进行计算，获得相应的损伤参数值。

3.2 T检验

对仿真数据利用T检验展开统计学分析，确认其统计显著性，客观评价该约束系统参数是否对输出参数有显著作用。灵敏度分析所选取的置信区间为95%，假设检验问题的P值(probablity value)是由检验统计量的样本观察值得出的原假设可能被拒绝的最小显著性水平，当P≤5%时可以接受该约束系统参数对输出结果有显著影响，即认为该约束系统参数为其灵敏因子。

评价指标包括头部、颈部、胸部、大腿和小腿的损伤。其中头部损伤包括HIC36和3ms合成加速度；颈部伤害包括颈部剪切力、颈部张力和颈部弯矩；胸部伤害包括胸部压缩变形量、胸部黏性指标和胸部3ms合成加速度；大腿损伤包括大腿轴向力和膝盖滑移量；小腿损伤包括小腿轴向力和小腿胫骨指数。

当某个约束系统参数对某损伤值变化起显著作用时，则认为该参数为该损伤部位的灵敏因子。整理归纳出的约束系统灵敏因子如表6～表8所示。

由表可知，在车车斜角碰撞工况中，对于目标车而言，以Explorer， Taurus， Yaris为代表的SUV、中型车和小型车的共同灵敏因子包括安全气囊起爆时间、气体质量流率、泄气孔面积、安全带预紧器作用时间和限力级别。而对于同伴车而言，共同的灵敏因子比目标车多一个安全气囊体积。

其中，对乘员头部伤害有显著影响的约束系统参数主要有气囊起爆时间、气体质量流率、泄气孔面积和安全带预紧器作用时间及限力级别；

对乘员颈部损伤有显著影响的约束系统参数为气囊起爆时间、气体质量流率、泄气孔面积、气囊体积、安全带预紧器作用时间和限力级别；

对乘员胸部损伤有显著影响的约束系统参数主要是气囊起爆时间、气体质量流率、泄气孔面积和安全带限力级别；

对乘员大腿有显著影响的约束系统参数主要为气囊起爆时间、气体质量流率、安全带限力级别和预紧器作用时间；

对乘员小腿有显著影响的约束系统参数主要为气囊起爆时间、气体质量流率、安全带限力级别和预紧器作用时间。

以上结果符合人们的常规认知。气囊参数中，其起爆时间、气体质量流率和泄气孔面积、气囊体积共同决定了乘员头部和胸部在接触气囊时气囊的状态，头部与气囊在适当的位置接触且气囊软硬适中，才能对乘员提供较好的缓冲和保护。安全带限力级别和预紧器作用时间影响着作用在乘员上半身的拉力和持续时间，从而影响着乘员向前运动幅度，同时也会影响乘员胸部的压缩量、乘员上半身与气囊接触的时间和下肢向前运动的位移。安全带和安全气囊等约束系统参数的合理匹配才能对乘员提供较好的保护。

表8 Yaris灵敏因子分析

4 参数优化

4.1 优化方法和目标

以约束系统参数灵敏因子对目标车和同伴车展开优化，并通过综合损伤评价指标WIC衡量乘员损伤程度，以WIC最小作为优化目标。

目前在乘员约束系统优化研究中，最广泛应用的是基于响应面法的系统代理模型，可以通过建立含有设计变量的近似函数来拟合系统响应。

本文中采用Modefrontier软件进行约束系统的优化。将约束参数输入和损伤输出利用径向基函数方法(radial basis function，RBF)生成响应面模型，利用遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithmⅡ，NSGA-Ⅱ)[15]进行40代优化运算，每代组合数为50，总共2 000次迭代，获得此工况下最佳的约束系统设计参数。

4.2 参数优化

为使乘员损伤WIC值尽可能降低，通常是对每一辆车单独展开优化，利用modefrontier进行迭代后，各约束系统参数将趋于最佳设计值，即为该车的最佳参数设计组合。优化结果如表9～表10所示。

表9 单独优化后的参数组合

表10 单独优化前后WIC值对比

优化后相比其WIC原值均有较大下降，约束系统参数能够对乘员有更好的保护效果。在这3种车型中，同伴车相对目标车而言，有较大的泄气孔面积，且气囊起爆时间、气囊体积、预紧器作用时间等都存在一定的差距，约束系统参数优化方向会存在一定的偏差。因此，在约束系统设计时，采用目标车的最佳优化组合对同伴车的乘员未必能起到较好的保护效果，反之亦然，车车角度碰撞中兼容性并不是很好。且为使约束系统同时对目标车和同伴车都能起到很好的保护效果，通常在两车的约束系统优化取值中进行统计筛选，寻找交集，比较繁琐。

从车车碰撞兼容性角度出发，此处以两辆车乘员WIC值最低作为优化目标展开:以一组约束系统参数组合作为输入，以两车的损伤值作为输出，并以WIC值之和最低作为优化目标，采用RBF建立新的响应面模型展开优化。

选择最后结果中的约束系统参数组合，此时目标车和同伴车的乘员WIC之和能够达到最小，对两个工况下的乘员都能起到较好的保护作用。并对结果数据进行响应面验证，使其精度满足要求。优化前后的各车型参数组合和优化前后损伤值对比如表11～表16所示。

表11 Yaris优化前后参数组合

表12 Yaris优化前后乘员损伤情况

表13 Taurus优化前后参数组合

表14 Taurus优化前后乘员损伤情况

表15 Explorer优化前后参数组合

表16 Explorer优化前后乘员损伤情况

对于小型车型，在优化前后，气囊点火时刻有较大延迟，气囊气体质量流率略有增加，泄气孔面积减小，气囊体积稍小，安全带预紧器作用时间也略有延迟。在这样的约束系统参数组合下，Yaris车型目标车乘员由于 HIC36值大幅度下降，使 WIC值下降34.9%；同伴车的乘员头部伤害和胸部伤害均有所改善，使WIC值也下降11.1%。

对于中型车型，在优化前后，气囊点火时刻稍提前，气体质量流率略有增加，泄气孔面积增大，限力级别降低。最后使目标车乘员胸部伤害得到改善的同时也并未增加头部损伤值；同伴车乘员的头部和胸部的损伤均有较好改善。综合参考WIC值，目标车乘员的WIC值下降4.5%，而同伴车乘员的WIC值下降28.6%。

对于SUV车型，在优化前后，气囊点火时刻延迟，气体质量流率略有增加，泄气孔面积增大，限力级别降低。最后使目标车乘员的HIC36和胸部3ms合成加速度有改善；同伴车乘员的HIC36和胸部压缩量有较好改善。综合参考WIC值，目标车的乘员WIC值下降17.9%，而同伴车的乘员WIC值下降12.5%。

综上所述，在车车斜角碰撞工况中，目标车和同伴车的乘员综合损伤值WIC之和达到最低。每个乘员损伤都得到不同程度的降低，都能获得较好的保护，车车兼容性较好，且与单车最佳优化结果差距较小。

另外，从优化结果可以发现，车车斜角碰撞中SUV、中型车和小型车3种不同车型的约束系统参数优化趋势并不完全相同，但也存在一定的共同点:优化后气囊气体质量流率增加，而安全带的限力级别降低。对于原来损伤较大的车型，气囊体积增大。

5 结论

针对Yrais，Explorer，Taurus 3款车型为代表的小型乘用车、中型乘用车和SUV的车车30°斜角碰撞仿真以及试验设计，进行该工况下的约束系统优化，得到以下结论。

(1)在30°车车斜角碰撞工况下，不同车型具有相近的约束系统灵敏因子，这些灵敏因子为:安全气囊的起爆时间、质量流率、泄气孔面积、气囊体积、安全带限力级别和预紧时间。

(2)在30°车车斜角碰撞工况下，相比对每辆车单独进行优化，以两辆车的WIC值最小作为优化目标进行优化时，能同时降低目标车和同伴车的乘员损伤值，获得更加良好的车车碰撞兼容性。

(3)在30°车车斜角碰撞工况下，不同车型的约束系统参数优化趋势并不完全相同，但仍有一定共同点，即优化后气囊气体质量流率趋于增加，安全带的限力级别趋于降低。