某车型正面碰撞颈部My分析及优化

方锐　栗国　董文楷

摘 要：本文针对某车型在C-NCAP 100%正面碰撞摸底试验中前排乘员假人颈部My超标问题，建立前排乘员的约束系统模型，通过仿真模型对标及分析优化，提出修改气囊造型的解决方案。最终经过整车试验验证，颈部My改善明显，优化方案有效。

关键词：前排乘员;颈部My;优化

1 引言

当今，大部分消费者将汽车安全性能纳入购车参考指标，如何确保在交通事故中人身安全变得尤为重要。颈部作为人体神经及血管高度集中部位，确保在C-NCAP试验中颈部满分已成为汽车安全研发人员的必要工作。碰撞试验中颈部如出现问题，多数情况由颈部My过大引起;如何分析颈部My问题、并制定相应优化方案成为新车研发过程中重要的一部分。

本文主要是针对某车型的正面碰撞整车试验中的前排假人颈部My进行分析，通过仿真计算，对PAB气囊造型进行更改，最终整车试验验证优化方案可行有效。

2 颈部My伤害机理分析

在C-NCAP正面碰撞试验中前排乘员使用第50百分位混Ⅲ男性成年假人。假人颈部是由四个不均匀的橡胶块块与铝板连接而成的单一结构体，一钢丝绳穿过颈部中心连接到两端的平板上，上端的平板通过一枢轴与假人头部内上颈部传感器连接[1];零部件构造及假人颈部传感器位置如图1、图2所示。

依据假人颈部传感器对应坐标系，颈部My正负方向如下：下巴向胸部转动为正方，下巴远离胸部为负[2]，C-NCAP中规定假人颈部My得分判定依据为修正后颈部My负向最大值[3];结合颈部My方向，对碰撞过程中假人颈部My变化情况进行分析，颈部My变化可分为三个阶段：

碰撞初期阶段：车体接触刚性墙体后速度急剧降低，ECU信号触发安全带点火开关而假人由于惯性作用持续向前运动，受安全带对胸部的约束作用，头相对胸部向前运动，颈部My从预紧作用到限力起作用负向逐渐增大;

假人接触气囊阶段：头部、颈部与气囊接触，气囊向后方施力，缓冲头部运动，胸部继续向前运动，头相对胸部向后向上转动，颈部My负向增大明显[4];

气囊泄气假人回弹阶段：随着气囊泄气接近完成，头部与胸部相对位移减小，趋于平衡，颈部My由负向逐渐降低到正向增加，直至假人回弹结束。

3 假人颈部My超标原因分析

某车型在C-NCAP 100%偏置碰撞摸底试验中，前排假人颈部得分为0.74分。具体情况为前排假人颈部伤害值剪切力Fx、张力Fz满分，颈部伸张弯矩My偏大导致失分，伸张弯矩My曲线如图3所示。

观察颈部My曲线可发现，在86ms出现负向峰值，该时刻假人已与气囊接触，肩带力及骨盆加速度无异常状况，所以推断颈部My的超标是由气囊接触异常引起。从试验顶部录像可发现，在气囊完全展开到假人头部与气囊充分接触之前，都未与风挡玻璃接触;该情况下，气囊由于点爆后产生大量气体，气囊内部压力变大，若仪表板与风挡玻璃无法充分支撑气囊，气囊会出现上下波动情况。

通过观察气囊静态起爆试验发现，气囊充满后，气囊重心落于仪表板外，仪表板無法充分支撑气囊，气囊处于上下波动状态，与整车试验预想一致。气囊在此状态下，假人与其接触，头部受力不稳定，最终导致颈部My超标。

4 仿真模型建立

通过碰撞仿真分析软件创建包括仪表板、座椅、安全气囊、安全带、地板、风挡玻璃等在内的前排乘员约束系统仿真模型，将Hybrid Ⅲ50百分位男性假人带入模型中，利用实车试验中量取的乘员空间参数对其进行空间定位。

将整车试验中采集的左侧B柱下X方向加速度作为仿真模型的加载脉冲，安全带、座椅等其他零部件相应性能参数通过零部件试验获取，带入仿真模型中;PAB（前排乘员侧安全气囊）按整车设计位置带入模型中，确保气囊模块角度与整车摆放角度一直，减少角度误差引起的伤害值差异;通过调整各个参数，对假人肩带力，骨盆加速度，大腿力，胸部加速度及压缩量等主要伤害值进行对标，其中颈部My对标拟合度达到90%，颈部My仿真曲线与试验曲线趋势及峰值基本吻合，满足对标要求。

5 颈部My优化

在仿真模型搭建过程中发现，PAB气袋展开后体积偏小，与仪表板造型、风挡玻璃与仪表板之间夹角匹配不合理;仿真动画中，PAB在完全展开状况下，不能与风挡玻璃完全贴合。

为验证颈部My问题为气囊问题引起，采用在仿真模型中将其他气袋体积较大的PAB与其替换进行运算，替换过程中，确保PAB气囊位置及角度不变;观察替换后仿真动画可发现PAB气袋体积变大后，气囊展开后与仪表板及风挡玻璃充分接触，受到支撑效果明显增强，仿真结果中，颈部My减小明显，因此可确认颈部My伤害值过大由气袋造型设计缺陷引起。

考虑到设计成本问题，最终确认优化方案为：在原气体发生器的情况下，对气囊气袋造型进行重新设计;由于气囊气体发生器未更换，为保证压力一定，因此重新设计气袋需确保气袋体积不发生改变。

首先使用CATIA软件对PAB气袋造型进行重新设计，将新包型气袋带入仿真模型中，更换前后仿真动画对比如图4、图5所示;新气囊展开后能够与风挡玻璃紧密贴合，碰撞过程中相比于原气囊，能够稳定支撑假人头部，仿真结果显示颈部My改善明显。

对重新设计的气袋进行实体加工后，进行体积测量和气袋静态展开试验测试，设计前后的两种气袋静态进行展开试验;静态测试试验结果无异常现象，可将新设计气袋装配于整车中进行优化方案验证。

6 整车试验验证

将重新设计的PAB装配于整车中进行正面100%碰撞试验，由优化前后对应时刻试验高速录像对比发现，假人头部接触位置及运动状态改善明显，颈部My由60.5Nm降低到39Nm，如图6所示，分数提高1.15分;且胸部压缩量也明显改善;整车试验结果与仿真结果接近，PAB气袋造型修改方案可行有效。

7 结语

本文针对某车型在C-NCAP 100%正面碰撞摸底试验中出现的前排乘员颈部My超标问题，建立了前排乘员MADYMO仿真模型，并对其关键伤害指标进行对标，然后对PAB气袋造型进行优化。最终颈部得分由0.74分提升到2分，优化效果显著。由本文可以得出以下结论：

碰撞试验中仪表板不能充分支撑展开后的气囊，且气囊与风挡玻璃不贴合，在展开过程中发生抖动，假人头部与不稳定气袋接触，容易导致假人颈部My出现问题;而对气囊气袋进行重新设计，颈部My可得到改善;此优化方案对颈部伤害优化有一定参考意义。

参考文献：

[1]李建功，李三红，张雄辉.安全气囊和安全带对假人上颈部伤害的研究[C].2011年第14届中国汽车安全技术国会议， 2011

[2]鞠春贤，岳国辉.车辆碰撞中假人颈部伤害机理研究[C].2011年第14届中国汽车安全技术国会议，2011.

[3]C-NCAP官网：http：//www.c-ncap.org/C-NCAP/lib/images/2015.pdf.

[4]商恩义，李洪梅.正面碰撞试验中假人颈部伤害分析方法的研究与应用[J].上海汽车，2010（6）.