后排女性假人下潜控制设计方法研究

欧阳俊，卢 静，郑 颢，岳 鹏，王玉超

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广州 511434）

乘员下潜是指汽车在发生正面碰撞事故时，腰部安全带陷入腹部并给腹部软组织造成受伤的现象[1-2]，这种现象更容易发生在后排乘坐的5%女性假人身上[3]。

为了降低后排女性乘员受到这种伤害的风险，在最新版的中国行车评价规程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）中，增加了对后排5%女性假人发生下潜的评价[4]，后排防下潜设计成为各主机厂碰撞安全方面的重点开发工作。 焦志勇等[5]提出了加强座椅结构和缩短锁扣长度的解决方案；唐亮等[6]对乘员下潜判断准则进行了研究； 张啸等[7]对比分析了后排5%女性假人下潜的机理，并提出了若干防下潜的解决方案。上述文献主要是针对设计验证阶段出现的下潜问题提出了临时性解决方案，存在调整难度大的问题，或是概念指导方案，存在工程指导意义小的问题。主机厂在进行防下潜设计时，需要重复对防下潜方案进行设计和验证。由于安全带点位及防下潜结构位置直接影响到周边众多环境件的布置，在设计后期进行设计变更会造成高昂的开发成本。因此，如何在概念阶段一次性解决乘员下潜的问题是主机厂在防下潜设计时最为关注的问题。

根据设计验证阶段实现设计变更的难易程度，将防下潜影响因素分为不可变因素和可变因素，提出了概念阶段优化不可变因素和设计验证阶段优化可变因素相结合的防下潜设计方法。建立了后排女性假人整车有限元约束系统模型，并经过对标分析，基于对标好的防下潜分析有限元模型对不可变因素和可变因素进行了分析，提出了不可变和可变因素的设计要求。基于得到的防下潜设计方法和要求，在整车项目开发中对6 种优化方案进行了整车试验验证，下潜问题得到解决。

1 下潜机理分析及潜在影响因素分类

典型的后排女性乘员约束系统如图1 所示，后排座椅采用发泡材质安装于后地板上，在发泡材质和后地板之间设置凸起坐盆用于约束乘员。安全带采用三点式安全带，下固定点和锁扣固定点安装于后地板，卷收器放置于C 柱或衣帽架位置。

下潜最直接的现象是安全带腰带滑入乘员腹部，如图2所示。碰撞发生时，车身速度逐渐降低至0，乘员在减速度作用下会继续往前运动，同时在重力和安全带的作用下，乘员还有往下运动的趋势，如图3 所示。因此，乘员的合成运动方向为向前向下，安全带则相对于乘员髋部向上运动，当安全带相对髋部向上运动的位移量s超过某一阀值时，安全带就会滑入腹部，造成下潜。为防止下潜现象的发生，应控制安全带与髋部的相对运动趋势。

图1 后排乘员约束环境

图2 安全带腰带陷入腹部

图3 安全带腰带滑入腹部机理

为了更好地对乘员下潜影响因素做进一步分析，将各潜在乘员下潜影响因素分为不可变因素和可变因素。不可变因素是指在概念阶段的基本锁定参数和后期变更影响大的参数，包括安全带固定点点位、防下潜结构位置、后地板强度等因素；可变因素是指可在验证阶段锁定的参数和后期变更影响小的参数，包括防下潜结构强度、安全带配置、锁扣长度等因素，见表1。

表1 乘员下潜影响因素分类

2 下潜判定标准及防下潜分析有限元模型

2015 版C-NCAP 中关于后排假人下潜的有关判定准则总结如下：

（1）首先根据车体速度和后排乘员骨盆速度判断骨盆回弹时刻。

（2）在回弹时刻之前，若髂骨卸载率大于1 000 N/ms 的持续时间大于1 ms，则判定为下潜。

（3）在回弹时刻之后，若髂骨卸载速率大于1 000 N/ms 的时间段内髂骨力值大于2.4 kN，则判定为下潜。

（4）以髂骨力-卸载率判断为主，必要时可以通过安全带力和高速摄像辅助判断。

根据上述规则，某后排配置限力式安全带的车型，在进行64 km/h 偏置碰撞时后排乘员发生下潜，根据法规判断骨盆回弹时刻为112.5 ms，髂骨力卸载速率大于1 000 N/ms 的持续时间大于1 ms，下潜出现在回弹之前，如图4 所示。

图4 髂骨力变形率对比

结合上述整车试验中后排女性乘员下潜的现象，建立了详细的整车有限元模型，如图5 和图6所示。复现了试验中的下潜现象，从髂骨力变形速率可以看出，仿真与试验基本一致，可作为对防下潜进一步仿真分析的基础模型。

图5 仿真与试验假人姿态对比

图6 仿真与试验安全带陷入腹部对比

3 防下潜结构对下潜的影响分析

防下潜结构可以控制乘员向下向前运动的趋势，为了更好地指导防下潜设计，本文基于对标的后排约束系统有限元模型，对防下潜结构的位置进行了优化设计。如图7 所示，以乘员H 点为基准，定义碰撞过程中乘员与防下潜结构的第一接触点位于防下潜结构的位置，分析防下潜结构在x方向和z方向位置对乘员下潜的影响。

图7 防下潜结构在x 方向与z 方向位置

3.1 防下潜结构x 方向位置对下潜的影响

为了分析防下潜结构x方向位置对防下潜性能的影响，选择了8 种x方向位置进行分析，如图8所示，仿真分析结果见表2。由表2 可知，随着防下潜结构位置远离髋部，假人回弹时刻增加，下潜风险增加，当防下潜结构与乘员H 点的x向距离超过160 mm 时，乘员发生下潜。因此，建议防下潜结构与乘员H 点的x向距离小于140 mm。

图8 防下潜结构x 方向位置优化

表2 防下潜结构x 方向位置对下潜的影响

3.2 防下潜结构z 方向位置对下潜的影响

为分析防下潜结构z方向位置对防下潜性能的影响，基于x方向位置为140 mm 的仿真模型，选择了6 种z方向位置进行分析，如图9 所示，分析结果见表3。由表3 可知，随着防下潜结构位置远离髋部，假人回弹时刻增加，下潜风险明显增加，当防下潜结构与乘员H 点的z向距离超过110 mm时，乘员发生下潜。因此，建议防下潜结构与乘员H 点的z向距离小于90 mm。

表3 防下潜结构z 方向位置对下潜的影响

图9 防下潜支架z 方向位置优化

4 下固定点位置对下潜的影响分析

安全带下固定点位置优化可以控制安全带相对于髋部向上运动的趋势，为了更好地指导防下潜设计，本文基于防下潜结构x方向位置在140 mm、z方向位置在90 mm 的防下潜仿真分析模型，对安全带有效固定点的位置进行了优化设计。如图10 所示，以乘员H 点为基准，定义安全带下固定点的位置，分析安全带下固定点在x方向位置和z方向位置对乘员下潜的影响。

图10 安全带下固定点x 方向与z 方向位置

4.1 安全带下固定点x 方向位置对下潜的影响

安全带下固定点x方向位置对防下潜性能的影响见表4。由表4 可知，随着安全带下固定点在x方向位置远离髋部，假人回弹时刻增加，下潜风险增加，当安全带下固定点位置与乘员H 点的x向距离超过110 mm 时，乘员发生下潜。因此，建议安全带下固定点与乘员H 点的x向距离小于90 mm。

4.2 安全带下固定点z 方向位置对下潜的影响

安全带下固定点z方向位置对防下潜性能的影响见表5。由表5 可知，随着安全带下固定点在z方向位置接近髋部，假人回弹时刻增加，下潜风险增加，当安全带下固定点位置与乘员H 点的z向距离小于120 mm 时，乘员发生下潜。因此，建议安全带下固定点与乘员H 点的z向距离大于140 mm。

图11 安全带下固定点x 方向位置优化

表4 下固定点x 方向位置对下潜的影响

表5 下固定点z 方向位置对下潜的影响

表6 可变因素对下潜的影响分析

图12 安全带下固定点z方向位置优化

5 可变因素对下潜的影响分析

基于不可变因素优化完成的防下潜仿真模型，对防下潜结构强度、安全带预紧、锁扣长度3 种可变因对下潜的影响进行了定性的分析，分析结果见表6。从骨盆回弹时刻可以看出，增加预紧功能，回弹时刻提前，下潜风险降低；弱化防下潜结构，回弹时刻延迟，下潜风险增加，变形量增加25 mm时，出现下潜现象；锁扣长度增加时，回弹时刻延迟，下潜风险增加，长度增加60 mm 时，出现下潜现象。由于可变因素锁定时间晚，后期变更难度小，所以建议条件允许的前提下尽可能采用预紧限力式安全带，减少防下潜结构变形量，缩短锁扣长度，可以在验证阶段结合成本、质量等因素选择可变因素设计方案。

6 防下潜设计方法

基于对防下潜设计因素的分类，并根据防下潜设计中不可变因素和可变因素的影响规律分析结果，本文提出了“不可变设计因素为主，可变设计因素为辅”，在概念设计阶段一次性完成不可变因素的设计，在设计验证阶段根据成本、质量等需求

设计可变因素的防下潜设计方法。对不可变设计因素提出了量化设计要求，对可变设计因素提出了定性的设计要求，见表7。

7 防下潜设计因素的整车试验验证

基于上述的防下潜设计方法，在实际整车项目开发中，对4 种不可变因素设计方案和两种可变设计因素方案进行了整车试验验证，验证结果见表8。车型1，安全带下固定点在x方向的位置往前移动50 mm，下潜问题解决；车型2，安全带下固定点在z方向的位置往下移动53 mm，下潜问题解决；车型3，防下潜结构x方向位置前移30 mm，下潜问题解决；车型4，防下潜结构z方向位置往上移动49 mm，防下潜问题解决；车型5，防下潜结构刚度增加，z方向变形量由40 mm 控制到10 mm，防下潜问题解决；车型6，锁扣长度缩短60 mm，防下潜问题解决。车型1 ～4 通过控制不可变设计因素未发生下潜；车型4 和车型5，在控制不可变设计因素的基础上，进一步优化了可变设计因素，未发生下潜。

表7 防下潜设计要求

表8 基于防下潜设计要求的防下潜方案整车试验验证

8 结论

（1）后排女性乘员约束环境件多，重复设计将带来巨大的开发成本，在乘员约束系统设计中须在概念设计阶段考虑如何避免乘员下潜的发生。

（2）安全带固定点点位和防下潜结构位置对防下潜性能影响大，设计变更对周边件影响大，是典型的不可变设计因素。安全带预紧、锁扣长度、防下潜结构强度对防下潜性能影响大，设计变更对周边件影响小，是典型的可变设计因素。

（3）提出了“不可变设计因素为主，可变设计因素为辅”的防下潜设计方法，通过基于有限元的仿真分析，对不可变设计因素提出了量化设计要求，对可变设计因素提出了定性的设计要求。通过6 款车型的开发及整车试验，验证了所提设计要求的准确性。

（4）根据设计变更难易程度，将防下潜影响因素分为不可变因素和可变因素。在概念设计阶段优化不可变因素，避免了防下潜设计中出现影响大的重复设计；在设计验证阶段优化可变因素，避免了防下潜设计中出现冗余设计，带来不必要的成本增加。