DOE在副驾驶员胸部伤害值分析中的应用

陈建明

(延锋百利得(上海)汽车安全系统有限公司，上海 201315)

0 引言

乘员胸部损伤是交通事故中比较常见的一种损伤类型。交通事故数据表明约45%的受伤乘员存在着胸部创伤。在C-NCAP新车评价体系中，实车正面100%重叠率刚性壁障碰撞和正面40%重叠率可变形壁障碰撞试验中,假人胸部加速度和胸部压缩变形量是评价假人受伤害的重要指标[1]。此外，总结历年C-NCAP测试结果，假人胸部失分也是车辆在C-NCAP评价中难以获得高分的主要障碍之一。因此，在车辆被动安全约束系统研发过程中应重点关注并提高对假人胸部的保护。车辆碰撞时假人胸部的伤害主要由车辆加速度波形、座椅、安全带、方向盘、安全气囊和乘员空间综合作用产生，优秀的车身结构、合适的乘员空间及合理的被动安全约束系统能够有效减小碰撞事故对乘员胸部的伤害，降低乘员胸部加速度，减小乘员胸部压缩变形量，从而减小乘员在车辆事故中的伤亡率。

本文作者以副驾驶位假人胸部伤害值为研究对象，基于某车型，利用仿真软件MADYMO，结合实车建立基础仿真模型，借助HyperStudy软件使用DOE(Design Of Experiments)全因子分析方法，分析影响假人胸部伤害值的因素以及各因素对假人胸部伤害值的贡献度，并据此提出针对典型车型的被动安全约束系统建议配置，为被动安全约束系统开发积累经验、节省开发时间、提高开发效率。

1 仿真模型及主要变量介绍

本文作者以某车型为基础，在MADYMO环境下建立此次仿真分析的基础模型，模拟C-NCAP规则下50 km/h正面100%重叠率刚性壁障碰撞试验(50FRB)，基础仿真模型如图1所示。

图1 50FRB基础仿真模型

文中DOE仿真分析，综合考虑碰撞波形(Pulse)、乘员空间(Knee_to_IP_dis)、约束系统点火时间(TTF)、安全带限力值(Load_limiter)以及PAB形状等因素，并设定为5变量3水平，仿真变量汇总见表1。其中，乘员空间、波形及PAB变量分别如图2—图4所示。

表1 仿真变量汇总

图2 车身空间

图3 波形曲线及速度曲线

图4 PAB包形

其中，乘员空间变量(Knee_to_IP_dis)在模型中的表现如图2所示。Knee_to_IP_dis变量值为0.07、0.10、0.13 m，分别对应小乘员空间、一般乘员空间、大乘员空间。

波形曲线及其速度曲线如图3所示，Pulse1、Pulse2、Pulse3分别对应差波形、一般波形、优波形。

PAB包形如图4所示。

2 DOE分析

2.1 DOE矩阵设定

按照文中DOE仿真设计，针对5个变量3水平值制定出全运算矩阵，总计243个仿真试验算例，如图5所示。

图5 全运算矩阵

2.2 失效试验排除

在DOE仿真试验中，试验编号为83号和217号的试验结果失效，实际表现为假人头部砸透，头部伤害指数HIC36ms超标(假人头部透过气囊与IP发生硬接触)。具体试验配置如表2所示。

表2 失效试验列表

试验编号为83号和217号的试验失效，根本原因在于采用了差波形和2D PAB，另外安全带又未能配合限力值在合适的时间发生作用。

在83号试验中，波形较差，安全带限力值较小，但安全带预紧器作用时间偏晚，导致安全带的预紧限力发生作用时假人已经向前运动较大距离，其效果等同于缩小车内空间，增大了假人与气囊接触时的能量；同时由于2D PAB与头部接触位置厚度较小，缓冲吸能空间不足，进而导致气囊被砸透。

在217号试验中，波形较差，安全带限力值较大，安全带预紧器作用时间偏早4 ms，导致假人的X向移动量偏小，绝大部分的能量卸载形式转变为假人上躯干的转动；同样的，配合2D PAB与头部接触位置厚度较小，缓冲吸能空间不足，进而导致气囊被砸透。

3 计算结果分析

3.1 DOE结果可信度

由图6、图7可见，文中DOE仿真试验观测值与预测值基本一致，计算结果可信。

图6 胸部加速度残差分布

图7 胸部压缩量残差分布

3.2 主要变量对假人胸部伤害值贡献度

分析计算结果得：对于假人胸部加速度，碰撞波形是主要影响因素，如图8所示；对于假人胸部压缩量，安全带限力值是主要影响因素，如图9所示。

图8 主要变量对假人胸部加速度贡献度

图9 主要变量对假人胸部压缩量贡献度

3.3 乘员空间对胸部伤害值的影响

分析计算结果得：乘员空间越大，假人胸部压缩量越大，而假人胸部加速度越小，但实际伤害数值影响很小(胸部压缩量变化量在1.7 mm以内，胸部加速度变化量在0.9g以内)，如图10所示。

图10 乘员空间对胸部伤害值的影响

3.4 安全带限力值对胸部伤害值的影响

分析计算结果得：安全带的限力值越大，假人胸部压缩量与胸部加速度越大，对胸部压缩量作用尤为明显。胸部压缩量变化量为9 mm以内，胸部加速度变化量在3.5g以内，如图11所示。

图11 安全带限力值对胸部伤害值的影响

3.5 PAB包形对胸部伤害值的影响

分析计算结果得：PAB越大越厚，胸部加速度值和胸部压缩量越大，胸部加速度值变化量在3g以内，胸部压缩量变化量在1.5 mm以内。分析其原因为PAB对胸腔存在挤压作用。如图12所示。

图12 PAB包形对胸部伤害值的影响

3.6 波形对胸部伤害值的影响

分析计算结果得：碰撞波形越差，胸部加速度值越大；而胸部压缩量随着碰撞波形的变好而趋向增大，但实际数值基本不变(变化量在0.3 mm以内)，如图13所示。

图13 波形对胸部伤害值的影响

3.7 点爆时刻对胸部伤害值的影响

分析计算结果得：约束系统点火时间越早，胸部压缩量越小，而胸部加速度越大。但对实际伤害值影响很小(胸部压缩量变化量在0.3 mm以内，胸部加速度变化量在0.4g以内)，如图14所示。

图14 点火时间对胸部伤害值的影响

4 约束系统配置建议

结合假人头部伤害值，典型车身环境下的被动安全系统建议如下配置。

(1)差波形、小乘员空间工况下，约束系统建议配置如表3所示，计算结果如图15所示。

表3 差波形、小乘员空间工况下建议配置

图15 差波形、小乘员空间工况计算结果

(2)一般波形、一般乘员空间工况下，约束系统建议配置如表4所示，计算结果如图16所示。

表4 一般波形、一般乘员空间工况下建议配置

图16 一般波形、一般乘员空间工况计算结果

(3)优波形、大乘员空间工况下，约束系统建议配置如表5所示，计算结果如图17所示。

表5 优波形、大乘员空间工况下建议配置

图17 优波形、大乘员空间工况计算结果

5 结论

本文作者通过DOE全因子仿真分析得出：对于乘员胸部加速度，碰撞波形是主要影响因素；对于乘员胸部压缩量，安全带限力值是主要影响因素。并据此分析结果提出针对典型车型的一般被动安全约束系统配置建议。