预紧端片和锁止锁舌对假人动态性能的影响

胡晏殊　刘昕耀　刘雪姣　刘佳男　李明阳

摘 要：为了研究预紧端片及锁止锁舌对假人动态性能的影响，进行单独添加一种配置及组合一起添加的方式，采用LS-DYNA软件，进行仿真碰撞分析，得到安全带力值及假人运动趋势的变化，进而评估对假人的约束效果。仿真结果显示：单独添加预紧端片，在运动前期对假人骨盆约束效果明显;单独添加锁止锁舌，可明显改善胸部压缩量，在运动中后期对假人约束效果明显;采用预紧端片和锁止锁舌组合的方式，效果最佳，相比较普通卷收器预紧限力的配置，其胸部位移量降低10%，骨盆位移量降低29%，胸部压缩量降低35%。由此可见，两种配置都添加对假人运动的全过程起到明显的约束效果，胸部压缩量改善明显。根据上述结果可以对预紧端片及锁止锁舌的参数进行细致的研究，进而有效实现安全气囊和安全带的共同作用，为起到更好的安全带约束作用提供参考。

关键词：安全带;预紧端片;锁止锁舌

1 引言

安全带作为汽车碰撞时最重要的保护装备，也是配合安全气囊使用最有效的装置[1]。根据交通部统计，佩戴三点式安全带可大大降低碰撞时的伤亡。目前预紧限力式安全带已经普遍应用到乘用车中，一些新的功能也在不断的开发，一些零部件厂开发卷收器、锁扣以及端片预紧限力装置，在事故发生之前，通过车辆传感器向ECU 发送信号，ECU 判断后再向它们传达提前预紧的信号，从而结合了被动安全技术和主动安全技术来改善对乘员的保护效果。主、被动安全技术结合可以发挥各自的优点，这也成为未来汽车安全主要的发展趋势[2]。

文献[3]采用MADYMO软件建立了正面碰撞模型仿真分析，说明一种新型预紧安全带能够有效降低乘员伤害值，具有较好的乘员保护效果。文献[4]主要对前排乘员在不同预紧限力装置下通过正面碰撞仿真研究其6 种安全带预紧限力组合时各种伤害情况，最后采用WIC综合评价得出最优的组合。文献[5]提出了一种新型双边预紧器，能够在单预紧器的基础上实现双级预紧器的功能，通过对该双边预紧、卷收器预紧、带扣预紧三种预紧方式展开仿真对比研究。这些文献主要是对预紧装置进行研究，通过改进预紧装置性能或者通过在不同位置实现不同的预紧方式，全方位地考虑对乘员的保护，以实现更好的效果。本文在传统卷收器预紧限力功能的基础上，增加预紧端片功能和锁止锁舌功能，通过建立LS-DYNA的安全带总成的动态试验模型，对比增加新功能后对安全带力值以及假人运动趋势的影响，通过综合分析得到最优的组合方式。

2 安全带仿真模型的建立及验证

本次模拟是实现安全带的响应过程，通过实验数据和建模要求进行模型建立，根据实验工况的要求改变模型的相关参数设置进行模拟。本次进行了十种工况的模拟，分别得到相应工况下的力值输出数据，并与实验数据结果进行对标。

2.1 安全带滑台试验

本文中实验采用专业的安全带滑台实验，实验假人使用HybridⅢ型第50百分位男性假人，如图1所示。每次实验均可精确记录座椅速度，安全带力值等数据，以供模拟所需。

2.2 安全带系统仿真模型的建立

本文基于LS-DYNA软件进行安全带系统仿真技术研究，利用有限元方法模拟座椅、安全带、假人等零部件系统，进行滑台试验工况下安全带系统仿真分析，如图2所示。

安全带子系统包括预紧器、卷收器、滑环、插锁、端片和织带等零部件，本文研究的是在锁扣上添加锁止装置和端片上添加预紧装置对动态性能的影响。在对标模型中，安全带的安装位置和滑台试验按照设计坐标布置，实现与设计坐标一致，座椅位置与试验一致，假人的H点及姿态与试验一致，最大限度的保持仿真与试验状态相同。

2.3 仿真和试验力值数据对标

采用卷收器预紧限力+锁止锁舌CLT（Crash Locking Tongue）+端片预紧PLP（Plate lap pretension）的工况，建立安全带系统仿真模型，通过计算安全带卷收器出口力B1、肩带力B3、插锁上方与肩带连接位置力值B4、腰带力值B6的响应曲线，同滑台实验时安全带各部分的力值曲线进行对标，结果如图3所示。经计算cora值为0.907，仿真和试验结果相似度较高。

本文利用有限元仿真手段对安全带滑台试验进行仿真对标，完成DYNA安全带的建立。可实现以下内容：1、安全带点火时刻完全一致;2、安全带织带性能与实际使用织带状态一致;3、卷收器B1、B3、B4、B6力值，基本可以实现与滑台数据基本一致。

3 不同配置的组合对安全带力值及假人运动趋势的影响

对于不同的配置，首先需要定义他们的名称：预紧限力卷收器称为 Retractor，简称R;预紧端片称为PLP;锁止锁舌称为CLT;为了对比出不同配置的影响，我们主要研究一下四种工况：R、R+PLP、R+CLT、R+PLP+CLT。

模型的主要参数如下：我们选取50Km/h的速度，某主机厂的实车波形，卷收器点火时间12ms，预紧端片的点火时间20ms，限力值设定在3500N后对安全带进行释放，实现限力作用。锁止锁舌受到腰带和肩带力值差值达到500N后实现锁止功能。选取在11.1KN的力值下延伸率为14%织带进行分析，假人为Hybrid III型50百分位男性假人，刚性座椅进行仿真动态试验分析。

为了评价不同配置的组合对安全带力值及假人运动趋势的影响，我们在模型中提取安全带力值，包括卷收器出口力B1、肩带力B3、插锁上方与肩带连接位置力值B4、腰带力值B6，针对不同工况进行力值对比分析。提取假人的运动趋势，包括骨盆加速度、胸部压缩量、胸部位移量和臀部位移量进行对比分析。通过对比增加配置工况与普通卷收器预紧限力（R）状态的差异，进而获得PLP和CLT对假人运动趋势的影响。

不同配置的安全帶力值仿真结果，如图4所示：

不同配置的假人运动趋势仿真结果，如图5所示：

3.1 卷收器出口力B1、肩带力B3

从图4（a）和图4（b）可以看出，不同配置对卷收器出口力值影响很小，在25ms前（卷收器预紧到结束的时间）并没有影响。在25ms后转入限力的过程，带有PLP配置的工况，限力时间有3ms左右的提前，由此可以看出：PLP对假人前期束缚效果有明显改善。

3.2 插锁上方与肩带连接位置力值B4

从图4（c）可以看出，配有CLT装置的工况，由于阻止了肩部与腰部之间的织带传递，插锁位置的力值明显下降，下降幅度有32%。带有PLP装置的工况，对于插锁位置的力值有少许降低，下降幅度3%。配有CLT+PLP装置的工况，插锁位置的力值最明显，下降幅度有37%。由此可以看出：CLT对于插锁力值有明显改善，可有效的实现对假人的约束作用。

3.3 腰带力值B6

从图4（d）可以看出，配有CLT装置的工况，由于阻止了肩部与腰部之间的织带传递，腰带力值明显上升，上升幅度有31%。配有PLP装置的工况，腰带力值前期升高较早，峰值明显下降，下降幅度有15%。配有CLT+PLP装置的工况，起到综合作用，较单独添加CLT峰值有所下降，相对R状态腰带峰值上升19%。由此可以看出：CLT阻止了织带的传递，导致腰带力值上升，CLT作用实现后对假人约束效果明显提升。PLP对腰带力值有明显的改善，提前实现对假人的约束作用。

3.4 骨盆加速度

通过图5（a）可以看出，配有CLT和CLT+PLP装置的工况，加速度峰值明显升高。配有PLP装置的工况，40ms前加速度有提升，在50ms时加速度峰值有所降低。这与卷收器及肩带力值表现的一致，PLP在前期对假人束缚较好。由此得出：CLT对假人骨盆的运动起到约束作用，在总体运动中期及后期作用明显。PLP对假人前期骨盆的运动起到约束作用。

3.5 胸部压缩量

胸部压缩量是安全带对假人伤害的重要参数之一，是C-NCAP评价的关键参数之一，由此可见此参数的重要性。通过图5（b）可以看出，配有CLT装置的工况，对于假人胸压明显的改善，下降幅度高达33%，配有PLP装置的工况，对于假人胸压改善作用较小，下降幅度为10%，配有CLT+PLP装置的工况，对于假人胸压明显的改善，下降幅度高达35%。由此得出：配有CLT装置的工况，对假人胸压会有明显的改善作用。

3.6 胸部位移量和臀部位移量

从图5（c）和图5（d）可以看出，在60ms之前，对假人胸部及臀部位移量由高到低排序是：R，CLT，PLP，CLT+PLP，在60ms到80ms之间，对假人胸部及臀部位移量由高到低排序是：R， PLP，CLT，CLT+PLP。80ms以后，臀部位移量与之前一致，胸部位移量单独配有PLP的工况有所升高。由此可见：CLT+PLP工况对假人整个运动过程中都有明显的约束作用，PLP工況主要在假人运动前期约束较好，CLT工况在假人运动过程的中后期起到约束作用。

4 结论

本文是在模型进行对标的情况下，使用LS-DYNA软件进行不同工况分运算分析，得出对于安全带力值及假人运动趋势的影响，通过对比分析，得出以下结论。

1）采用PLP装置：插锁位置和腰带位置力值上升较早，前期胸部位移量减小，整个运动过程中臀部位移量降低，可以说明 PLP装置在运动前期对假人骨盆约束效果明显。

2）采用CLT装置阻碍了肩部和臀部之间织带的传递，对胸压有明显改善。在假人运动的中后期起到约束作用。

3）采用CLT+PLP装置，综合了两种配置的优点，对假人运动的全过程起到明显约束效果，胸部压缩量改善明显。

综上所述，本文通过使用模拟仿真计算，对安全带新产品技术进行对比研究，摸索出不同配置的搭配对乘员安全保护的影响。有利于企业在后续项目中的实际开发工作，减少实验资源的浪费，对汽车企业进行安全带选型有一定的指导意义。

参考文献：

[1]钟志华，张维刚，曹立波，等.汽车碰撞安全技术[M].北京： 机械工程出版社，2003.

[2]黄世霖.汽车碰撞与安全[M].北京： 清华大学出版社，2010.

[3]杜群贵，刘秋成，薛运锋，邹杰慧.汽车安全带新型预紧器的结构与性能仿真[J].广州：华南理工大学学报（自然科学版），2009.

[4]葛如海，肖建中，张苏秀.汽车安全带预紧限力系统对前排乘员的保护性研究[J].重庆：重庆理工大学学报（ 自然科学），2018.

[5]邓淯方.预紧式安全带对乘员的保护效果研究[D].湖南：湖南大学，2015.