移动渐进变形壁障碰撞中约束系统对THOR假人胸部损伤的影响

姜剑 马财俊 谭耀武

（上海元城汽车技术有限公司，上海 201800）

主题词：移动渐进变形壁障 安全带 安全气囊 胸部损伤 THOR假人

1 前言

在交通事故中，胸部损伤是致死的主要原因，而乘员承受的所有载荷中，约束系统载荷对胸部损伤的影响最为重要。Kent 等开展了不同的滑台试验，研究了假人胸部在不同载荷条件下的损伤情况及差异性。除安全带载荷的影响外，试验和仿真结果表明，肋骨骨折等胸部损伤及其分布很大程度上取决于约束系统载荷和边界条件。因此，定量分析约束系统载荷与胸部损伤之间的关系非常重要。

THOR-50M假人将取代目前广泛使用的Hybrid-III假人，应用于汽车碰撞试验。在约束系统载荷与THOR-50M 假人胸部损伤响应相关性研究中，Shang等研究了安全带不同路径对假人胸部损伤的影响，Paek等利用同样的方法得到胸部损伤与安全带配置之间的关系。然而，这些研究多通过试验方法或数值计算方法预测损伤结果，对胸部损伤的定量研究并不充分。

本文基于乘员安全带有限元模型，使用THOR-50M假人进行仿真计算，分析安全带、安全气囊及安全带高度调节器上导向环（D 环）位置对胸部伤害的影响，为研究胸部损伤机制和提高约束系统的保护效率提供参考。

2 THOR假人胸部受力模型

2.1 评价方式

根据2021 年版《C-NCAP 管理规则》，正面50%重叠移动渐进变形壁障（Moving Progressive Deformable Barrier，MPDB）碰撞试验中假人胸部的评价指标主要考察胸部压缩量（Chest Deflection，CD）和胸部黏性指数（Viscosity Criterion，VC）。在实际试验过程中，胸部压缩量是一项容易失分的指标。因此，本文对胸部伤害的研究主要集中于假人的胸部压缩量。

2.2 受力模型

在MPDB碰撞试验中，目标车辆与MPDB台车发生碰撞后，在惯性作用下THOR假人继续保持向前运动状态，此时假人胸部的受力主要来自安全带，假人与气囊接触后，假人胸部受力主要为安全气囊与转向管柱施加的外力。同时，各力均存在各自的空间坐标系，因此在计算过程中需进行较复杂的空间转换。

正面碰撞中，重点考察假人胸部在轴方向的压缩量，而忽略假人胸部内部结构之间摩擦力的作用，胸部主要承受来自安全带肩带、安全气囊及转向盘等前方物体施加的压力，故简化的假人胸部的受力模型如图1所示。

图1 THOR假人胸部受力模型

胸部的压缩量通过4 个三维IR-TRACC 传感器测量，该传感器由2个角度传感器和1个位移传感器组成，分别测量右上（Upper Right，UR）、右下（Lower Right，LR）、左上（Upper Left，UL）、左下（Lower Left，LL）4 个位置处的变形量，如图2所示。

图2 THOR假人胸部结构

THOR 假人各位置处的胸部位移传感器的受力分别为：

式中，、、、分别为左上、右上、左下、右下位置处的压力；、、、分别为气囊施加在左上、右上、左下、右下位置处的压力；、分别为上、下肩带力；、、分别为、、与的夹角；为假人胸部所受正向压力。

假人胸部压缩量与所受正向压力的关系可表示为：

式中，为假人胸部刚度。

则假人各位置处的压缩量分别为：

式中，、、、分别左上、右上、左下、右下位置处的压缩量；、、、分别为左上、右上、左下、右下位置处的刚度。

从上述公式可知，上肩带力、下肩带力、气囊施加在胸部处的压力是影响THOR假人胸部各位置处压缩量的主要因素。因此，适当降低上述力的大小可在一定程度上减小胸部压缩量。

3 约束系统模型建立与验证

3.1 试验设置

本文基于某SUV 车型，根据2021 年版《C-NCAP 管理规则》中的试验要求进行正面50%重叠MPDB碰撞试验，试验车速为50 km/h，约束系统参数如表1所示。

表1 约束系统参数

试验后，THOR 假人胸部4 个位置的胸部压缩量曲线如图3所示。由图3可知，左上、左下、右下位置处的胸部压缩量均小于高性能限值，而右上位置处的胸部压缩量超出高性能限值。因此，以右上位置处的压缩量表征整体胸部压缩量，得分较差。为了提高得分，需要对右上位置处的压缩量进行优化。

图3 THOR假人胸部压缩量

3.2 约束系统模型建立

本文以某SUV车型为研究对象，利用Primer软件建立该车型的50 km/h MPDB碰撞试验有限元约束系统模型，如图4 所示。通过调节铰链的角度定位假人，该有限元模型中有Single_Surface 和Surface-To_Surface 2 种接触方式。安全带建模使用Primer 软件中安全带（Seatbelts）功能，主要由一维和二维单元组成，二维单元用于安全带与假人之间的接触，摩擦因数通常设置为0.3。

图4 有限元计算模型

3.3 约束系统模型试验验证

将50 km/h MPDB 碰撞试验中采集的B 柱下端的轴方向的加速度通过关键字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION加载至图4中的有限元模型中，车体向和向上的加速度很小，故忽略不计。B 柱下端向加速度如图5所示。

图5 B柱下端X向加速度曲线

不同时刻驾驶员侧THOR 假人仿真动画与整车碰撞试验高速摄像假人姿态对比如图6所示。

由图6 可知：初始30 ms 内假人没有明显的运动，安全带几乎没有保护作用，并且假人胸部受压很小；假人明显的身体运动发生在第40～90 ms，假人在向前运动的过程中，安全带对THOR 假人胸部施加的外力主要作用在右上位置处；在第70 ms，THOR假人与气囊接触，气囊产生的外力主要集中在右上和和左上位置处，因此，THOR 假人右上位置处受到的安全带和气囊的合力较大，故右上位置处的胸部压缩量最大；而在第110 ms 后，假人开始反弹，表明安全带已将假人约束在座椅中。从运动过程看，第110 ms后，安全带和假人开始分离，同时安全带松动。结果表明，仿真中假人的运动可以很好地匹配试验中假人运动状态，但上躯干向前运动距离比试验中的小，此现象可能是有限元假人与物理假人脊椎刚度不同或安全带材料与实际织物材料不同所致。

图6 仿真动画与试验对比结果

假人上胸椎（Upper Thoracic，T1）在3个方向上的加速度如图7所示，T1在和方向的加速度与试验结果基本一致，但在方向的加速度波动幅度大于试验中的峰值。在方向上，仿真中的峰值明显小于试验的峰值，但方向的加速度变化趋势不是影响假人运动姿态的关键因素，因此可以忽略此方向上的影响。

图7 假人上胸椎加速度

仿真结果表明，假人下脊柱（Lower Spine，T12）的加速度与试验结果基本一致，如图8 所示。但是，在整个过程中，第1 峰值之间的差异较为明显。此外，仿真中的曲线存在更多的波动，但试验和仿真中加速度峰值时刻均在第70 ms左右。

图8 假人下脊柱加速度

综上，该约束系统模型经过对标验证，仿真与试验曲线基本吻合，证明该模型精度可靠，可作为基础模型进行相关研究。

4 模型参数优化

为提升MPDB碰撞试验中THOR假人胸部压缩量，优化安全带限力等级、气囊排气孔大小及D 环高度，探究对THOR假人胸部保护效果最佳的参数组合。

结合工程经验及该车型基本参数，对安全带限力等级、安全气囊排气孔直径和D 环高度3 个参数各设定3个水平，为安全带限力等级、为排气孔直径、为D环高度，其中D环位置如图9所示。

图9 D环位置

选取L(3)正交试验表，进行9 次试验，结果如表2所示。

表2 正交试验设计及仿真计算结果

为求得参数最优组合，选取右上位置处压缩量进行极差分析，如图10所示，从图10中可以看出，胸部压缩量的因素水平优化最优组合为第5组，即安全带限力等级3.0 kN、排气孔25 mm、D环最高。

图10 右上位置处胸部压缩量极差分析

THOR假人4个位置处的胸部压缩量变化趋势如图11 所示。由图11a 可以看出，降低安全带限力等级，THOR 假人右上位置处胸部压缩量降低了6 mm，左上位置处胸部压缩量降低了4.3 mm，右下和左下位置处的胸部压缩量分别降低了2.4 mm 和2.8 mm，说明降低安全带限力等级可以有效减小胸部压缩量。由图11b可以看出，气囊排气孔直径对胸部压缩量影响较小。由图11c 可以看出，D 环高度的增加，左上、右上、左下、右下位置处的胸部压缩量分别减小2.46 mm、3.3 mm、4.54 mm、2.14 mm，说明增加D 环高度可以有效降低胸部压缩量。由此可见，安全带限力等级和D环高度对胸部压缩量影响较大。

图11 不同因素影响下THOR假人胸部压缩量变化趋势

THOR 假人胸部相对位移曲线如图12 所示，从图12可以看出，安全带限力等级小于2.5 kN时，安全带无法较好地约束假人向前运动，导致胸部相对位移变大，当气囊排气孔增大时，假人将与转向盘发生硬接触，刚度较大的气囊可以有效阻止这种现象的发生，但会增加假人胸部压缩量。

图12 胸部相对位移曲线

安全带限力等级为2.5～3.0 kN时，安全带可以有效约束假人向前的位移量，在这种情况下，可以更好地调整气囊排气孔直径控制假人前移量，从而改善假人胸部压缩量，如图13所示。排气孔直径为30 mm时，头部向前移动的距离为245 mm，击穿气囊的风险较大。

图13 头部相对位移曲线

5 结束语

本文主要研究安全带限力等级、排气孔直径及安全带高度调节器D 环位置对THOR 假人胸部压缩量的影响，结果表明，安全带限力等级对THOR 假人胸部压缩量起到至关重要的作用。提出了MPDB 碰撞试验中THOR假人胸部伤害值的优化方案，并在某车型上进行仿真分析，得出以下结论：

a.降低安全带限力等级、增大D环高度均可降低左上、右上、左下、右下位置处的胸部压缩量，其中降低安全带限力等级的效果最优。

b.降低安全带限力等级和增大安全气囊排气孔直径会增大假人头部击穿风险。

但是，本文只考虑了3个因素，后续可结合安全带、安全气囊及腰部预紧（Passenger Lap Pretension，PLP）的点火时间、拉带长度等参数进行优化设计。且本文的研究是基于带有PLP的紧凑型SUV进行的，不同车型的约束系统配置可能不同，THOR假人与乘员舱之间的相对距离也可能发生变化。因此，可以进一步研究不同尺寸的车型和约束系统配置对THOR 假人胸部压缩量的影响。