安全带织物宽度对乘员保护效果的影响

高峰　韩啸　刘雪姣　刘昕耀

摘 要：文章讲述了安全带织物宽度对乘员保护效果的影响。通过使用特殊编织方法，可以在碰撞事故发生时，使安全带在拉伸过程中变宽，增大和乘员的接触面积。通过仿真调整织带宽度，验证对假人主要伤害指标的影响，评价设计思路实际保护效果，为安全带实现更好的约束效果提供参考。研究基于仿真软件的THOR假人进行分析，对不同位置的肋骨位移进行了考察，结果显示织带变宽对假人伤害指标有空间位置上的分摊作用，对胸部变形量有一定的改善。

关键词：仿真分析 安全带 乘员保护 THOR假人

1 引言

车辆被动安全中的乘员保护，主要是指车辆在发生碰撞事故时，使用约束系统限制车内乘员运动，避免其受伤或降低伤害程度。其中，安全带是约束系统重要的一個组成部分，安全带的约束性能对整个安全系统来说非常重要。

约束系统对车内乘员的保护，整体来说是个吸收能量的分配过程。首先应尽量使乘员碰撞能量被车身和约束系统吸收。而剩下必须由乘员吸收的部分，则应尽量在空间和时间上平均分配，避免最严重的伤害。目前市场上大部分车型都会配备预紧限力式安全带，其预紧和限力等功能可以在时间上对能量吸收过程进行平均分配。而能量吸收在空间上的平均分配策略还会复杂一些，一方面，载荷加载一般只能集中在一定区域，另一方面，乘员身体各部位可承载载荷的强度，受伤时的致命性都有差别。在空间上分配约束加载，是希望对载荷相对较小或者承受力相对较强的部位增大载荷，降低载荷集中或者伤害情况最恶劣位置所受的伤害。

近年来，随着乘员保护水平的发展，进一步改进的技术要求也更加严格和合理。出现了新的法规、标准和配套设施。THOR假人就是最近几年开发的一款新型碰撞假人，目前在C-NCAP中用于MPDB工况前排驾驶员的伤害值评价。其特点之一就是分解了胸部伤害的整体变形量评价，改为四个不同位置的肋骨变形量，考察假人不同位置的伤害情况。这种分解的评价方式更好地关注乘员局部伤害的情况，有助于降低乘员受到的实际伤害。而应对这种评价方法的变化，也需要我们为约束系统找到更好的保护方法。

2 产品设计思路

从设计思路上讲，增大载荷受力面积，有助于降低局部所受的集中载荷，更大的织带宽度对分摊载荷能量有帮助。但是，国标对安全带宽度有明确要求。同时，安全带是一种相对成熟，平台化的产品，出于成本考虑，也应尽量沿用原有的配件规格，所以难以直接增加织带宽度。目前可以通过特别的织带编织方法使织带受拉伸作用力时宽度变大，在碰撞过程中临时增加宽度和假人受力面积。

按照上述思路，建立仿真模型对假人保护效果进行验证。由于在仿真分析过程中，可以对织带周边的零部件进行抽象化处理，不会因宽度变化产生运动阻碍。所以理想情况下，可以直接增大织带的宽度进行分析，忽略织带受力变宽过程。

仿真分析结果表明，较大的织带宽度可以在假人不同身体位置上分摊伤害，并起到降低最大伤害的作用。从这个结果看来，使用更宽的织带，对于改善假人伤害是有好处的，碰撞时变宽的织带也会产生类似的效果，有利于对乘员的保护。

3 仿真验证

3.1 仿真模型的建立

使用仿真软件进行安全带系统仿真技术研究。仿真模型使用加速度滑台试验工况进行搭建，加速度滑台是对碰撞工况的一种简化试验方式，经坐标变换后可以看作等效于实车碰撞工况。参数设置参照GB14166-2013标准要求进行，使用THOR 50th男性假人、刚性座椅，预紧限力式安全带卷收器，某知名主机厂某车型的坐标点和碰撞波形。利用有限元方法模拟安全带织带、假人、座椅等零部件系统，其中安全带织带宽度原方案为47.5mm，优化方案胸部附近织带宽度增加到60mm。

仿照实际试验假人佩戴安全带的情况生成安全带织带有限元模型，假人姿态、安全带固定点位置等决定了织带和假人相对位置。织带和肋骨传感器的相对位置对其变形量大小影响很大。如图1所示，仿真模型中织带与右下肋骨传感器位置最近，左上和右上传感器距离稍远一点，离左下传感器位置很远。

3.2 仿真分析结果

3.2.1 假人运动趋势

根据GB14166-2013标准选取参考点，在滑台仿真结果动画中测量骨盆/躯干位移曲线。如图所示，织带宽度变化前后假人运动趋势大致相同，没有明显差异。安全带拉出量也变化不大。

3.2.2 安全带力值曲线

由于安全带织带和滑环、假人等有摩擦作用，各段之间其内部张力有很大差异。如图3所示为仿真分析得到的安全带各位置力值曲线对比。如图所示，安全带织带宽度增加后，织带各位置处张力基本没有变化。

刚座椅滑台车身不吸能，安全带吸收能量和织带张力和拉出量有关。由于二者都没有明显变化，所以安全带吸能总量大致不变，假人吸能总量也可以认为基本不变，宽度变化仅影响局部位置载荷分布。

3.2.3 假人伤害值（肋骨变形量）

肋骨变形量是假人伤害值一个重要的评价指标，也是通常最常见的一个失分指标。其评价对象包括假人胸腔内不同位置的四个肋骨变形量（传感器位置见图1），最终评分取决于伤害值最高（评分最低）的一个位置。

分析结果显示，织带宽度变化前后，都是右下肋骨伤害值最高。如图4所示，相比基础方案（带宽47.5mm），织带加宽后（带宽60mm）假人右下肋骨变形量有所降低，可以有效改善总体评分。

基础方案左上肋骨伤害值仅次于右下，虽然对评分没有贡献，但也可以看出一定变化趋势。

如图5所示，织带加宽后左上肋骨伤害值也有所降低，降低幅度相对于右下位置更加明显。

图6为右上肋骨伤害值对比，基础方案右上肋骨伤害值低于左上，位居第三，属于较小的一个。但织带加宽后，伤害值有所升高，说明其承受了更多载荷。右上位置伤害值升高后超过了左上位置，小于最大的右下位置，伤害值上升到第二位。

如图7，左下位置肋骨伤害值远远低于其它三根，加宽后变化不明显，无实际意义。

仿真结果显示，在假人佩戴的安全带织带附近区域，安全带的变化对局部假人伤害值变化有一定影响。织带宽度增大时，原来伤害值较大位置的局部伤害有所减小，而较小的局部伤害有所增大。总体来说，有将较大伤害向较小位置转移的分摊作用，对降低局部集中载荷有积极作用。

4 结论

本文研究了使用不同宽度安全带织带，对碰撞过程中假人身体局部载荷空间分配的影响。通过使用更宽的织带，增加安全带和假人的接触面积的方法，将局部较大的载荷分配到更大的区域，由原来伤害值较小的区域分担一部分伤害，从而降低最恶劣位置的伤害值。仿真分析结果显示，织带宽度改变的结果可以影响到相应位置的伤害值大小，变化规律和设计思路基本一致，可以在一定程度上起到分摊载荷和降低最大伤害值的作用。