某车型正面碰撞驾驶员侧约束系统匹配研究

费敬+陈可明+史爱民+靳云飞+李气辉+崔淑娟

摘 要：针对国内某款多用途汽车（Multi-purpose Vehicle，MPV），采用多刚体动力学分析软件（Mathematical Dynamic Model，MADYMO）软件建立了50 km/h正面碰撞驾驶员侧约束系统仿真模型，并将此仿真模型与实车试验数据进行了对标分析。在对标好的模型基础上，对未配备安全气囊的约束系统进行了匹配优化，使假人伤害值满足GB 11551—2003法规要求。同时，对配备安全气囊的约束系统匹配优化，使其假人伤害值满足GB 11551—2014法规要求。

关键词：驾驶员；约束系统；匹配；假人伤害值

中图分类号：U461.91文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.05.12

2014版国标《乘用车正面碰撞的乘员保护》（GB 11551—2014）实施以后，相对于2003版（GB 11551—2003），增加了假人颈部剪切力、张力以及伸张弯矩的考核，头部增加了累积3 ms合成加速度的考核，胸部增加了粘性指数（Viscous Injury Response，VC），对大腿压缩力的考核也更加严格[1-2]。这说明以前满足2003版国标的车型不一定满足新版国标的要求，因此，对于某些车型，发生碰撞时，乘员生存空间有限，结构改进空间较小，约束系统需要重新进行匹配[3]。本文针对某款MPV车型，对约束系统重新匹配，使其满足GB 11551—2014新版国标。

1 驾驶员侧约束系统模型的建立

本文采用MADYMO软件[4]建立驾驶员侧约束系统模型（图1）。建立的模型包括转向管柱多刚体模型、护膝板多刚体模型、地板多刚体模型、假人多刚体模型、座椅多刚体模型、仪表板有限元模型、安全气囊有限元模型、限力式安全带多刚体-有限元模型以及部分车体有限元模型。同时定义了假人与座椅、假人与地板、假人与方向盘、假人与护膝板的MB-MB接触，以及假人与安全带MB-FE接触。优化的模型加上安全气囊后，还需要定义假人与安全气囊，以及方向盘与安全气囊的MB-FE接触。安全带的限力等级为3.5 kN，安全带的力-延伸率曲线如图2所示。加上安全气囊后安全气囊的直径为660 mm，泄气孔直径为2×40 mm，气囊起爆的时间为15 ms，质量流率曲线如图3所示。

2 驾驶员侧约束系统模型的试验验证

为了验证模型的有效性，对建立的约束系统模型与试验结果进行了对标分析。模型采用的车体加速度曲线为整车试验的B柱左侧下方加速度，使用MADYMO软件，在相应的B柱传感器位置建立铰链JOINT.FREE_BRYANT，并在此铰链上通过关键字MOTION.JOINT_ACC来加载加速度曲线。试验的加速度曲线如图4所示。

对比分析了仿真与试验结果：仿真与试验的肩带力曲线，头部x向、z向以及合成加速度曲线，颈部剪切力Fx曲线、颈部张力Fz曲线、颈部伸张弯矩My曲线，胸部x向、合成加速度曲线，胸部压缩量曲线，左右大腿压缩力曲线与试验结果吻合度较好，如图5所示。对标曲线与仿真曲线的横纵坐标都进行了一些简化处理，从上述曲线可以看出，假人的头部和颈部仿真与试验曲线的相位和峰值有一些差异，这是因为假人的头部撞到了方向盘的上边缘，安全气囊被击穿，造成试验结果中头部和颈部的伤害值曲线出现异常波动，但是撞击的时刻以及曲线的走势是比较吻合的。根据整个假人伤害曲线对标结果可知，仿真模型可以比较真实地反映实车碰撞中假人的响应，可以用于下一步的研究。

3 未配备安全气囊的约束系统优化

从试验录像、曲线、照片以及车体的整体布置、车体的压溃空间可以看出，车身结构加速度曲线可优化的空间较小，且优化效果不明显。因此，从节约成本的角度考虑，不优化结构只优化约束系统来使假人伤害值达标。

由试验结果可知：座椅没有失效，说明假人向前的运动姿势是正确的。假人伤害值超标集中在头部和颈部，这是由于假人的额头撞在方向盘的上边缘，致使方向盘弯曲比较严重。该款车型的转向管柱设计状态是可以压溃的，但是由于假人头部撞到了方向盘的上边缘，方向盘没有很好地将力传递到转向管柱上，没有达到方向盘设计的压溃力，导致转向管柱没有压溃，转向管柱没有吸能造成了这种设计的浪费。如果将方向盘上轮缘软化，对假人的头部伤害值是有利的，但是此时方向盘刚度已经很小，如果继续软化，可能无法满足转向盘抗冲击性能、受力变形以及疲劳寿命等的规定[5]。因此，本文从增大安全带的限力等级、增加安全带的预紧、更改转向管柱的压溃力这三个方面来综合考虑降低假人头部以及颈部伤害值。

优化方案围绕安全带限力值、转向管柱压溃力、安全带预紧三方面进行优化，提出了3种优化方案，见表1。方案一为安全带限力值由3.5 kN改为4.0 kN；转向管柱压溃力由6.5～7 kN改为2.5～3.0 kN。方案二为安全带限力值由3.5 kN改为4.5 kN；在卷收器处加预紧器，预紧器点火时间为8 ms，预紧力为1.7 kN；转向管柱压溃力为2.5～3.0 kN。方案三为安全带限力值由3.5 kN改为4.0 kN；在卷收器处加预紧器，预紧器点火时间为8 ms，预紧力为2.0 kN；在锚点处加预紧器，预紧器点火时间为8 ms，预紧力为4.0 kN；转向管柱压溃力为2.5～3.0 kN。方案一假人头部HIC值余量比较小，3种方案头部3 ms合成加速度都超过了784 m/s2，综合考虑，选用方案二作为最终的优化方案。方案二中不同时刻假人的运动状态如图6所示。

4 配备安全气囊的约束系统优化

根据主机厂要求，匹配安全气囊假人伤害指标需要满足GB 11551—2014《乘用车正面碰撞的乘员保护》的要求。在原模型的基础上，通过更改安全带的限力等级、安全气囊的起爆时间、泄气孔大小以及拉带的长度和刚度对约束系统进行优化。匹配安全气囊优化后假人伤害值见表2。在方案一中，气囊起爆时间为15 ms，气囊拉带长度为0.22 m，气囊拉带刚度为5 300 N/m，泄气孔面积缩放因子为0.768，安全带限力等级为3.5 kN。在方案二中，气囊起爆时间为15 ms，气囊拉带长度为0.30 m，气囊拉带刚度为2 300 N/m，泄气孔面积缩放因子为0.768，安全带限力等级为3.5 kN。方案三是在方案二的基础上将安全带限力等级由3.5 kN改为5.0 kN。方案四是在方案二的基础上将限力安全带变为紧急锁止式安全带。由表2可知，方案二和方案三的假人身体各部位损伤值均达标。但是方案三相对而言头部3 ms合成加速度余量较小，出于综合考虑，采纳方案二作为最后的配备气囊约束系统优化方案。方案二中不同时刻假人的运动状态如图7所示。

5 结论

（1）本文对某款MPV约束系统建模并进行试验对标验证，对标结果吻合度较好，此约束系统模型可以进行下一步的优化分析。

（2）在对标模型的基础上对未配备安全气囊的约束系统进行优化分析，使其满足GB 11551—2003法规。结果表明：选用方案二作为最终的优化方案；安全带限力值为4.5 kN；在卷收器处加预紧器，预紧器点火时间为8 ms，预紧力为1.7 kN；转向管柱压溃力为2.5～3.0 kN；假人伤害值满足GB 11551—2003法规。

（3）在对标模型的基础上对配备安全气囊的约束系统进行优化分析，使其满足GB 11551—2014法规。综合考虑假人身体各部位损伤值，采纳方案二作为最后的配备气囊约束系统匹配优化方案，气囊起爆时间为15 ms，气囊拉带长度为0.30 m，气囊拉带刚度为2 300 N/m，泄气孔面积缩放因子为0.768，安全带限力等级为3.5 kN。本研究为以后此类车型约束系统优化的改进方向提供了指导。