某低配轎車駕駛員頭部保護方案優(yōu)化設計*

潘麗杰，田佳平

(華晨汽車集團控股有限公司，遼寧沈陽 110041)

0 引言

某款轎車采用無縫氣囊，普通三點式安全帶的低端配置，乘員約束系統需要滿足GB11551的前面碰撞強制性法規(guī)要求［1］。由于車體空間有限，沒有氣囊的保護，很難達到開發(fā)目標。在滑臺試驗驗證中發(fā)現，很難滿足犯規(guī)要求。圖1為滑臺實驗環(huán)境臺。表1為滑臺實驗結果。

圖1 滑臺實驗環(huán)境臺

表1 滑臺實驗后測試表

通過實驗，產品設計不滿足法規(guī)要求。由于項目后期不允許太大的工程更改，并且項目成本控制壓力大。筆者旨在對已經存在的產品，在不進行太多參數改動的基礎上，來達到項目開發(fā)目標。

通過基礎滑臺試驗結果的數據分析，發(fā)現頭部傷害指標過高，是該項目不滿足法規(guī)要求的主要問題。其原因在于該車型前端吸能區(qū)域表現不佳以及約束系統部件中未配備氣囊?；谶@一特殊工況，筆者提出將腰帶部分一定長度的安全帶折疊縫合并且通過控制縫紉線的強度，來達到限力效果的優(yōu)化方案。該方案可以通過調整相關的安全帶參數來改變碰撞過程中假人的運動姿態(tài)，降低頭部傷害指標。

通過MADYMO仿真與試驗設計(DOE)相結合的方法，對該項目安全帶設計參數，進行優(yōu)化設計。通過調整織物延伸率、調節(jié)安全帶限力等級參數調整得到理想參數模型［2］。將模型進行搭建物理實驗平臺，再次進行滑臺試驗驗證，最重滿足法規(guī)要求。

1 仿真模型建立及計算

1.1 仿真模型建立

為了縮短開發(fā)周期，采用MADYMO軟件來預測碰撞過程中約束系統特性及乘員傷害情況。通過前期的基礎滑臺試驗，發(fā)現駕駛員頭部傷害超出法規(guī)要求，而乘員側頭部傷害指標相對較低，在法規(guī)要求范圍內。因此該模型主要針對駕駛員側約束系統進行研究［3］。

MADYMO正撞模型包括車體，乘員和約束系統等構成。車體系統包括:地板、防火墻、風擋、頂棚、儀表板、方向盤和座椅。約束系統包括安全帶，安全帶織物可用多體或多體－FE混合建模。將試驗中測得的B柱下端的加速度信號和重力場施加在MADYMO模型上，不同角度觀看的完整模型如圖2、圖3所示。

圖2 仿真模型建立1

圖3 仿真模型建立2

通過仿真計算，MADYMO軟件可以輸出假人傷害指標文件。GB11551法規(guī)主要對頭部HIC36、胸部壓縮量以及大腿壓縮力進行評價。仿真模型中，對織帶的撕裂特性也進行了模擬，將撕裂力值設為4 kN，即當安全帶拉力達到4 kN時，折疊部分的織帶將全部放出。

1.2 根據織物延伸率不同

在模型中，調整安全帶織物延伸率7%～12%，對比結果如圖4所示。

圖4 不同織物延伸率對乘員傷害影響

結果顯示，調整安全帶織物延伸率對乘員頭部，頸部及胸部的傷害產生一定影響。隨著延伸率的增大頭部加速度及頸部拉伸力FZ有些許升高，頸部剪切力FX、頸部延展力矩My及胸部位移量有所降低，但是兩種延伸率假人傷害差異并不是很明顯。

1.3 限力等級不同

在MADYMO模型中，針對五種限力等級安全帶分別進行約束系統仿真計算，安全帶參數如表2所示;仿真結果曲線對比如圖5所示。對假人頸部拉伸力FZ及胸部壓縮量進行評價。

表2 不同安全帶限力等級

圖5 不同限力等級安全帶對乘員傷害影響

由假人傷害值曲線對比可知，限力式安全帶對于改善乘員胸部位移量效果明顯，對于降低頸部FZ作用不大。其原因在于限力式安全帶改善了乘員上軀干的運動姿態(tài)，隨著限力器起作用放出織帶，緩解了安全帶對乘員胸部的壓力，頸部產生較大拉伸力。

通過調整織物延伸率、調節(jié)安全帶限力等級，得到新的模型，對模型進行計算，將仿真結果與基礎滑臺試驗假人頭部加速度曲線對標，圖6為駕駛員頭部仿真曲線與滑臺曲線對標。

圖6 駕駛員頭部仿真曲線與滑臺曲線對標

在對標后的MADYMO駕駛員側約束系統仿真模型的基礎上，可以進一步進行DOE試驗設計，以尋找最佳的安全帶參數來降低頭部傷害指標。

2 DOE試驗設計

DOE是一種安排試驗和分析試驗數據的數理統計方法;試驗設計主要對試驗進行合理安排，以較小的試驗規(guī)模(試驗次數)、較短的試驗周期和較低的試驗成本，獲得理想的試驗結果和正確的結論。

在該項目中，將駕駛員頭部傷害值作為評價指標，安全帶縫紉線撕裂力、折疊長度和延伸率確定為主要影響因素，安全帶的撕裂力，折疊長度和延伸率確定為主要影響因素，而因素的水平數如表3所示。

表3 因素水平表

選用L16(34)正交表，通過MADYMO仿真運算，安全帶最終的優(yōu)化參數為:織帶延伸率為9%，折疊長度為110 mm，撕裂力為4 kN。

3 滑臺試驗驗證

DOE試驗設計完成之后，進行滑臺試驗驗證安全帶優(yōu)化參數的有效性?；_環(huán)境如圖1所示?；_試驗包括原車匹配的延伸率為12%的普通三點式安全帶和優(yōu)化后的延伸率為9%，織帶折疊110 mm，撕裂力值為4 kN的安全帶，試驗結果如表4所列。由表4可以看到，通過安全參數優(yōu)化，駕駛員頭部傷害指標有了大幅降低，完全滿足法規(guī)要求。

表4 滑臺試驗結果

4 結語

通過MADYMO仿真計算與DOE試驗設計相結合的方法，對低配轎車駕駛員頭部保護進行優(yōu)化設計，通過調整織物延伸率、調節(jié)安全帶限力等級。得到理想的安全帶優(yōu)化參數。

物理滑臺試驗驗證結果顯示該優(yōu)化方案有效降低了駕駛員頭部傷害，滿足了法規(guī)要求。該項目優(yōu)化方案切實可行，為其他類似車型乘員約束系統優(yōu)化提供了有效借鑒。

參考資料:

［1］ 曹立波，李正坤，龔永堅.主動式安全頭枕的開發(fā)及仿真研究［J］.清華大學學報，2012，5(1):36－40.

［2］ 陳 超，李廣益，婁 磊，等.基于鞭打試驗的頭枕與乘員頸部傷害關系分析［J］.清華大學學報，2012，14(3):87－91.

［3］ Svensson M Y，Aldman B.Pressure Effects in the SpinalCanal During Whiplash Motiom－a Possible Cause of Injurythe Cervical Spinal Ganglia［J］.International IR COBIConference on the Biomechanics of Impacts，2002，717(1):29－39.