正面碰撞中乘員小腿傷害的優(yōu)化分析

田涌君，張亞軍，曾必強(qiáng)

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津300162)

0 引 言

伴隨著汽車保有量的不斷增加以及行駛速度的不斷提高，全世界每天都會(huì)發(fā)生大量的車禍，這對(duì)人們的出行安全造成了很大的威脅。正因?yàn)槿绱?，汽車安全性能也越來越受到人們的重視?］。隨著NCAP 在中國(guó)的實(shí)施并不斷升級(jí)，國(guó)內(nèi)汽車廠商對(duì)于車輛安全也越加重視，國(guó)內(nèi)的汽車安全性能已經(jīng)有了很大的提高，在碰撞測(cè)試中得到五星級(jí)的車輛也越來越多［2-3］。雖然車輛整體安全性有了提高，但是胸部、小腿的得分依然不太理想。

針對(duì)2013年中國(guó)汽車技術(shù)研究中心所公布抽檢的車型進(jìn)行分析，在正面碰撞試驗(yàn)中，相對(duì)于假人頭部、頸部以及大腿，假人的胸部和小腿成了失分的重點(diǎn)部位，即便是五星級(jí)車輛也不能例外。據(jù)統(tǒng)計(jì)，乘員腿部傷害70%來自正面碰撞，腿部傷害不足以直接危機(jī)人體生命，但腿部恢復(fù)往往需要漫長(zhǎng)的時(shí)間，有時(shí)可能導(dǎo)致永久的殘疾，給患者帶來身體和生理上雙重傷害。因此，如何提高胸部以及小腿得分，避免乘員腿部受到傷害成為了提高整車星級(jí)得分的關(guān)鍵。

本研究依據(jù)C-NCAP 中小腿傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)影響小腿傷害因素進(jìn)行分析，提出可減小小腿傷害方案，并以滑車試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立該滑車試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用有限元分析手段，結(jié)合小腿運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，對(duì)乘員艙進(jìn)行優(yōu)化分析，使小腿得分達(dá)到目標(biāo)值。

1 小腿傷害指標(biāo)介紹

正面碰撞小腿部位得分評(píng)價(jià)指標(biāo)有兩個(gè):脛骨指數(shù)TI 和小腿壓縮力FZ。其中:沿小腿軸向傳遞的壓縮力FZ可以直接測(cè)量;小腿脛骨指數(shù)TI 是對(duì)小腿壓縮力FZ、彎矩MX、MY進(jìn)行加權(quán)計(jì)算所得。本研究對(duì)假人左、右小腿的上部和下部分別計(jì)算小腿性能指標(biāo)。計(jì)算公式如下:

式中:MX—繞小腿X 軸的彎矩，N·m;MY—繞小腿Y軸的彎矩，N·m;(MC)R—臨界彎矩，按225 N·m 計(jì);FZ—小腿Z 向的軸向壓縮力，kN;(FC)Z—小腿Z 向臨界壓縮力，按35．9 kN 計(jì)［4］。

假人小腿力和彎矩的傳感器位于上、下兩端，如圖1 所示。左腳放在歇腳板上(位置如圖2 所示)，由于歇腳板處的入侵變形，力的方向較為復(fù)雜，相應(yīng)產(chǎn)生的MX和MY導(dǎo)致了腳踝處的各方向的彎矩。右腳放置在油門踏板上(位置如圖3 所示)，而踏板系統(tǒng)固定在前圍上，腳跟下的地板在侵入時(shí)變形。

圖1 小腿傳感器位置

圖2 左側(cè)小腿在歇腳板位置

圖3 右側(cè)小腿在歇腳板位置

2 小腿傷害影響因素分析

影響小腿傷害的因素較多，傷害值評(píng)價(jià)也是各項(xiàng)指標(biāo)綜合作用的結(jié)果。眾所周知，小腿傷害對(duì)車體加速度的變化較為敏感，小腿傷害還與儀表板剛度、安全帶作用力、座椅剛度(包括假人與座椅摩擦)、地毯剛度等因素有著密切的聯(lián)系。小腿的擺放位置也將更直接影響小腿傷害情況，腳跟與腳心哪個(gè)先受力將表現(xiàn)出完全不同的傷害值［5-6］。

在車輛發(fā)生事故的時(shí)候，乘員艙特別是防火墻和地板的變形往往也是造成乘員腿部傷害的重要原因。一般的車輛開發(fā)的前期，可以通過改變車身結(jié)構(gòu)特別是主要吸能件的設(shè)計(jì)來達(dá)到改變車體加速度和減小乘員艙變形的目的［7］。但是，在進(jìn)行乘員約束系統(tǒng)匹配工作的時(shí)候，往往都已經(jīng)到了車輛開發(fā)的中后期，這個(gè)時(shí)候車身數(shù)?；緝鼋Y(jié)，對(duì)大的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行改動(dòng)的概率很小。所以在不改變車身結(jié)構(gòu)的情況下，如何提高小腿傷害成了一個(gè)關(guān)鍵［8-9］。本研究所涉及車型已處于量產(chǎn)階段，車體結(jié)構(gòu)以及座椅等重大部件不可做更改。為了在C-NCAP 中有較高得分，本研究通過優(yōu)化腳部緩沖墊的結(jié)構(gòu)與材料強(qiáng)度，提高緩沖墊的緩沖作用來減小小腿傷害，達(dá)到小腿可得滿分目的。

3 滑車仿真分析及小腿優(yōu)化

3．1 滑車試驗(yàn)介紹

滑車模擬碰撞試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證白車身有限元模型的正確性，滑車試驗(yàn)示意圖如圖4 所示。試驗(yàn)時(shí)將車身底部用兩條方型鋼管沿車身地板的加強(qiáng)縱梁焊接后鎖付在滑車上，方型鋼管前端與副車架焊接。確保車身引擎艙伸出滑車運(yùn)載平臺(tái)外。運(yùn)載平臺(tái)有軌道方向，可確保平臺(tái)沿水平直線運(yùn)動(dòng)。本研究在車身A、B柱及中央通道中部安裝三向軸向加速度傳感器，在車身左側(cè)面、右側(cè)面及頂部架設(shè)4 臺(tái)高速攝像機(jī)。待試驗(yàn)準(zhǔn)備完成后，本研究將整車加速度曲線輸入到滑車試驗(yàn)控制系統(tǒng)［10］。

圖4 滑車試驗(yàn)示圖

3．2 原始方案

某車型初始滑車試驗(yàn)小腿傷害以及得分情況如表1 所示。

從表1 中看出，左側(cè)小腿壓縮力較右側(cè)小腿壓縮力明顯偏高，左、右小腿上端脛骨指數(shù)較下端偏高，且高于C-NCAP 低性能值，主要因左側(cè)小腿下端脛骨力較大導(dǎo)致小腿失分較多。該車型小腿目標(biāo)分值是滿分，最終實(shí)現(xiàn)小腿各項(xiàng)傷害指標(biāo)在C-NCAP 低性能值以下且留有一定試驗(yàn)誤差余量。

表1 某車型正面臺(tái)車基礎(chǔ)試驗(yàn)小腿傷害及得分情況

為解決上述問題，本研究采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合方法進(jìn)行研究。經(jīng)過對(duì)基礎(chǔ)滑車試驗(yàn)進(jìn)行有限元對(duì)標(biāo)分析［11］(仿真模型整體部分對(duì)標(biāo)結(jié)果如圖5 所示)，確?；嚹Ｐ陀休^高對(duì)標(biāo)精度基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化分析，最終提供的優(yōu)化方案經(jīng)過滑車試驗(yàn)來驗(yàn)證?；嚹Ｐ蛯?duì)標(biāo)結(jié)果顯示:該模型整體對(duì)標(biāo)結(jié)果吻合度相對(duì)較好，模型具有一定可信度。

圖5 仿真模型整體部分對(duì)標(biāo)結(jié)果

3．3 優(yōu)化方案一

因該車型已處于量產(chǎn)階段，可提供改動(dòng)件較少，可以優(yōu)化小腿得分的部件主要是地毯以及歇腳板泡沫。本研究在上述對(duì)標(biāo)模型的基礎(chǔ)經(jīng)過仿真優(yōu)化分析，提出針對(duì)駕駛員左側(cè)歇腳板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低歇腳板坡度，歇腳板泡沫優(yōu)化方案如圖6 所示。

圖6 歇腳板泡沫優(yōu)化方案1

本研究根據(jù)仿真優(yōu)化提出設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在試驗(yàn)方案一中小腿傷害值如圖7 所示。

從試驗(yàn)對(duì)比曲線分析，在試驗(yàn)方案一中左側(cè)小腿脛骨力增大，右側(cè)小腿力減小，試驗(yàn)方案一中MX較基礎(chǔ)試驗(yàn)變化較大。試驗(yàn)方案一中小腿具體傷害指標(biāo)及得分情況如表2 所示，從表2 中信息可知，修改歇腳板泡沫結(jié)構(gòu)后，左側(cè)小腿脛骨力FZ反而增大，左側(cè)小腿脛骨指數(shù)也增大，左側(cè)小腿失分較多，右側(cè)小腿明顯變好。在滑車試驗(yàn)中，因車體加速度與假人質(zhì)量一定，在其他約束條件不變的情況下，假人左、右腿之間存在相互制恒關(guān)系。

經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的反復(fù)研究，因歇腳板泡沫剛度較大，導(dǎo)致歇腳板在試驗(yàn)以及仿真分析中變形較小。本研究建議降低歇腳板泡沫剛度，將有助于泡沫墊有更好的緩沖作用。

圖7 試驗(yàn)方案一與基礎(chǔ)試驗(yàn)對(duì)比-小腿脛骨力FZ

表2 試驗(yàn)方案一與基礎(chǔ)試驗(yàn)小腿傷害值與得分

3．4 優(yōu)化方案二

本研究在優(yōu)化方案一基礎(chǔ)上，減小泡沫墊剛度，將該方案進(jìn)行滑車試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖8 所示。

從試驗(yàn)結(jié)果分析，優(yōu)化歇腳板泡沫剛度后，左側(cè)小腳Z 向脛骨力明顯減小，右側(cè)小腿脛骨力較試驗(yàn)方案一有所增加，但最大值均在C-NCAP 低性能值以下。右側(cè)小腿上端傳感器的MX和MY較試驗(yàn)方案一有所增加，導(dǎo)致右側(cè)小腿上端脛骨指數(shù)增大，高于C-NCAP低性能值。從整體得分情況對(duì)比，降低歇腳板泡沫剛度能有效減小小腿傷害。得分對(duì)比如表3 所示。

圖8 試驗(yàn)方案二與試驗(yàn)方案一對(duì)比小腿脛骨力FZ

表3 試驗(yàn)方案二與試驗(yàn)方案一、基礎(chǔ)試驗(yàn)小腿傷害值與得分對(duì)比

3．5 優(yōu)化方案三

本研究在優(yōu)化方案二基礎(chǔ)上，減小假人膝部關(guān)節(jié)鉸鏈摩擦系數(shù)，該方案主要是為了研究假人傷害的影響因素，在整車試驗(yàn)中假人由第三方標(biāo)定，試驗(yàn)方不得對(duì)假人參數(shù)進(jìn)行修改。將該方案進(jìn)行滑車試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表4 所示。

表4 試驗(yàn)方案三與試驗(yàn)方案一、試驗(yàn)方案二、基礎(chǔ)試驗(yàn)小腿傷害值與得分對(duì)比

本研究從試驗(yàn)結(jié)果分析，降低假人膝部關(guān)節(jié)鉸鏈摩擦系數(shù)，假人脛骨力變化量相對(duì)較小，脛骨指數(shù)略有變化，但小腿所有傷害指標(biāo)均在C-NCAP 低性能值以下，滿足滑車優(yōu)化目標(biāo)。

3．6 整車試驗(yàn)驗(yàn)證

通過滑車試驗(yàn)驗(yàn)證，方案二對(duì)優(yōu)化小腿傷害有明顯提高改善，將該方案在整車試驗(yàn)中進(jìn)行了最終驗(yàn)證，進(jìn)一步驗(yàn)證了方案的可行性，對(duì)比情況如表5 所示。

表5 整車試驗(yàn)與試驗(yàn)方案二、基礎(chǔ)試驗(yàn)小腿傷害值與得分對(duì)比

本研究經(jīng)過整車試驗(yàn)驗(yàn)證，駕駛員側(cè)小腿傷害值均低于C-NCAP 低性能值，滿足初始設(shè)定目標(biāo)，進(jìn)一步驗(yàn)證了通過CAE 仿真所提供優(yōu)化方案的可信度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過對(duì)假人頭部、頸部、胸部、大腿、小腿傷害的CAE 仿真曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比，兩者吻合度較高，誤差不超過10%，表明本研究搭建的滑車模型是真實(shí)有效的。筆者利用CAE 仿真方法成功地對(duì)某車型小腿傷害進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過實(shí)車驗(yàn)證，表明CAE 模擬仿真是研究汽車安全碰撞性問題非常有效的方法。

本研究通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，仿真提供優(yōu)化方向，最終在試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證，避免純理論分析的無依據(jù)性，同時(shí)減少實(shí)車試驗(yàn)次數(shù)，降低項(xiàng)目開發(fā)成本，縮短項(xiàng)目開發(fā)周期。該研究方法可在后續(xù)項(xiàng)目開發(fā)中繼續(xù)推廣。

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