正面碰撞后排假人頸部力學(xué)響應(yīng)分析與應(yīng)用*

盧 放，張君媛，馬 悅，劉靜巖，葉文濤

(1.一汽轎車股份有限公司，長春 130012； 2.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022； 3.一汽-大眾汽車有限公司，長春 130011)

2016131

正面碰撞后排假人頸部力學(xué)響應(yīng)分析與應(yīng)用*

盧 放1，張君媛2，馬 悅2，劉靜巖3，葉文濤3

(1.一汽轎車股份有限公司，長春 130012； 2.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022； 3.一汽-大眾汽車有限公司，長春 130011)

目前車輛在正面碰撞過程中后排假人頸部失分嚴(yán)重，相關(guān)研究較少，開發(fā)過程缺少科學(xué)指導(dǎo)和工程經(jīng)驗(yàn)。因此，本文中根據(jù)對(duì)后排假人在碰撞過程中頸力學(xué)響應(yīng)過程的解析分析，獲得后排假人頸部力的等效計(jì)算公式，分析假人頸部力的組成部分和傷害來源，以及假人主要部位的理想運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和設(shè)計(jì)目標(biāo)；然后建立設(shè)計(jì)目標(biāo)與后排約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)之間的相關(guān)性，用以指導(dǎo)后排約束系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)，達(dá)到降低后排假人頸部力的目標(biāo)。最后將該方法應(yīng)用于某A類乘用車后排乘員約束系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

正面碰撞；后排乘員；乘員約束系統(tǒng)；頸部力學(xué)響應(yīng)

前言

在幾個(gè)普遍認(rèn)可的NCAP評(píng)價(jià)體系中，C-NCAP和J-NCAP均對(duì)后排5百分位女性假人進(jìn)行單獨(dú)評(píng)價(jià)[1]。

由于安全氣囊和安全帶的聯(lián)合作用，車輛前排假人頸部傷害已經(jīng)得到了較好控制，而后排乘員約束系統(tǒng)配置低，相關(guān)研究少，因此車輛后排假人頸部失分嚴(yán)重。目前國外的研究主要針對(duì)新型約束系統(tǒng)，例如充氣式安全帶和雙級(jí)限力等裝置保護(hù)效果的研究[2-4]，但受到成本等因素的制約，并沒有得到廣泛應(yīng)用；國內(nèi)的研究則通過仿真和試驗(yàn)分析某些參數(shù)，如車體波形或安全帶特性等，對(duì)假人頸部傷害的影響[5-6]。整體來說現(xiàn)階段研究成果缺少對(duì)頸部傷害的全面理解，導(dǎo)致在約束系統(tǒng)開發(fā)過程中依舊存在盲目性。因此，對(duì)后排假人頸部力學(xué)響應(yīng)的分析，可以整體把握其傷害來源和設(shè)計(jì)方向，為后排約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，避免參數(shù)設(shè)計(jì)的盲目性[7-8]。

1 C-NCAP對(duì)后排乘員傷害的試驗(yàn)要求

2012年7月1日中國汽車技術(shù)研究中心正式實(shí)施2012版C-NCAP規(guī)程，分別在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)(FRB)、正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)(ODB)和可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞試驗(yàn)(MDB)3項(xiàng)碰撞試驗(yàn)中，增加了對(duì)后排5百分位女性假人傷害情況的定量化評(píng)價(jià)，每種工況滿分為2分[9]。其中FRB和ODB兩種工況包括對(duì)后排假人頸部的傷害評(píng)價(jià)。在分值分配方面，F(xiàn)RB工況對(duì)乘員頸部傷害進(jìn)行單獨(dú)評(píng)價(jià)，滿分為0.2分；ODB工況對(duì)乘員頸部與頭部同時(shí)評(píng)價(jià)，取兩者最低分，滿分為1分。在評(píng)價(jià)指標(biāo)方面，由后排乘員頭部是否發(fā)生二次碰撞決定，如果未發(fā)生二次碰撞，則只須考慮頸部Fz，如果發(fā)生二次碰撞，則須同時(shí)考慮頸部Fx，F(xiàn)z和My，以及頭部HIC15。具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。最新實(shí)施的2015版C-NCAP規(guī)程不僅沿用了2012版3種碰撞工況中對(duì)后排女性假人的考察項(xiàng)目和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),并將下潛納入扣分項(xiàng)目。

表1 2012版C-NCAP后排假人頸部評(píng)價(jià)指標(biāo)

統(tǒng)計(jì)中國汽車技術(shù)研究中心已公布的139款車型中假人頸部得分情況的結(jié)果表明，在FRB和ODB工況下前排假人頸部得分非常高，兩種工況平均得分為98.9%和96.0%，可見前排假人頸部傷害已經(jīng)得到了良好的控制；相比之下，后排假人頭頸部得分明顯較低，兩種工況平均分為37.8%和33.7%，如表2所示。

表2 前排和后排配置頭頸部得分情況

前后排約束系統(tǒng)使用情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。上述139款車型前排大多數(shù)已匹配具有預(yù)緊和限力功能的安全帶，占所有車型的97.1%，并全部采用了安全帶氣囊裝置，而后排約束系統(tǒng)大多數(shù)依舊采用三點(diǎn)式安全帶，占16%，可見后排乘員約束系統(tǒng)配置較前排低得多。

表3 前排與后排約束系統(tǒng)配置對(duì)比

另外，不同配置情況下后排假人頸部得分情況表明，后排乘員傷害相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)眾多，即使采用預(yù)緊和限力裝置或是單獨(dú)采用限力裝置可以降低頸部傷害，但也無法絕對(duì)保證后排乘員頸部得分，后排假人頸部總得分與配置的關(guān)系如圖1所示。

綜上所述，目前國內(nèi)車輛后排假人傷害頸部比前排失分嚴(yán)重得多，約束系統(tǒng)配置低，影響因素多。因此，為快速降低后排假人頸部傷害，應(yīng)從頸部力學(xué)響應(yīng)出發(fā)，對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行全面考量分析，從而減少參數(shù)設(shè)計(jì)過程中的盲目試算。

2 后排假人頸部Fz力學(xué)響應(yīng)的解析分析

2.1 后排假人頸部Fz力學(xué)響應(yīng)過程的簡化

后排乘員在運(yùn)動(dòng)過程中，如果頭部不發(fā)生二次碰撞，則僅受到來自頸部的約束力。因此，假人頸部Fz和頭部的Z向加速度關(guān)系可以描述為Fz=mh·az，實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。可見，F(xiàn)RB和ODB兩種工況均符合上述規(guī)律，因此本文中僅對(duì)正面全寬碰撞工況進(jìn)行分析。

為分析后排假人頸部Fz力學(xué)響應(yīng)，將碰撞過程中后排假人胸部以上部分簡化為上軀干、頸部和頭部質(zhì)量塊3個(gè)部分，如圖3所示。后排乘員在碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)過程可以描述為胸部平動(dòng)以及上軀干和頸部的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

頭部Z向加速度的具體計(jì)算推導(dǎo)過程如下。

(1) 求解頸部N點(diǎn)加速度

將頸部和頭部質(zhì)量塊當(dāng)成一個(gè)整體，質(zhì)量集中在N點(diǎn)，此時(shí)N點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可以描述為C點(diǎn)的平動(dòng)和N點(diǎn)相對(duì)于C點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4(a)所示，N點(diǎn)加速度為

(1)

(2)

(2) 求解頭部H點(diǎn)的Z向加速度

由于頸部和上軀干存在角度(θh-θt)，如圖4(b)所示，所以H點(diǎn)Z向運(yùn)動(dòng)可以描述為N點(diǎn)加速度在其相對(duì)坐標(biāo)Z向加速度分量和相對(duì)于N點(diǎn)的向心加速度，推導(dǎo)結(jié)果為

(3)

將式(3)展開，則有

(4)

(3) 簡化處理

將式(4)簡化為

(5)

利用仿真輸出結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證后排假人Z向加速度的等效計(jì)算結(jié)果與直接輸出結(jié)果，如圖5所示。結(jié)果表明，該等效計(jì)算公式可以對(duì)后排假人頸部Fz進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

根據(jù)牛頓第二定律可得

(6)

2.2 后排假人頸部Fz力學(xué)響應(yīng)影響因素的解析

將式(6)的4個(gè)組成部分歸為兩大部分：第一部分是胸部加速度對(duì)頸部Fz的貢獻(xiàn)，包括胸部X向和Z向加速度；第二部分是轉(zhuǎn)動(dòng)加速度對(duì)頸部Fz的貢獻(xiàn)，包括頸部轉(zhuǎn)動(dòng)加速度和上軀干轉(zhuǎn)動(dòng)加速度。表4為上述兩部分的來源以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表4 頸部Fz組成部分分析

研究表明，降低頸部Fz可以通過以下途徑實(shí)現(xiàn)：

(1) 通過約束頭部減小頭頸部運(yùn)動(dòng)差異，可有效降低頸部Fz，但需要外部附加約束系統(tǒng)；

(2) 降低胸部加速度不僅可直接降低胸部加速度對(duì)頸部Fz的貢獻(xiàn)，同時(shí)也可降低頭部和胸部的運(yùn)動(dòng)差異，最終實(shí)現(xiàn)降低后排假人頸部Fz的目的。

為分析驗(yàn)證頸部Fz力學(xué)響應(yīng)的解析分析結(jié)果，利用后排基礎(chǔ)仿真模型，統(tǒng)計(jì)計(jì)算采用不同約束系統(tǒng)特性時(shí)假人各部位的力學(xué)響應(yīng)。圖6為后排假人胸部加速度與其頸部Fz各組成部分的關(guān)系。由圖可見，隨著胸部加速度降低，假人胸部X向、Z向和頸部轉(zhuǎn)動(dòng)貢獻(xiàn)也會(huì)降低，但上軀干轉(zhuǎn)動(dòng)貢獻(xiàn)會(huì)有所增加，其幅度明顯低于其他3種變化幅度。所以通過降低頭部與胸部之間運(yùn)動(dòng)差異及胸部加速度即可降低頸部傷害。

通常，胸部加速度主要由約束系統(tǒng)的約束力產(chǎn)生[10-12]，對(duì)于后排假人即為安全帶肩帶約束力產(chǎn)生，而該約束力則由安全帶織帶力和安全帶所呈夾角αSB共同決定，如圖7所示。設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)盡量降低安全帶織帶力；在織帶力不變的情況下，要保持較大的αSB，即限制乘員胸部位移量。

由于假人骨盆與胸部相連接，為在安全帶織帶力不變情況下限制胸部位移量，可以考慮限制后排假人骨盆運(yùn)動(dòng)量。圖8為胸部加速度與骨盆位移和限力等級(jí)的關(guān)系，其中限力等級(jí)用限力扭桿的扭矩表達(dá)。

根據(jù)上述對(duì)假人頸部力學(xué)響應(yīng)過程的解析和仿真統(tǒng)計(jì)分析，獲得后排假人頭部、胸部和骨盆3個(gè)重要部位的理想運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，如圖9所示。具體是通過合理設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，以外部約束來限制假人頭部運(yùn)動(dòng)，降低約束系統(tǒng)對(duì)胸部產(chǎn)生的約束力和限制假人骨盆的運(yùn)動(dòng)。如將上述對(duì)假人頸部Fz力學(xué)響應(yīng)的解析分析結(jié)果應(yīng)用于后排假人運(yùn)動(dòng)分析，即可建立其與后排約束系統(tǒng)的相關(guān)性，進(jìn)而指導(dǎo)后排乘員約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。但是，由于乘用車后排空間結(jié)構(gòu)的原因，難以安裝安全氣囊裝置，因此缺少對(duì)假人頭部直接的約束。另外研究發(fā)現(xiàn)，充氣式安全帶可以有效用于對(duì)后排假人頭部的約束[13-14]，但受到成本和技術(shù)的限制，目前沒有得到廣泛應(yīng)用。

后排約束系統(tǒng)中只有安全帶肩帶直接作用于假人胸部，因此在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡可能降低安全帶織帶力，即降低安全帶的限力等級(jí)。但是，后排空間尺寸參數(shù)會(huì)限制安全帶限力等級(jí)的降低，所以可以考慮增加卷收器預(yù)緊裝置，并進(jìn)一步降低限力等級(jí)。

后排約束系統(tǒng)中作用于假人骨盆位置的有安全帶腰帶和后排座椅坐墊。目前車型碰撞試驗(yàn)結(jié)果表明，后排假人骨盆位移量偏大主要源于下潛[15]，因?yàn)橄聺搶?dǎo)致骨盆位移量增大，約束系統(tǒng)的約束力增強(qiáng)，進(jìn)而假人傷害也隨之增大。因此，后排骨盆相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量降低假人下潛趨勢(shì)。

對(duì)于安全帶腰帶，鎖扣和錨點(diǎn)位置決定安全帶腰帶與乘員的接觸位置[16]。例如，固定點(diǎn)X向位置距離乘員越遠(yuǎn)，Z向位置距離乘員越近，則安全帶腰帶與假人接觸位置也越高，腰帶角度(腰帶與水平面所呈角度)越小，腰帶與骨盆質(zhì)心距離越遠(yuǎn)，如圖10所示。這就意味著在碰撞過程中骨盆繞腰帶的轉(zhuǎn)矩越大，下潛趨勢(shì)也越明顯，如圖11所示。因此，安全帶固定點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大腰帶角度，例如降低固定點(diǎn)Z向位置等。

對(duì)于后排座椅坐墊參數(shù)，為減小假人下潛趨勢(shì)，應(yīng)在滿足后排乘員乘坐舒適性的前提下，增大坐墊剛度、坐墊傾角和減薄厚度，以及采用增加防下潛裝置等方法。

3 后排約束系統(tǒng)的改進(jìn)

將假人頸部Fz力學(xué)響應(yīng)解析分析結(jié)果應(yīng)用于國內(nèi)某A類乘用車后排乘員約束系統(tǒng)的改進(jìn)過程?？紤]該車型總布置已經(jīng)確定，車體結(jié)構(gòu)、安全帶固定點(diǎn)位置和坐墊形狀等已經(jīng)確定，所以采用降低限力等級(jí)，增加預(yù)緊并降低限力等級(jí)和增大坐墊剛度3種改進(jìn)方案。

首先基于目標(biāo)車型利用MADYMO軟件建立后排乘員約束系統(tǒng)多剛體與有限元耦合仿真模型[17]，然后通過加載不同波形模擬FRB和ODB兩種工況車體后排運(yùn)動(dòng)情況，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和響應(yīng)對(duì)比如圖12和圖13所示。

利用上述耦合仿真模型，分別計(jì)算3種改進(jìn)方案的效果。

(1) 降低限力等級(jí)

原始和改進(jìn)后限力特性如圖14所示。

降低限力等級(jí)的效果，即得分的提高，如表5所示。

表5 降低安全帶限力等級(jí)的效果

(2) 增加預(yù)緊并降低限力等級(jí)

采用卷收器預(yù)緊，預(yù)緊量為60mm；原始和改進(jìn)后的限力特性如圖15所示。所對(duì)應(yīng)的效果如表6所示。

(3) 提高坐墊剛度

將后排坐墊剛度提高50%后得分的提高如表7所示。

表6 增加預(yù)緊并降低限力等級(jí)的效果

表7 提高坐墊剛度的效果

結(jié)果表明，利用后排假人頸部力學(xué)響應(yīng)的解析分析結(jié)論，可以快速為后排乘員約束性系統(tǒng)的改進(jìn)提供指導(dǎo)，改進(jìn)后目標(biāo)車型在C-NCAP中的后排頸部得分明顯提高，同時(shí)未降低假人胸部得分，因此后排乘員整體得分得到了提高。

4 結(jié)論

通過建立后排5百分位女性假人頸部Fz力學(xué)響應(yīng)等效計(jì)算公式，分析后排5百分位女性假人頸部Fz力學(xué)響應(yīng)特性及其傷害來源，結(jié)合仿真計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析，獲得了后排假人主要部位理想的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，即相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)過程中盡量限制假人頭部運(yùn)動(dòng)，降低約束系統(tǒng)對(duì)胸部產(chǎn)生的約束力和限制假人骨盆的運(yùn)動(dòng)。然后，通過探討設(shè)計(jì)目標(biāo)與后排約束系統(tǒng)之間的相關(guān)性，提出后排約束系統(tǒng)各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)方向，包括安全帶特性和座椅坐墊特性等。最終基于假人頸部Fz力學(xué)響應(yīng)解析分析結(jié)果，歸納總結(jié)出以降低頸部Fz為目標(biāo)的后排約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向，避免大量盲目的計(jì)算或試驗(yàn)。最后綜合解析分析結(jié)果與目標(biāo)車型總布置情況，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，對(duì)于100%正面全寬碰撞和40%偏置碰撞兩種工況，后排假人頸部Fz得分和后排總分均得到了提高。

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The Analysis and Application of the Neck MechanicalResponse of Rear Seat Dummy in Frontal Crash

Lu Fang1, Zhang Junyuan2, Ma Yue2, Liu Jingyan3& Ye Wentao3

1.FAWCARCo.,Ltd.,Changchun130012; 2.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022; 3.FAW-WolkswagenAuto.Co.,Ltd.,Changchun130011

At present, the scores of rear seat dummy neck in frontal crash is particularly low, and in this respect, little research has been done and vehicle development process lacks scientific guidance and engineering experiences. In view of this, based on the analytical analysis on neck mechanical responses in the crash process of rear seat dummy, the equivalent neck force formula of rear seat dummy is derived, the constituent and injury sources of dummy neck force as well as the ideal motion trend and design goal of main dummy parts are analyzed. Then the correlations between design goal and design parameters of rear seat restraint system are established to guide the parameter design of rear seat restraint system and attain the objective of reducing neck force of rear seat dummy. Finally the method adopted is applied to the modification design of the rear seat occupant restraint system of a class-A car.

frontal crash; rear seat occupant; occupant restraint system; neck mechanical response

*國家自然科學(xué)基金(51375203)資助。

原稿收到日期為2014年1月13日，修改稿收到日期為2015年4月27日。