轉(zhuǎn)向管柱潰縮特性對(duì)駕駛員損傷的影響

劉玉云 盧靜亓 向翠 杜波濤 岳鵬

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）

在汽車被動(dòng)安全研究中，基于損傷機(jī)理的研究，如何提高碰撞中乘員的保護(hù)性能，研究人員開發(fā)出了安全氣囊、安全帶、限力式安全帶到預(yù)緊限力式安全帶再到雙級(jí)預(yù)緊式安全帶[1-2]。這些產(chǎn)品的量產(chǎn)化顯著提高了現(xiàn)代汽車的安全性能[3]。另一方面，為了進(jìn)一步改善頭部及胸部的損傷，開發(fā)出了可潰縮式的轉(zhuǎn)向管柱。文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了B級(jí)車轉(zhuǎn)向管柱的開發(fā)研究，文獻(xiàn)[5]針對(duì)轉(zhuǎn)向管柱的布置優(yōu)化進(jìn)行了探索，文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了轉(zhuǎn)向管柱對(duì)駕駛員損傷的試驗(yàn)研究。但是大部分研究都是針對(duì)轉(zhuǎn)向管柱的開發(fā)方法及相關(guān)法規(guī)試驗(yàn)方法的研究，并沒有涉及轉(zhuǎn)向管柱潰縮力特性的研究，然而在汽車碰撞中，轉(zhuǎn)向管柱的潰縮特性直接影響駕駛員頭部的損傷進(jìn)而影響駕駛員的胸部損傷[7-9]。因此，在汽車乘員的保護(hù)研究中，有必要進(jìn)行轉(zhuǎn)向管柱的特性研究，分析轉(zhuǎn)向管柱潰縮特性與損傷的關(guān)系，從而指導(dǎo)汽車安全的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高汽車產(chǎn)品的安全性能[10]。文章主要針對(duì)轉(zhuǎn)向管柱潰縮特性與駕駛員損傷的相關(guān)性進(jìn)行分析，探索碰撞中轉(zhuǎn)向管柱潰縮力對(duì)駕駛員損傷的影響規(guī)律，從而為整車安全性能開發(fā)及自適應(yīng)轉(zhuǎn)向管柱的研究及整車預(yù)研階段的性能監(jiān)控提供參考。

1 模型介紹

在汽車碰撞安全研究中，約束系統(tǒng)開發(fā)的主要手段包括有限元方法和多剛體的方法。有限元方法主要采用LS-DYNA軟件進(jìn)行輔助研究[11]696，多剛體的方法主要采用MADYMO軟件進(jìn)行研究。2種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，有限元方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠精確地分析約束系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對(duì)乘員損傷的影響，尤其是在一些局部損傷研究中，如C-NCAP碰撞中小腿損傷及座椅的防下潛研究，能夠準(zhǔn)確分析相關(guān)參數(shù)與假人損傷的相關(guān)性及影響程度，從而可以精確地指導(dǎo)設(shè)計(jì)[11-12]699。多剛體的分析方法優(yōu)點(diǎn)在于分析效率高。在約束系統(tǒng)優(yōu)化分析中，由于涉及較多的參數(shù)優(yōu)化（如安全氣囊、安全帶、座椅及轉(zhuǎn)向管柱參數(shù)等），工作量繁重，采用有限元的分析方法效率低。在一個(gè)全新開發(fā)的項(xiàng)目中，有限元方法突顯其局限性，而采用多剛體手段進(jìn)行分析，可充分利用其高分析效率的優(yōu)點(diǎn)。

文章著力于揭示碰撞中轉(zhuǎn)向管柱的特性參數(shù)對(duì)于駕駛員損傷影響的一般規(guī)律，不涉及具體的精確設(shè)計(jì)參數(shù)。采用多剛體手段分析高速碰撞中，轉(zhuǎn)向管柱的特性參數(shù)對(duì)駕駛員的損傷趨勢(shì)，為碰撞安全性能的改善提供參考?；谀耻囆?，建立了100%正面碰撞MADYMO仿真分析模型，如圖1所示，模型包括了約束系統(tǒng)分析的主要部件。

圖1 多剛體仿真分析模型

為保證仿真結(jié)果的可靠性，對(duì)仿真模型進(jìn)行了50 km/h100%正面碰撞滑臺(tái)試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，仿真模型頭部及胸部的對(duì)標(biāo)結(jié)果，如圖2和圖3所示；轉(zhuǎn)向管柱的潰縮時(shí)間歷程，如圖4所示。

圖2 某車型假人頭部加速度仿真與試驗(yàn)對(duì)比

圖3 某車型假人胸部加速度試驗(yàn)與仿真對(duì)比

圖4 轉(zhuǎn)向管柱潰縮歷程試驗(yàn)與仿真對(duì)比

采用軟件自帶的曲線相似性評(píng)價(jià)功能，將仿真與試驗(yàn)中假人的損傷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真曲線的峰值、峰值時(shí)刻及DUC（Difference area Under Curve）指標(biāo)均大于 85%，WIS（Weighted Integrated Score）指標(biāo)大于 80%。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，認(rèn)為仿真模型的精度滿足要求，可以用于下一步的分析。

2 轉(zhuǎn)向管柱參數(shù)分析

在汽車碰撞過程中，通過轉(zhuǎn)向管柱的潰縮，不僅能在碰撞事故發(fā)生時(shí)為駕駛員提供更大的生存空間，而且通過匹配合適潰縮力能夠充分緩沖駕駛員與氣囊接觸的沖擊力，從而降低駕駛員的頭部傷害。研究中發(fā)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)向管柱的潰縮歷程對(duì)駕駛員的保護(hù)效能不盡相同，因此有必要分析轉(zhuǎn)向管柱潰縮歷程的影響因素。影響轉(zhuǎn)向管柱潰縮時(shí)間歷程的因素主要有轉(zhuǎn)向管柱的壓潰力特性和可潰縮距離，潰縮力特性又可細(xì)分為潰縮峰值力及潰縮持續(xù)力，轉(zhuǎn)向管柱的這3個(gè)特性影響著轉(zhuǎn)向管柱的潰縮歷程。在整車開發(fā)過程中，變更轉(zhuǎn)向管柱的潰縮距離可行性不高，通常進(jìn)行潰縮力的調(diào)節(jié)，因此，主要進(jìn)行轉(zhuǎn)向管柱潰縮峰值力及持續(xù)力的規(guī)律分析及優(yōu)化。

2.1 峰值力對(duì)轉(zhuǎn)向管柱潰縮及駕駛員損傷的影響

在相同持續(xù)力下，研究不同峰值力對(duì)轉(zhuǎn)向管柱潰縮特性及駕駛員頭部損傷的影響，選擇峰值力在2.5～4.5 kN的分析區(qū)間，根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)2.5～4.5 kN適應(yīng)多數(shù)據(jù)管柱的特性范圍，峰值力過高轉(zhuǎn)向管柱基本不潰縮，峰值力過低，容易影響正常使用。分析案例，如表1所示。轉(zhuǎn)向管柱的潰縮歷程及駕駛員的損傷響應(yīng)，如圖5和表2所示。

圖5 不同峰值力下轉(zhuǎn)向管柱時(shí)間歷程（持續(xù)力為0.5 kN）

表2 不同峰值力駕駛員損傷響應(yīng)

從假人響應(yīng)的情況分析：峰值力從2.5 kN提高到3.5kN時(shí)，駕駛員的頭部損傷明顯改善；峰值力從3.5 kN提高到4.5 kN時(shí)，駕駛員的頭部損傷改善不明顯，說明對(duì)于特定系統(tǒng)轉(zhuǎn)向管柱的潰縮峰值力存在一個(gè)最低分界區(qū)間（分析案例中的優(yōu)秀區(qū)間在3.5 kN左右)。結(jié)合仿真動(dòng)畫分析，當(dāng)峰值力小于該區(qū)間時(shí)，轉(zhuǎn)向管柱容易出現(xiàn)潰縮過早，引起較高的頭部3 ms加速度和HIC（頭部損傷指數(shù)），當(dāng)峰值力高于該區(qū)間時(shí)，頭部損傷顯著改善，當(dāng)轉(zhuǎn)向管柱潰縮峰值力進(jìn)一步增大時(shí)，在頭部損傷改善的同時(shí)胸部損傷也會(huì)增加，因此若兼顧頭部與胸部的損傷，峰值力略高于最低峰值力區(qū)間是一個(gè)較優(yōu)取值。

2.2 持續(xù)力對(duì)轉(zhuǎn)向管柱潰縮及駕駛員損傷的影響

在相同峰值力下，研究不同持續(xù)力對(duì)轉(zhuǎn)向管柱潰縮特性及駕駛員頭部的損傷影響，選取持續(xù)力在0.5～1.5 kN的分析區(qū)間，根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)0.5～1.5 kN適應(yīng)多數(shù)據(jù)管柱的特性范圍，分析案例，如表3所示。

表3 不同持續(xù)力對(duì)轉(zhuǎn)向管柱潰縮影響的分析案例

轉(zhuǎn)向管柱的潰縮歷程及駕駛員的損傷響應(yīng)，如圖6和表4所示。分析圖6和表4可知，當(dāng)峰值力為2.5 kN時(shí)，轉(zhuǎn)向管柱的潰縮對(duì)持續(xù)力敏感；持續(xù)力為0.5 kN時(shí)，頭部損傷超出C-NCAP規(guī)定的最高性能限值；持續(xù)力為1 kN時(shí)頭部損傷也有較高的損傷風(fēng)險(xiǎn)；持續(xù)力為1.5 kN時(shí)頭部損傷能保持較低水平；峰值力為4.5 kN時(shí)，持續(xù)力從0.5 kN增加至1.5 kN時(shí)，轉(zhuǎn)向管柱的潰縮時(shí)刻對(duì)持續(xù)力的變化敏感性降低，且均能保持頭部損傷在較低水平。

圖6 不同持續(xù)力下轉(zhuǎn)向管柱時(shí)間歷程

表4 不同持續(xù)力下駕駛員損傷響應(yīng)

在同一碰撞工況下，同一持續(xù)力下，轉(zhuǎn)向管柱的峰值力在2.5～4.5 kN范圍內(nèi)變化，峰值力越大，潰縮的時(shí)刻越遲；同一峰值力下，持續(xù)力在0.5～1.5 kN內(nèi)變化，持續(xù)力增加潰縮時(shí)間延遲。表明峰值力直接影響轉(zhuǎn)向管柱潰縮的時(shí)刻，持續(xù)力直接影響轉(zhuǎn)向管柱的潰縮過程。反映到駕駛員的損傷，在一定范圍內(nèi)，較高的潰縮峰值力及持續(xù)力有利于降低頭部損傷，但峰值力較高時(shí)對(duì)胸部的影響較大，且不能通過調(diào)整持續(xù)力降低胸部位移。因此，兼顧頭部與胸部的損傷，在一定的約束系統(tǒng)下匹配轉(zhuǎn)向管柱時(shí)，考慮較低的峰值力，同時(shí)選擇較高的持續(xù)力。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)分析結(jié)果，在本課題中使用的約束系統(tǒng)匹配轉(zhuǎn)向管柱峰值力的優(yōu)秀區(qū)間在3.5 kN左右（匹配不同約束系統(tǒng)優(yōu)秀區(qū)間會(huì)有差異），在匹配新的轉(zhuǎn)向管柱時(shí)，較高的潰縮力可確保頭部損傷保持在低水平，同時(shí)峰值力太高時(shí)會(huì)影響胸部位移的優(yōu)化空間，考慮轉(zhuǎn)向管柱潰縮力的行業(yè)誤差為±1 kN，有可能在峰值力較低時(shí)，會(huì)因?yàn)檎`差的原因出現(xiàn)極低的峰值力。因此兼顧頭部與胸部的損傷，確定轉(zhuǎn)向管柱的壓潰特性設(shè)計(jì)參數(shù)峰值力為3.5 kN，持續(xù)力為1.5 kN，并通過滑臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)向管柱的表現(xiàn)性能。

滑臺(tái)試驗(yàn)前，通過靜態(tài)試驗(yàn)獲得優(yōu)化前同批次樣件轉(zhuǎn)向管柱的壓潰峰值力為2.8 kN，持續(xù)力約0.8 kN，優(yōu)化后同批次樣件轉(zhuǎn)向管柱的壓潰峰值力為3.2 kN，持續(xù)力約1.3 kN。從轉(zhuǎn)向管柱優(yōu)化前后的滑臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果（表5）可以看出，提高潰縮力后，頭部損傷明顯降低，HIC值降低顯著，同時(shí)，胸部位移有上升趨勢(shì)?；_(tái)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析的結(jié)論。

表5 轉(zhuǎn)向管柱優(yōu)化前后試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

對(duì)轉(zhuǎn)向管柱潰縮力特性的研究表明，轉(zhuǎn)向管柱峰值力和持續(xù)力存在一個(gè)優(yōu)秀區(qū)間，在不影響潰縮的前提下，高于該潰縮峰值力優(yōu)秀區(qū)間有利于改善駕駛員頭部損傷，但過高的潰縮力將增加胸部的損傷，較高的持續(xù)力有利于提高轉(zhuǎn)向管柱潰縮的魯棒性。

通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向管柱的參數(shù)，可提高后期約束系統(tǒng)性能的優(yōu)化空間，為約束系統(tǒng)的匹配提供了新的優(yōu)化因素，為轉(zhuǎn)向管柱的性能設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了參考。下一步將研究轉(zhuǎn)向管柱潰縮力優(yōu)秀區(qū)間與匹配的安全氣囊的關(guān)系，進(jìn)一步分析影響潰縮力優(yōu)秀區(qū)間的因素。