某車型正面碰撞中安全帶性能優(yōu)化應(yīng)用

張厚君

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某車型正面碰撞中安全帶性能優(yōu)化應(yīng)用

張厚君

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

基于整車平臺(tái)化戰(zhàn)略框架下，結(jié)合平臺(tái)內(nèi)各項(xiàng)目布置，性能，成本和輕量化要求，規(guī)劃設(shè)計(jì)安全性和高輕量化的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，達(dá)到框架一致性和最大化零件沿用。同時(shí)，還需滿足多方面的汽車碰撞安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。在確保結(jié)果可信程度的前提下，文章通過簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)手段在車型優(yōu)化上實(shí)現(xiàn)快速匹配，快速驗(yàn)證，成功縮短開發(fā)周期和相應(yīng)投入。

正面碰撞；性能優(yōu)化；安全帶性能

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的日益進(jìn)步，汽車銷量逐年增加，汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈。人們對(duì)汽車碰撞安全性能的關(guān)注逐漸增加，為提高市場(chǎng)占有率，各大車企推向市場(chǎng)的新車型越來越多，新車型上市速度也越來越快，通過整車平臺(tái)化、模塊化開發(fā)可大大縮短汽車開發(fā)周期和成本。基于整車平臺(tái)化戰(zhàn)略框架下，結(jié)合平臺(tái)內(nèi)各項(xiàng)目布置，性能，成本和輕量化要求，規(guī)劃設(shè)計(jì)出高兼容性、拓展性、安全性和高輕量化的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，達(dá)到框架一致性和最大化零件沿用，同時(shí)滿足生產(chǎn)線共線要求。同時(shí)，還需滿足美國(guó)、歐洲等地頒布的汽車碰撞安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)上世紀(jì)80年代中后期開始實(shí)施的NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程（New Car Assessment Programme）和歐洲隨后實(shí)施的Euro-NCAP，這些安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)有效地帶動(dòng)了汽車碰撞安全產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步和配置率的提升。促進(jìn)了安全技術(shù)產(chǎn)品在市場(chǎng)上的應(yīng)用水平。

中國(guó)的NCAP已于2006年開始實(shí)施，目前已更新至第四個(gè)版本。這極大地促進(jìn)了中國(guó)汽車碰撞安全技術(shù)的發(fā)展，在這些政府法規(guī)和評(píng)價(jià)規(guī)程中，包含了各種不同形式的碰撞實(shí)驗(yàn)，其中有100%正面剛性壁障碰撞、40%正面偏置可變形壁障碰撞、側(cè)面可變形壁障碰撞和后面碰撞等。

多種法規(guī)的不斷更新和新型式多樣技術(shù)的應(yīng)用，不斷催生高標(biāo)準(zhǔn)的乘員保護(hù)性能。

2 安全開發(fā)思路

本文以某平臺(tái)車演化二代車型時(shí)出現(xiàn)的乘員傷害差問題進(jìn)行討論。

由能量守恒得出，汽車產(chǎn)品多種多樣前部構(gòu)件分布不均，各部分物理學(xué)特性不盡相同，從能量角度出發(fā)，可將撞擊部分物理參數(shù)視為均勻一致，所以汽車前部塑性彈簧系數(shù)K可以看作常數(shù)，即K=C。

由碰撞前后能量守恒有：

E0=E1+E2+E3+E4

E1：車體變形吸收能量；

E2：約束系統(tǒng)吸收能量；

E3：加載于人體能量；

E4：其他形式如摩擦做功等；

由力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系可知：F=Kx，且F=ma；

由能量關(guān)系

可知，提高車身前部吸收的能量，可有效減少施加在人體上的能量。研究表明，材料壓潰變形吸收的能量比彎曲變形吸收的能量要多，所以，如何做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為研究重點(diǎn)。

碰撞能量相同時(shí)，適當(dāng)減少汽車前部強(qiáng)度，即減小了塑性彈簧系數(shù)K值，可減少施加在人體上的加速度。同時(shí)，乘員艙需要有足夠的強(qiáng)度以確保乘員有足夠的生存空間[1]。

本文研究對(duì)象碰撞條件下假人胸部傷害值。

圖1 假人傷害曲線圖

曲線如圖1。由上圖可發(fā)現(xiàn)，假人在65ms左右受到了猛烈沖擊，從而導(dǎo)致傷害風(fēng)險(xiǎn)突然增大。

表1 約束系統(tǒng)對(duì)比表

本文所涉及車型代號(hào)P10是在A10的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上所開發(fā)而成，通過整車平臺(tái)化衍生而來。很自然的我們應(yīng)由A10的性能來預(yù)測(cè)P10的NCAP性能。下表是P10與A10的重要參數(shù)比較。

表2 結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)比表

從NCAP得分上來講，P10比A10多了一個(gè)加分項(xiàng)， ESC.比較表格 2與 3，P10與A10的主要差別是在重量方面；約束系統(tǒng)配備大致相同。重要吸能裝置，吸能盒與縱樑長(zhǎng)度，僅相差1.7cm。發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸無差異。變速箱有一些差異，但重量的差異是比較大的；P10比A10重約180kg。重量多了15%，無疑的將是P10的最大挑戰(zhàn)?？紤]下列兩種常用的應(yīng)對(duì)方向：

a）增加P10結(jié)構(gòu)的吸能效率，利用現(xiàn)有的吸能空間來吸收多出來的15%能量。這是最佳選擇，但假如A10已完全優(yōu)化則可改進(jìn)的空間有限。

b）延用A10的吸能壓潰設(shè)計(jì)，在有限壓潰空間上，適度增加約束系統(tǒng)吸能效率。

檢驗(yàn)P10的CAE結(jié)果，我們將著重于方案B 的討論。A10是一個(gè)很好的基準(zhǔn)車型，可以作為對(duì)未來項(xiàng)目安全設(shè)計(jì)的參考。

研究被測(cè)對(duì)象可發(fā)現(xiàn)，碰撞試驗(yàn)中前排采用HybridⅢ型第50百分位假人滿足力學(xué)結(jié)構(gòu)的仿真性、相似性和重用性，保證在碰撞過程中能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)身體各部位的損傷程度。假人胸部結(jié)構(gòu)見圖2，主要由胸部皮膚、六根肋骨、肋骨后支撐等組成。在正面碰撞過程中，假人胸部肋骨受到外力沖擊，擠壓固定在肋骨前固定板上的球形傳導(dǎo)臂；然后進(jìn)一步將能量傳遞給胸部壓縮傳感器，通過傳導(dǎo)臂的線性運(yùn)動(dòng)可以測(cè)量胸部傷害程度[2]。

圖2 假人肋骨結(jié)構(gòu)及胸部位移傳感器運(yùn)動(dòng)方向

下表列出了P10的幾輪仿真分析結(jié)果。

從表3可看出，P10車型幾種碰撞工況下，表現(xiàn)基本穩(wěn)定；入侵量的變化不顯著，只有在單個(gè)點(diǎn)上有變形量較大情況，這說明車體總體變形可控，尚可做些許微觀調(diào)整[3]。

表3 仿真模擬表入侵量表 mm

使用組合算法對(duì)安全帶綜合性能進(jìn)行優(yōu)化，選取安全帶限力、點(diǎn)火時(shí)間、腰帶作用力、管柱壓潰力、織帶延伸率和氣囊壓力等幾個(gè)參數(shù)，利用Pointer組合算法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化；NLPQL序列二次規(guī)劃法適合于解決光滑的問題，具有非常好的收斂性和數(shù)值穩(wěn)定性；Nelder-Mead下山單純型法適合于非光滑的問題，它一般從約束邊界開始計(jì)算，而且具有非常高的效率；遺傳算法適合于全局、非光滑的、不連續(xù)的優(yōu)化問題，但是它的計(jì)算比較耗時(shí)。這四優(yōu)化算法具有互補(bǔ)性，根據(jù)不同類型的優(yōu)化問題，有效地組合這四種優(yōu)化算法，可以取得較好的優(yōu)化效果。

根據(jù)胸部壓縮量由小到大進(jìn)行排序，排在前9次的約束系統(tǒng)參數(shù)及假人傷害如圖3所示，由結(jié)果看，此9種方案假人胸部壓縮量及頭部傷害指標(biāo)相對(duì)基礎(chǔ)試驗(yàn)均有明顯改善。綜合考慮優(yōu)化方案可行性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性等因素，最終選擇第2、4、7次方案進(jìn)行滑臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

滑臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證曲線如下。

圖4 驗(yàn)證曲線

針對(duì)前3種參數(shù)配置進(jìn)行滑臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)曲線如上圖所示，比較三種工況下安全帶限力值增大，限力值增大補(bǔ)償階梯形式。考慮限力影響傷害值表現(xiàn)如圖4所示，就假人傷害值而言，限力越寬傷害值將越低，A10顯然優(yōu)于P10。在0-35ms 之間，較高的峰值一般會(huì)有較好的NCAP表現(xiàn)。比較三種工況下系統(tǒng)點(diǎn)火時(shí)間段增大，點(diǎn)火時(shí)間早晚增大系統(tǒng)作用時(shí)間歷程。考慮時(shí)間影響傷害值表現(xiàn)如圖5所示，就假人傷害值而言，點(diǎn)火早越寬傷害值將越低，A10顯然優(yōu)于P10。在13-20ms 之間，較早點(diǎn)火區(qū)間一般會(huì)有較好的NCAP值。比較三種工況下拉帶長(zhǎng)度增大，增大系統(tǒng)作用時(shí)間歷程。考慮拉帶長(zhǎng)度影響傷害值表現(xiàn)如圖6所示，就假人傷害值而言，拉帶長(zhǎng)短直接影響假人運(yùn)動(dòng)時(shí)刻早或晚，就傳感器響應(yīng)來講，此參數(shù)在假人傷害數(shù)值上變化不明顯。體現(xiàn)了我們新設(shè)計(jì)因素影響分析。針對(duì)現(xiàn)有波形提供三種驗(yàn)證新思路，具體到某個(gè)車型上，影響可能放大或縮小，但只要有基礎(chǔ)車型，方案就可以簡(jiǎn)化。試驗(yàn)如下圖：

圖4 限力方案

圖5 點(diǎn)火優(yōu)化方案

圖6 帶長(zhǎng)優(yōu)化方案

綜上，完成幾種方案組合試驗(yàn)，試驗(yàn)如下圖。試驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化后胸部傷害明顯降低。根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行滑臺(tái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，胸部壓縮量滑臺(tái)優(yōu)化與實(shí)車基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)比如圖6所示。通過調(diào)整安全帶限力范圍、調(diào)整系統(tǒng)點(diǎn)火時(shí)間、改善轉(zhuǎn)向管柱壓潰力等一系列優(yōu)化措施，乘員胸部壓縮量由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的43mm降低到34mm，胸部得分由1.25分增加到2.86分，提升了1.61分，約束系統(tǒng)對(duì)乘員胸部的保護(hù)性能得到明顯改善，得分均優(yōu)于或與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)持平，正面碰撞性能提升22%。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果圖

上面圖4、8、9分別幾種優(yōu)化方案的比較圖。兩者變形相差約9 mm，由43mm降低到34mm。就假人傷害值而言，安全帶限力脈寬越寬傷害值將越低，點(diǎn)火時(shí)刻早傷害值越低。在35-75ms 之間，較高的峰值一般會(huì)有較大的假人傷害值。在40ms以后，波峰要低才好，A10也是較優(yōu)。當(dāng)然，這些的觀察都是較為主觀的意見。行業(yè)內(nèi)比較客觀評(píng)鑒波形的優(yōu)劣是利用波形判定方法occupant pulse index（OPI）標(biāo)準(zhǔn)來比較。平臺(tái)基礎(chǔ)車型結(jié)構(gòu)差異大，OPI水平差別是相當(dāng)大的?？傮w而言，P10的波形并未達(dá)到A10相似水準(zhǔn)，在波形方面的探討，是安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步，基于已有的結(jié)構(gòu)不變的情況下，適度優(yōu)化約束系統(tǒng)配置是當(dāng)下最簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)方法。

4 結(jié)論

在整車碰撞能量相差15%的情況下，本文通過調(diào)整約束系統(tǒng)匹配手段，保持系統(tǒng)性能不降低。在車型平臺(tái)化模塊化趨勢(shì)越加明顯的當(dāng)下，通過相似波形找到可參考車型，不失為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的一種方法，節(jié)省開發(fā)投入，并可確保結(jié)果可信度。

[1] 管立君,祁洪娟等.某車型正面碰撞車身結(jié)構(gòu)和總布置優(yōu)化[J]. 2010中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.689-692.

[2] 楊帥,張亞軍等.面向2012版C-NCAP前結(jié)構(gòu)碰撞加速度波形調(diào)整及優(yōu)化策略[J].2013年中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)論文集.670-674.

[3] 張學(xué)榮,劉學(xué)軍,陳曉東等.正面碰撞安全帶約束系統(tǒng)開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].汽車工程,2007,(12):1055-1058×.

The optimization of seatbelt performance in the frontal crash

Zhang Houjun

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Under the consideration of unit platform in the vehicle development,and meet the requirement of layoutperformancecost and lightweight requirements, is a difficult development process. To Achieve frame consistency and maximizing partuniversal rate. Also, it has to meet many vehicle crash criterions. To ensure the credibility of the results, In this paper, the method of simplified design is used to realize fast matching in vehicle optimization., and fast validation, successfully shorten the development timing and relative investment.

Frontal crash;Performance optimization;Seatbelt performance

A

1671-7988(2019)03-71-04

U467.1

A

1671-7988(2019)03-71-04

U467.1

張厚君，就職于華晨汽車工程研究院，整車碰撞安全開發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.021