后排女性假人下潛控制設(shè)計(jì)方法研究

歐陽俊，盧 靜，鄭 顥，岳 鵬，王玉超

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434）

乘員下潛是指汽車在發(fā)生正面碰撞事故時(shí)，腰部安全帶陷入腹部并給腹部軟組織造成受傷的現(xiàn)象[1-2]，這種現(xiàn)象更容易發(fā)生在后排乘坐的5%女性假人身上[3]。

為了降低后排女性乘員受到這種傷害的風(fēng)險(xiǎn)，在最新版的中國行車評(píng)價(jià)規(guī)程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）中，增加了對(duì)后排5%女性假人發(fā)生下潛的評(píng)價(jià)[4]，后排防下潛設(shè)計(jì)成為各主機(jī)廠碰撞安全方面的重點(diǎn)開發(fā)工作。 焦志勇等[5]提出了加強(qiáng)座椅結(jié)構(gòu)和縮短鎖扣長度的解決方案；唐亮等[6]對(duì)乘員下潛判斷準(zhǔn)則進(jìn)行了研究； 張嘯等[7]對(duì)比分析了后排5%女性假人下潛的機(jī)理，并提出了若干防下潛的解決方案。上述文獻(xiàn)主要是針對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段出現(xiàn)的下潛問題提出了臨時(shí)性解決方案，存在調(diào)整難度大的問題，或是概念指導(dǎo)方案，存在工程指導(dǎo)意義小的問題。主機(jī)廠在進(jìn)行防下潛設(shè)計(jì)時(shí)，需要重復(fù)對(duì)防下潛方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。由于安全帶點(diǎn)位及防下潛結(jié)構(gòu)位置直接影響到周邊眾多環(huán)境件的布置，在設(shè)計(jì)后期進(jìn)行設(shè)計(jì)變更會(huì)造成高昂的開發(fā)成本。因此，如何在概念階段一次性解決乘員下潛的問題是主機(jī)廠在防下潛設(shè)計(jì)時(shí)最為關(guān)注的問題。

根據(jù)設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)變更的難易程度，將防下潛影響因素分為不可變因素和可變因素，提出了概念階段優(yōu)化不可變因素和設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段優(yōu)化可變因素相結(jié)合的防下潛設(shè)計(jì)方法。建立了后排女性假人整車有限元約束系統(tǒng)模型，并經(jīng)過對(duì)標(biāo)分析，基于對(duì)標(biāo)好的防下潛分析有限元模型對(duì)不可變因素和可變因素進(jìn)行了分析，提出了不可變和可變因素的設(shè)計(jì)要求?；诘玫降姆老聺撛O(shè)計(jì)方法和要求，在整車項(xiàng)目開發(fā)中對(duì)6 種優(yōu)化方案進(jìn)行了整車試驗(yàn)驗(yàn)證，下潛問題得到解決。

1 下潛機(jī)理分析及潛在影響因素分類

典型的后排女性乘員約束系統(tǒng)如圖1 所示，后排座椅采用發(fā)泡材質(zhì)安裝于后地板上，在發(fā)泡材質(zhì)和后地板之間設(shè)置凸起坐盆用于約束乘員。安全帶采用三點(diǎn)式安全帶，下固定點(diǎn)和鎖扣固定點(diǎn)安裝于后地板，卷收器放置于C 柱或衣帽架位置。

下潛最直接的現(xiàn)象是安全帶腰帶滑入乘員腹部，如圖2所示。碰撞發(fā)生時(shí)，車身速度逐漸降低至0，乘員在減速度作用下會(huì)繼續(xù)往前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在重力和安全帶的作用下，乘員還有往下運(yùn)動(dòng)的趨勢，如圖3 所示。因此，乘員的合成運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橄蚯跋蛳拢踩珟t相對(duì)于乘員髖部向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)安全帶相對(duì)髖部向上運(yùn)動(dòng)的位移量s超過某一閥值時(shí)，安全帶就會(huì)滑入腹部，造成下潛。為防止下潛現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)控制安全帶與髖部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢。

圖1 后排乘員約束環(huán)境

圖2 安全帶腰帶陷入腹部

圖3 安全帶腰帶滑入腹部機(jī)理

為了更好地對(duì)乘員下潛影響因素做進(jìn)一步分析，將各潛在乘員下潛影響因素分為不可變因素和可變因素。不可變因素是指在概念階段的基本鎖定參數(shù)和后期變更影響大的參數(shù)，包括安全帶固定點(diǎn)點(diǎn)位、防下潛結(jié)構(gòu)位置、后地板強(qiáng)度等因素；可變因素是指可在驗(yàn)證階段鎖定的參數(shù)和后期變更影響小的參數(shù)，包括防下潛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、安全帶配置、鎖扣長度等因素，見表1。

表1 乘員下潛影響因素分類

2 下潛判定標(biāo)準(zhǔn)及防下潛分析有限元模型

2015 版C-NCAP 中關(guān)于后排假人下潛的有關(guān)判定準(zhǔn)則總結(jié)如下：

（1）首先根據(jù)車體速度和后排乘員骨盆速度判斷骨盆回彈時(shí)刻。

（2）在回彈時(shí)刻之前，若髂骨卸載率大于1 000 N/ms 的持續(xù)時(shí)間大于1 ms，則判定為下潛。

（3）在回彈時(shí)刻之后，若髂骨卸載速率大于1 000 N/ms 的時(shí)間段內(nèi)髂骨力值大于2.4 kN，則判定為下潛。

（4）以髂骨力-卸載率判斷為主，必要時(shí)可以通過安全帶力和高速攝像輔助判斷。

根據(jù)上述規(guī)則，某后排配置限力式安全帶的車型，在進(jìn)行64 km/h 偏置碰撞時(shí)后排乘員發(fā)生下潛，根據(jù)法規(guī)判斷骨盆回彈時(shí)刻為112.5 ms，髂骨力卸載速率大于1 000 N/ms 的持續(xù)時(shí)間大于1 ms，下潛出現(xiàn)在回彈之前，如圖4 所示。

圖4 髂骨力變形率對(duì)比

結(jié)合上述整車試驗(yàn)中后排女性乘員下潛的現(xiàn)象，建立了詳細(xì)的整車有限元模型，如圖5 和圖6所示。復(fù)現(xiàn)了試驗(yàn)中的下潛現(xiàn)象，從髂骨力變形速率可以看出，仿真與試驗(yàn)基本一致，可作為對(duì)防下潛進(jìn)一步仿真分析的基礎(chǔ)模型。

圖5 仿真與試驗(yàn)假人姿態(tài)對(duì)比

圖6 仿真與試驗(yàn)安全帶陷入腹部對(duì)比

3 防下潛結(jié)構(gòu)對(duì)下潛的影響分析

防下潛結(jié)構(gòu)可以控制乘員向下向前運(yùn)動(dòng)的趨勢，為了更好地指導(dǎo)防下潛設(shè)計(jì)，本文基于對(duì)標(biāo)的后排約束系統(tǒng)有限元模型，對(duì)防下潛結(jié)構(gòu)的位置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。如圖7 所示，以乘員H 點(diǎn)為基準(zhǔn)，定義碰撞過程中乘員與防下潛結(jié)構(gòu)的第一接觸點(diǎn)位于防下潛結(jié)構(gòu)的位置，分析防下潛結(jié)構(gòu)在x方向和z方向位置對(duì)乘員下潛的影響。

圖7 防下潛結(jié)構(gòu)在x 方向與z 方向位置

3.1 防下潛結(jié)構(gòu)x 方向位置對(duì)下潛的影響

為了分析防下潛結(jié)構(gòu)x方向位置對(duì)防下潛性能的影響，選擇了8 種x方向位置進(jìn)行分析，如圖8所示，仿真分析結(jié)果見表2。由表2 可知，隨著防下潛結(jié)構(gòu)位置遠(yuǎn)離髖部，假人回彈時(shí)刻增加，下潛風(fēng)險(xiǎn)增加，當(dāng)防下潛結(jié)構(gòu)與乘員H 點(diǎn)的x向距離超過160 mm 時(shí)，乘員發(fā)生下潛。因此，建議防下潛結(jié)構(gòu)與乘員H 點(diǎn)的x向距離小于140 mm。

圖8 防下潛結(jié)構(gòu)x 方向位置優(yōu)化

表2 防下潛結(jié)構(gòu)x 方向位置對(duì)下潛的影響

3.2 防下潛結(jié)構(gòu)z 方向位置對(duì)下潛的影響

為分析防下潛結(jié)構(gòu)z方向位置對(duì)防下潛性能的影響，基于x方向位置為140 mm 的仿真模型，選擇了6 種z方向位置進(jìn)行分析，如圖9 所示，分析結(jié)果見表3。由表3 可知，隨著防下潛結(jié)構(gòu)位置遠(yuǎn)離髖部，假人回彈時(shí)刻增加，下潛風(fēng)險(xiǎn)明顯增加，當(dāng)防下潛結(jié)構(gòu)與乘員H 點(diǎn)的z向距離超過110 mm時(shí)，乘員發(fā)生下潛。因此，建議防下潛結(jié)構(gòu)與乘員H 點(diǎn)的z向距離小于90 mm。

表3 防下潛結(jié)構(gòu)z 方向位置對(duì)下潛的影響

圖9 防下潛支架z 方向位置優(yōu)化

4 下固定點(diǎn)位置對(duì)下潛的影響分析

安全帶下固定點(diǎn)位置優(yōu)化可以控制安全帶相對(duì)于髖部向上運(yùn)動(dòng)的趨勢，為了更好地指導(dǎo)防下潛設(shè)計(jì)，本文基于防下潛結(jié)構(gòu)x方向位置在140 mm、z方向位置在90 mm 的防下潛仿真分析模型，對(duì)安全帶有效固定點(diǎn)的位置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。如圖10 所示，以乘員H 點(diǎn)為基準(zhǔn)，定義安全帶下固定點(diǎn)的位置，分析安全帶下固定點(diǎn)在x方向位置和z方向位置對(duì)乘員下潛的影響。

圖10 安全帶下固定點(diǎn)x 方向與z 方向位置

4.1 安全帶下固定點(diǎn)x 方向位置對(duì)下潛的影響

安全帶下固定點(diǎn)x方向位置對(duì)防下潛性能的影響見表4。由表4 可知，隨著安全帶下固定點(diǎn)在x方向位置遠(yuǎn)離髖部，假人回彈時(shí)刻增加，下潛風(fēng)險(xiǎn)增加，當(dāng)安全帶下固定點(diǎn)位置與乘員H 點(diǎn)的x向距離超過110 mm 時(shí)，乘員發(fā)生下潛。因此，建議安全帶下固定點(diǎn)與乘員H 點(diǎn)的x向距離小于90 mm。

4.2 安全帶下固定點(diǎn)z 方向位置對(duì)下潛的影響

安全帶下固定點(diǎn)z方向位置對(duì)防下潛性能的影響見表5。由表5 可知，隨著安全帶下固定點(diǎn)在z方向位置接近髖部，假人回彈時(shí)刻增加，下潛風(fēng)險(xiǎn)增加，當(dāng)安全帶下固定點(diǎn)位置與乘員H 點(diǎn)的z向距離小于120 mm 時(shí)，乘員發(fā)生下潛。因此，建議安全帶下固定點(diǎn)與乘員H 點(diǎn)的z向距離大于140 mm。

圖11 安全帶下固定點(diǎn)x 方向位置優(yōu)化

表4 下固定點(diǎn)x 方向位置對(duì)下潛的影響

表5 下固定點(diǎn)z 方向位置對(duì)下潛的影響

表6 可變因素對(duì)下潛的影響分析

圖12 安全帶下固定點(diǎn)z方向位置優(yōu)化

5 可變因素對(duì)下潛的影響分析

基于不可變因素優(yōu)化完成的防下潛仿真模型，對(duì)防下潛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、安全帶預(yù)緊、鎖扣長度3 種可變因?qū)ο聺摰挠绊戇M(jìn)行了定性的分析，分析結(jié)果見表6。從骨盆回彈時(shí)刻可以看出，增加預(yù)緊功能，回彈時(shí)刻提前，下潛風(fēng)險(xiǎn)降低；弱化防下潛結(jié)構(gòu)，回彈時(shí)刻延遲，下潛風(fēng)險(xiǎn)增加，變形量增加25 mm時(shí)，出現(xiàn)下潛現(xiàn)象；鎖扣長度增加時(shí)，回彈時(shí)刻延遲，下潛風(fēng)險(xiǎn)增加，長度增加60 mm 時(shí)，出現(xiàn)下潛現(xiàn)象。由于可變因素鎖定時(shí)間晚，后期變更難度小，所以建議條件允許的前提下盡可能采用預(yù)緊限力式安全帶，減少防下潛結(jié)構(gòu)變形量，縮短鎖扣長度，可以在驗(yàn)證階段結(jié)合成本、質(zhì)量等因素選擇可變因素設(shè)計(jì)方案。

6 防下潛設(shè)計(jì)方法

基于對(duì)防下潛設(shè)計(jì)因素的分類，并根據(jù)防下潛設(shè)計(jì)中不可變因素和可變因素的影響規(guī)律分析結(jié)果，本文提出了“不可變?cè)O(shè)計(jì)因素為主，可變?cè)O(shè)計(jì)因素為輔”，在概念設(shè)計(jì)階段一次性完成不可變因素的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段根據(jù)成本、質(zhì)量等需求

設(shè)計(jì)可變因素的防下潛設(shè)計(jì)方法。對(duì)不可變?cè)O(shè)計(jì)因素提出了量化設(shè)計(jì)要求，對(duì)可變?cè)O(shè)計(jì)因素提出了定性的設(shè)計(jì)要求，見表7。

7 防下潛設(shè)計(jì)因素的整車試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述的防下潛設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際整車項(xiàng)目開發(fā)中，對(duì)4 種不可變因素設(shè)計(jì)方案和兩種可變?cè)O(shè)計(jì)因素方案進(jìn)行了整車試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見表8。車型1，安全帶下固定點(diǎn)在x方向的位置往前移動(dòng)50 mm，下潛問題解決；車型2，安全帶下固定點(diǎn)在z方向的位置往下移動(dòng)53 mm，下潛問題解決；車型3，防下潛結(jié)構(gòu)x方向位置前移30 mm，下潛問題解決；車型4，防下潛結(jié)構(gòu)z方向位置往上移動(dòng)49 mm，防下潛問題解決；車型5，防下潛結(jié)構(gòu)剛度增加，z方向變形量由40 mm 控制到10 mm，防下潛問題解決；車型6，鎖扣長度縮短60 mm，防下潛問題解決。車型1 ～4 通過控制不可變?cè)O(shè)計(jì)因素未發(fā)生下潛；車型4 和車型5，在控制不可變?cè)O(shè)計(jì)因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了可變?cè)O(shè)計(jì)因素，未發(fā)生下潛。

表7 防下潛設(shè)計(jì)要求

表8 基于防下潛設(shè)計(jì)要求的防下潛方案整車試驗(yàn)驗(yàn)證

8 結(jié)論

（1）后排女性乘員約束環(huán)境件多，重復(fù)設(shè)計(jì)將帶來巨大的開發(fā)成本，在乘員約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)中須在概念設(shè)計(jì)階段考慮如何避免乘員下潛的發(fā)生。

（2）安全帶固定點(diǎn)點(diǎn)位和防下潛結(jié)構(gòu)位置對(duì)防下潛性能影響大，設(shè)計(jì)變更對(duì)周邊件影響大，是典型的不可變?cè)O(shè)計(jì)因素。安全帶預(yù)緊、鎖扣長度、防下潛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)防下潛性能影響大，設(shè)計(jì)變更對(duì)周邊件影響小，是典型的可變?cè)O(shè)計(jì)因素。

（3）提出了“不可變?cè)O(shè)計(jì)因素為主，可變?cè)O(shè)計(jì)因素為輔”的防下潛設(shè)計(jì)方法，通過基于有限元的仿真分析，對(duì)不可變?cè)O(shè)計(jì)因素提出了量化設(shè)計(jì)要求，對(duì)可變?cè)O(shè)計(jì)因素提出了定性的設(shè)計(jì)要求。通過6 款車型的開發(fā)及整車試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提設(shè)計(jì)要求的準(zhǔn)確性。

（4）根據(jù)設(shè)計(jì)變更難易程度，將防下潛影響因素分為不可變因素和可變因素。在概念設(shè)計(jì)階段優(yōu)化不可變因素，避免了防下潛設(shè)計(jì)中出現(xiàn)影響大的重復(fù)設(shè)計(jì)；在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段優(yōu)化可變因素，避免了防下潛設(shè)計(jì)中出現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，帶來不必要的成本增加。