制動(dòng)工況下主動(dòng)卷收器參數(shù)對乘員離位位移影響的分析*

胡遠(yuǎn)志，朱鴻旭，曾憲菁，王振飛，徐紫紅，蔣成約

（1.重慶理工大學(xué)，汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054； 2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201；3.天合汽車科技（上海）有限公司，上海 201814）

前言

碰撞事故發(fā)生前，汽車主動(dòng)安全技術(shù)對車輛的接管和人為緊急操縱車輛會(huì)導(dǎo)致車速和乘員姿態(tài)的急劇改變，從而加重乘員的碰撞損傷［1-2］。當(dāng)今，越來越多的專家學(xué)者通過實(shí)車測試和計(jì)算機(jī)仿真來探討碰撞前階段乘員姿態(tài)、肌肉支撐和乘員避險(xiǎn)動(dòng)作與損傷之間的關(guān)系，從而提升乘員約束系統(tǒng)的效率。研究結(jié)果表明，碰撞前制動(dòng)階段的乘員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)會(huì)加大乘員的損傷，尤其是乘員胸部和頸部位置的損傷更為顯著［3-5］。針對這一問題，主被動(dòng)一體化安全技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并很快引起重視。主動(dòng)控制卷收器（ACR）作為主被動(dòng)一體化的安全裝置，能有效地消除安全帶佩戴間隙和織帶松弛量，限制乘員離位位移，使乘員保持正常坐姿［6-8］，并有效減小碰撞后乘員損傷，提高傳統(tǒng)被動(dòng)安全系統(tǒng)的效能［9-11］。

不同乘員在制動(dòng)過程中身體各部位的肌肉反應(yīng)及其持續(xù)時(shí)間存在差異，Olafsdottir和 Carlsson等［12-13］通過收集志愿者在制動(dòng)階段各部位的肌肉電信號來研究制動(dòng)階段乘員各部位的肌肉活動(dòng)情況。結(jié)果表明，志愿者各部位肌肉的反應(yīng)時(shí)間、激烈程度和持續(xù)時(shí)間均不相同，且下軀干各部位的激烈程度要明顯高于上軀干。主動(dòng)人體假人因其能模擬乘員各部位的肌肉張緊而被廣泛用于碰撞前階段的約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為驗(yàn)證主動(dòng)假人的工程適用性，Beeman和?sth等［14-15］仿真對比了預(yù)碰撞階段和碰撞階段主動(dòng)人體假人各部位加速度和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，指出主動(dòng)人體假人具有較高的適用性，能很好地指導(dǎo)自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。

上述研究的不足之處在于滑車試驗(yàn)難以模擬出真實(shí)的道路交通環(huán)境，且一些試驗(yàn)在試驗(yàn)前對志愿者進(jìn)行培訓(xùn)并對肌肉張緊度提出要求（全身肌肉張緊或全身肌肉松馳），以致不能很好地再現(xiàn)乘員在實(shí)際行車過程中對車輛制動(dòng)的真實(shí)反應(yīng)。針對以上不足，本文中針對配備有ACR的車輛開展志愿者實(shí)車試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果搭建仿真模型，同時(shí)采用主動(dòng)人體假人模擬乘員的肌肉張緊度，在驗(yàn)證模型的有效性后，探究ACR的預(yù)緊力和預(yù)緊時(shí)間對乘員離位位移的影響。

1 志愿者實(shí)車試驗(yàn)

1.1 志愿者信息

為探究乘員在緊急制動(dòng)工況下的離位情況和ACR的工作性能，對一名志愿者進(jìn)行12次實(shí)車試驗(yàn)。志愿者身高175 cm，體質(zhì)量75 kg，身體狀況良好，沒有頸椎和腰椎病史，且近期未服用可能導(dǎo)致增加損傷風(fēng)險(xiǎn)的藥物。

為獲得志愿者在制動(dòng)階段的真實(shí)反應(yīng)情況，未對志愿者在制動(dòng)階段的肌肉張緊度提出任何要求。志愿者進(jìn)行的12組試驗(yàn)均配備有ACR系統(tǒng)，如圖1所示。為保證試驗(yàn)的一致性，志愿者最外層穿著棉制T恤，并對志愿者的初始姿態(tài)作統(tǒng)一規(guī)定。

圖1 志愿者初始姿態(tài)

1.2 實(shí)車測試

實(shí)車試驗(yàn)的車型為國內(nèi)某在研車型，車中原有卷收器替換為ACR。B柱下方放置加速度傳感器來測量車體加速度，同時(shí)為分析ACR的工作性能，在肩帶和腰帶處各放置一個(gè)力傳感器（F305-Z4944，測試范圍1 kN）來檢測安全帶的受力情況，并在卷收器上方放置一個(gè)織帶位移傳感器（如圖2（a）所示，測距范圍±1.024 m）記錄安全帶的收進(jìn)和拉出量。為測量乘員在試驗(yàn)中的離位位移，在座椅頭枕下方放置一個(gè)位移傳感器，如圖2（b）所示，最大測距1.27 m，誤差率0.25%，其與志愿者頸部相連，志愿者前方和側(cè)方各放置一臺(tái)攝像機(jī)，焦距1.96 mm，光圈 2.0，視場角 H112°V81.4°D122.4°，畸變小于-11.2%。雙肩和手肘處貼上標(biāo)簽碼，用于追蹤乘員各部位的運(yùn)動(dòng)。

圖2 傳感器安裝位置

為模擬緊急制動(dòng)場景，要求駕駛員將車輛從靜止逐漸加速到70 km／h，并保持一段時(shí)間的勻速狀態(tài)。制動(dòng)時(shí)，每次試驗(yàn)的制動(dòng)模式（踩制動(dòng)踏板的力和速度）保持一致，直至車輛制動(dòng)停車，測試的減速度均為1g左右，整個(gè)測試過程不對志愿者做任何提示。同時(shí)要求志愿者在制動(dòng)前身體保持自然放松，制動(dòng)階段，完全憑志愿者本能反應(yīng)調(diào)節(jié)肌肉張緊度。每次試驗(yàn)間隔大約4 min。測試場地為專用測試場地，柏油路面，平整無坑洼。

2 仿真建模與驗(yàn)證

2.1 仿真模型的建立

利用多剛體動(dòng)力學(xué)軟件MADYMO建立乘員側(cè)約束系統(tǒng)仿真模型，包括車身模塊、座椅模塊、安全帶模塊和假人模型，其中車身模塊和座椅模塊從試驗(yàn)車輛整車模型中提取。根據(jù)車型CAD數(shù)據(jù)對模型中卷收器、D環(huán)、Buckle和下固定點(diǎn)的位置進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，為精確模擬ACR的預(yù)緊參數(shù)，對該產(chǎn)品開展3次靜態(tài)觸發(fā)試驗(yàn)，3次試驗(yàn)的ACR預(yù)緊力曲線如圖3所示。試驗(yàn)曲線顯示3次試驗(yàn)在穩(wěn)定階段的預(yù)緊力均為250 N左右。

圖3 ACR模塊試驗(yàn)曲線

生物仿真技術(shù)因其能很好地再現(xiàn)乘員在預(yù)碰撞階段的運(yùn)動(dòng)學(xué)反應(yīng)而被用來評估主動(dòng)安全系統(tǒng)的性能，主動(dòng)人體模型（active human model，AHM）就是其中的一種。由于制動(dòng)階段比碰撞工況持續(xù)時(shí)間長，乘員有足夠的時(shí)間對突然的制動(dòng)做出本能反應(yīng)，因此為更好模擬試驗(yàn)中志愿者的離位情況，本文的假人模型采用AHM模型。資料顯示，AHM假人身高1.76 m，體質(zhì)量75.3 kg，與志愿者身材差異很小，最終約束系統(tǒng)模型如圖4所示。

2.2 仿真模型的驗(yàn)證與AHM假人參數(shù)設(shè)置

圖4 約束系統(tǒng)仿真模型

AHM假人的肌肉張緊度通過調(diào)節(jié)各部位的激活參數(shù)來控制，其中激活參數(shù)為0時(shí)代表該部位無主動(dòng)動(dòng)作，參數(shù)為1代表該部位肌肉張緊程度最大。一般來說，乘員在整個(gè)制動(dòng)階段自身肌肉的張緊程度并非是保持不變的，乘員在面對突來的制動(dòng)時(shí)，通常會(huì)有一定的反應(yīng)延遲，然后瞬間繃緊肌肉來反抗自身的運(yùn)動(dòng)趨勢，隨后逐漸放松直到制動(dòng)結(jié)束。不同的志愿者對緊急制動(dòng)的反應(yīng)不同，所需的反應(yīng)時(shí)間和肌肉張緊程度也不同，同時(shí)，在進(jìn)行多次試驗(yàn)后，志愿者對制動(dòng)的反應(yīng)進(jìn)入疲勞期，反應(yīng)時(shí)間和肌肉張緊度也會(huì)有變化。且相比碰撞工況，制動(dòng)工況中安全帶力的量級本身較小，因此AHM激活參數(shù)的設(shè)置尤為重要。本文通過試驗(yàn)視頻、試驗(yàn)曲線和對志愿者的現(xiàn)場詢問，不斷優(yōu)化AHM的參數(shù)設(shè)置，從而保證模型的精確度。

視頻資料顯示，志愿者在整個(gè)試驗(yàn)中頭部始終保持直立，未發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動(dòng)，模型中將AHM頭部參考定義值設(shè)為0，即頭部與參考空間保持直立。同時(shí)，志愿者肩部也未發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，可推測志愿者肩部始終保持高度張緊狀態(tài)，結(jié)合仿真情況，當(dāng)肩部激活參數(shù)設(shè)置為1時(shí)，仿真假人肩部運(yùn)動(dòng)和試驗(yàn)較為一致。乘員其他部位激活參數(shù)結(jié)合安全帶力、織帶位移量和乘員離位距離不斷調(diào)整、優(yōu)化，最終假人其余關(guān)鍵部位的激活參數(shù)函數(shù)如圖5所示。

圖5 仿真中不同區(qū)域激活參數(shù)的設(shè)定

圖6 為肩帶力、腰帶力、頸部離位位移和織帶位移量的試驗(yàn)與仿真結(jié)果對標(biāo)圖。由圖可見，肩帶力、頸部離位位移和織帶位移對標(biāo)情況較好，腰帶力誤差率略大，但在接受范圍之內(nèi)，模型整體對標(biāo)情況較好，可用于后續(xù)研究。

圖6 模型對標(biāo)結(jié)果

3 ACR參數(shù)優(yōu)化分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與響應(yīng)面建立

ACR的工作性能受諸多參數(shù)的影響，其中預(yù)緊力和預(yù)緊時(shí)間對其影響最為顯著，屬于高靈敏度參數(shù)，且可控性高，成本較低，因此選取預(yù)緊時(shí)間和預(yù)緊力作為本次優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量。

主動(dòng)安全帶的預(yù)緊時(shí)間分為兩類，即制動(dòng)前預(yù)緊和制動(dòng)后預(yù)緊，對于駕駛風(fēng)格較為激進(jìn)的駕駛員，由于跟車較近，制動(dòng)前的預(yù)緊時(shí)間過早可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)緊頻繁而使乘員感到不適，因此制動(dòng)前的預(yù)緊時(shí)間不宜選取過長。國內(nèi)外同類產(chǎn)品的預(yù)緊時(shí)間多在制動(dòng)前 100～200 ms之間［12，15］，而預(yù)緊力的分布范圍較廣。綜合考慮后，以200 ms作為制動(dòng)時(shí)刻，ACR預(yù)緊時(shí)間（TTF）和預(yù)緊力（Force）的取值范圍如表1所示。由于ACR對乘員頭部和第一胸椎（T1）部位的約束效果較為明顯，因此選頭部和T1部位的離位位移作為本次的優(yōu)化目標(biāo)。

表1 設(shè)計(jì)變量及其變化范圍

設(shè)計(jì)變量及其范圍確定后，采用最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)對設(shè)計(jì)變量進(jìn)行取樣，共抽取12組試驗(yàn)并利用MADYMO進(jìn)行仿真得到優(yōu)化目標(biāo)的響應(yīng)值，并采用Kriging近似模型對兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)建立響應(yīng)面，進(jìn)行近似精度檢驗(yàn)，驗(yàn)證了Kriging近似模型具有較高的擬合精度。

圖7分別為頭部、T1部位位移與預(yù)緊時(shí)間和預(yù)緊力的響應(yīng)曲面圖。由圖可知，預(yù)緊力越大，頭部質(zhì)心（HCG）和T1位移量越小，近似呈負(fù)相關(guān)。單從預(yù)緊時(shí)間來看，對于同一級別的預(yù)緊力，預(yù)緊時(shí)間從200 ms（即開始制動(dòng)時(shí)刻）到400 ms，即制動(dòng)后觸發(fā)ACR時(shí)，乘員頭部和T1部位的位移量上升趨勢較為明顯，近似呈正相關(guān)；而從0到200 ms，即制動(dòng)前觸發(fā)ACR時(shí)，乘員兩個(gè)部位的位移量近似呈水平，只是隨著預(yù)緊力的加大略有增加。這是因?yàn)閷τ谥苿?dòng)前預(yù)緊，無論預(yù)緊時(shí)間提前多少，乘員均處于正常坐姿。從開始預(yù)緊到制動(dòng)這段時(shí)間，預(yù)緊時(shí)間的變化對乘員的約束效果差異較小，且由于將乘員向后拉回時(shí)與座椅接觸后發(fā)生反彈，造成乘員有一定的前傾，并隨著預(yù)緊力的增大和預(yù)緊時(shí)間的提前，該現(xiàn)象越明顯，這些響應(yīng)關(guān)系與實(shí)際相吻合，初步驗(yàn)證了近似模型的準(zhǔn)確度。

圖7 Kriging近似模型

3.2 基于NSGA-Ⅱ的仿真優(yōu)化

本次優(yōu)化采用第二代非劣排序遺傳算法NSGA-Ⅱ?qū)︻^部和T1位移量兩個(gè)目標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算得到最優(yōu)解的預(yù)緊時(shí)間和預(yù)緊力分別為145 ms和500 N，預(yù)測頭部和T1位移為81.66和26.84 mm。將最優(yōu)解代入MADYMO中計(jì)算得到頭部質(zhì)心和T1位移為84.1和26.58 mm。Kriging近似模型預(yù)測值與仿真結(jié)果誤差僅為3.0%和0.98%，證實(shí)了優(yōu)化結(jié)果的有效性。

為分析優(yōu)化后的ACR對乘員離位位移的改善效果，對優(yōu)化前后的模型進(jìn)行仿真對比，優(yōu)化前模型的預(yù)緊時(shí)間和預(yù)緊力分別為400 ms和250 N。仿真得到優(yōu)化前后的乘員各部位位移量，如表2所示?？梢钥闯?，優(yōu)化后乘員頭部質(zhì)心和T1部位的位移量改善效果明顯，分別減小了55%和73.44%。優(yōu)化前后的假人最大位移如圖8所示，淺灰色假人代表優(yōu)化后的乘員最大位移處的姿態(tài)。

表2 優(yōu)化結(jié)果對比

圖8 優(yōu)化前后乘員姿態(tài)

圖9 為優(yōu)化前后肩帶力的對比。由圖可見，由于預(yù)緊力的增加，優(yōu)化后的肩帶力增加較大，且ACR在145 ms開始預(yù)緊時(shí)，肩帶力達(dá)到了600 N左右，大大超過500 N的預(yù)緊力，并隨著預(yù)緊時(shí)間的提前，該峰值逐漸上升，原因之一是乘員被向后拉回時(shí)與座椅接觸而發(fā)生反彈，從側(cè)面證實(shí)了近似模型的準(zhǔn)確性。

圖9 優(yōu)化前后肩帶力對比

圖10 為回彈階段優(yōu)化前后的頭部加速度對比。由圖可見，優(yōu)化前的頭部回彈加速度峰值為65 m／s2，優(yōu)化后的頭部回彈加速度降至37 m／s2，降幅為43.08%。優(yōu)化后的乘員離位位移較小，因此回彈階段各部位的最大加速度也相對較小，如果在制動(dòng)階段發(fā)生追尾碰撞，乘員的揮鞭傷害也會(huì)大大降低。

圖10 優(yōu)化前后回彈階段AHM頭部加速度對比

由于優(yōu)化后的預(yù)緊力比優(yōu)化前的預(yù)緊力增加較大，故對假人胸部的約束也會(huì)增強(qiáng)，為探究優(yōu)化前后的ACR預(yù)緊參數(shù)對正面碰撞工況中乘員胸部損傷的影響，在制動(dòng)脈沖后面添加某車型的50 km／h正撞加速度脈沖，仿真對比優(yōu)化前后的胸部損傷。結(jié)果顯示，制動(dòng)階段優(yōu)化前后的胸部最大壓縮量分別為2.2和3.7 mm，碰撞階段優(yōu)化前后的胸部最大壓縮量分別為51.6和45.5 mm，主要原因是由于優(yōu)化后的預(yù)緊力較大，故在制動(dòng)階段假人胸部壓縮量比優(yōu)化前要大；但優(yōu)化后的乘員離位位移較小，使乘員前移空間相對較大且可避免與氣囊的過早接觸，因此，優(yōu)化方案可改善該車型正撞時(shí)的假人胸部壓縮量。

4 結(jié)論

制動(dòng)工況中，乘員自身的肌肉張緊度會(huì)直接影響到乘員姿態(tài)的改變，且乘員在整個(gè)制動(dòng)過程中的肌肉張緊度也是變化的，為使仿真模型更加接近于真實(shí)工況，本文中利用ACR實(shí)車測試結(jié)果指導(dǎo)仿真建模，并利用AHM生物仿真人體模型來模擬乘員的肌肉張緊度。經(jīng)過仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證仿真模型的精確度較高。以此模型來探究預(yù)緊力和預(yù)緊時(shí)間對乘員離位位移的影響，并針對頭部和T1部位位移量進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，預(yù)緊力和乘員離位位移呈負(fù)相關(guān)趨勢，且對于同一預(yù)緊力，預(yù)緊時(shí)間的變化對制動(dòng)后觸發(fā)ACR的乘員離位影響較大，對制動(dòng)前觸發(fā)的情況影響較小。