基于小偏置碰的乘員二次碰撞分析及約束系統(tǒng)仿真優(yōu)化

蔣成約，張 偉，任立海，胡遠(yuǎn)志，李 軍，黃 杰

(1.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401320；2.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)

國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示我國交通安全問題仍然十分嚴(yán)峻[1]。車輛碰撞事故中，正面小偏置碰撞工況(重疊率≤30%)致死率較高[2-3]。目前，美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)及中國保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)均已將25%小偏置碰撞納入了測評(píng)范圍[4-5]，相關(guān)測試結(jié)果顯示小偏置碰撞工況對(duì)車輛的安全性能有獨(dú)特的要求[6]。

當(dāng)前，小偏置碰中的車體耐撞性與乘員防護(hù)是汽車碰撞安全領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。文獻(xiàn)[7-11]為小偏置碰中的車身結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)與約束系統(tǒng)優(yōu)化提供了參考。研究表明，乘員約束系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)與乘員加權(quán)傷害指標(biāo)WIC值有較大相關(guān)性[12]；氣囊袋形設(shè)計(jì)可以兼顧不同乘員的接觸剛度需求[13]。

本文采用CAE方法開展小偏置碰的乘員二次碰撞響應(yīng)分析及約束系統(tǒng)優(yōu)化工作，以期完善相關(guān)工況中的乘員防護(hù)效能。

1 仿真模型的搭建與驗(yàn)證

當(dāng)前小偏置碰試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，本文首先建立某車型50 km/h正面碰撞工況(Front Rigid Barrier, FRB)約束系統(tǒng)模型并對(duì)標(biāo)；然后采用LS-DYNA仿真獲取該車型64 km/h小偏置碰(Small Overlap Barrier, SOB)的車體響應(yīng)數(shù)據(jù)，作為小偏置碰乘員仿真的運(yùn)動(dòng)輸入；最后開展小偏置碰乘員響應(yīng)分析與約束系統(tǒng)優(yōu)化。

1.1 約束系統(tǒng)模型搭建

本文采用美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)公開的2010款豐田Yaris(三廂版)已對(duì)標(biāo)車型為研究對(duì)象[14]。

該車型約束系統(tǒng)基礎(chǔ)模型主要包括乘員艙及各約束系統(tǒng)子模塊。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定導(dǎo)入Hybrid-III 50th男性假人并調(diào)整假人的相應(yīng)位置與姿態(tài)。針對(duì)小偏置碰撞工況中車身繞垂直方向轉(zhuǎn)角大及乘員艙侵入大等特點(diǎn)，本文采用有限元軟件LS-DYNA中的*INTERFACE等關(guān)鍵字施加邊界條件以重現(xiàn)整車碰撞結(jié)果中車體的整體運(yùn)動(dòng)和局部變形，仿真精度較提取加速度曲線的方式更高，并且可以有效地反映外力的響應(yīng)。本文搭建的約束系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 約束系統(tǒng)模型

1.2 約束系統(tǒng)模型有效性驗(yàn)證

圖2為60 ms與100 ms時(shí)刻的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的運(yùn)動(dòng)對(duì)比，由圖可知：仿真與實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)時(shí)刻假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、氣囊展開形態(tài)基本一致。

(a)60 ms

此外，對(duì)假人關(guān)鍵部位傷害指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)標(biāo)。圖3為部分實(shí)驗(yàn)曲線與仿真曲線的對(duì)比。由圖可知，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在趨勢、時(shí)域與峰值三個(gè)方面的擬合度較好，所建立的約束系統(tǒng)模型可作為后續(xù)分析與優(yōu)化的基礎(chǔ)模型。

(a)頭部X向加速度

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于NHTSA[14]。

2 小偏置碰車體運(yùn)動(dòng)及乘員損傷對(duì)比

利用LS-DYNA軟件完成小偏置碰的結(jié)構(gòu)仿真，并基于正碰對(duì)標(biāo)約束系統(tǒng)模型搭建小偏置碰約束系統(tǒng)模型，繼而分析小偏置碰中的乘員傷害。

2.1 車體運(yùn)動(dòng)對(duì)比分析

小偏置碰中車體與壁障的重疊率為25%，前縱梁等重要吸能結(jié)構(gòu)難以起到潰縮吸能的作用。小偏置碰結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果顯示：車身在70 ms左右時(shí)開始產(chǎn)生繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，在120 ms時(shí)刻達(dá)到20°左右，并在60 ms左右產(chǎn)生沿Y軸方向近35 g的加速度，見圖4。

(a)整車?yán)@Z軸轉(zhuǎn)角

2.2 小偏置碰中乘員運(yùn)動(dòng)及傷害分析

小偏置碰中車體繞Z軸產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)角，使得假人頭部與駕駛員側(cè)氣囊接觸后容易產(chǎn)生滑移，增大了假人頭部與A柱、側(cè)窗等硬接觸的概率。圖5所示為115 ms時(shí)刻假人頭部滑移后與車門內(nèi)側(cè)直接接觸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)示意圖，根據(jù)IIHS評(píng)價(jià)要求，發(fā)生類似狀況且造成假人頭部合成加速度超過70 g，則頭部傷害等級(jí)降低一級(jí)。

(a)俯視圖

仿真結(jié)果顯示乘員頭部與車門內(nèi)側(cè)接觸后使得頭部合成加速度峰值達(dá)102.8 g。此外，小偏置碰中頭部從氣囊表面滑落后使得頸部出現(xiàn)了明顯的彎曲運(yùn)動(dòng)，其最大頸部彎矩較正碰上升了44.55%，見圖6。

(a)頭部合成加速度

3 約束系統(tǒng)仿真優(yōu)化

上述分析顯示假人頭部側(cè)向滑移、頭部硬接觸、頭部與胸部的較大相對(duì)位移等因素是造成小偏置碰中頭部和頸部傷害指標(biāo)上升的主要原因。

3.1 側(cè)氣簾對(duì)乘員損傷的影響分析

為避免小偏置碰中假人頭部與內(nèi)飾產(chǎn)生硬接觸，本文分析了增配氣簾(Curtain Airbag，CAB)對(duì)假人頭部的保護(hù)效果。圖7為80 ms和115 ms時(shí)刻氣簾展開后與假人頭部的相對(duì)位置。

(a)80 ms

仿真結(jié)果顯示配備氣簾后，有效避免了假人頭部與車門內(nèi)側(cè)的硬接觸，但對(duì)頸部損傷指標(biāo)改善效果較小(頸部易陷入主駕氣囊與氣簾的夾縫中)，因而有必要對(duì)主駕氣囊的袋形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來改善上述問題。

3.2 異形主駕氣囊設(shè)計(jì)與優(yōu)化

圖8(左)所示為普通的主駕氣囊(Driver Airbag，DAB)與氣簾夾縫處的切面示意圖。配備普通DAB存在以下問題：① 頭部受到Y(jié)向加速度時(shí)容易在DAB表面滑移；② 頭部較易陷入到DAB與氣簾的夾縫中。以上兩種情況均會(huì)對(duì)假人的頭部、頸部等部位的保護(hù)效果造成不同程度上的影響。圖8(右)為理想的氣簾與DAB夾縫處的切面示意圖，DAB的整體形狀呈中間凹陷兩端凸起的形式，增加了頭部在DAB上滑移時(shí)的阻力，降低了其滑落的可能性。同時(shí)DAB與氣簾的擠壓面積更大，頭部陷入夾縫的可能性也隨之降低。

圖8 氣簾與DAB夾縫處切面示意圖

普通DAB由兩層大小相同的圓形織布通過圓周邊界上下縫合組成，改進(jìn)后的DAB在兩層圓形織布間的左右兩側(cè)增加半圓形夾層，并進(jìn)行相應(yīng)的縫合。圖9為形狀改進(jìn)后的DAB與原始DAB展開后的形狀對(duì)比，由圖可知，改進(jìn)后的DAB中間位置的厚度和上下側(cè)的邊界輪廓基本保持不變，左右兩側(cè)的邊界輪廓得到延伸，氣囊厚度有所增加，此時(shí)氣囊的形態(tài)即為預(yù)期展開效果。原始DAB的體積為50 L，改進(jìn)后的DAB(后文簡稱異形DAB)的體積為80 L。

圖9 異形DAB(左)與原始DAB(右)展開形狀對(duì)比

DAB的形態(tài)與體積發(fā)生了較大的變化，需要重新匹配其相關(guān)參數(shù)以達(dá)到最佳的保護(hù)效果。從可行性與相關(guān)性的角度出發(fā)，選擇氣囊質(zhì)量流率、泄氣孔面積、拉帶長度為設(shè)計(jì)變量；以綜合損傷指標(biāo)WIC為目標(biāo)值[15-16]，即：

(1)

式中：HIC36為頭部綜合性能指標(biāo)；C3ms、Ccomp分別為胸部的3 ms合成加速度與壓縮量；Fl、Ff分別為左、右大腿軸向力。

利用Isight參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，首先以均勻超拉丁實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法構(gòu)造40組實(shí)驗(yàn)方案；目前比較常用的響應(yīng)面近似模型構(gòu)造方法主要有：多項(xiàng)式法、Kriging法和徑向基法等，其中徑向基函數(shù)模型對(duì)于輸入變量與響應(yīng)關(guān)系非線性、輸入變量水平數(shù)比較高的問題可以獲得比較高的擬合度，所以選用該代理模型構(gòu)造響應(yīng)面并與NSGA-II算法結(jié)合得出最優(yōu)解方案，具體方案如表1所示，該方案中質(zhì)量流率和氣囊泄氣孔面積明顯增大，拉帶長度少量增加。

表1 最優(yōu)解方案

3.3 優(yōu)化效果驗(yàn)證

圖10為120 ms時(shí)刻小偏置碰優(yōu)化前后的乘員保護(hù)效果對(duì)比，在配備氣簾與異形DAB的模型中，頭部處于兩個(gè)氣囊的雙重保護(hù)中，與車體內(nèi)飾未發(fā)生任何接觸；假人頸部彎曲運(yùn)動(dòng)也有所減小，假人姿態(tài)得到明顯的改善。

圖10 不同約束系統(tǒng)保護(hù)效果對(duì)比

約束系統(tǒng)優(yōu)化后，假人主要傷害指標(biāo)得以改善(如圖11所示)，具體損傷指標(biāo)如表2所示，假人頭部HIC36和頸部Nij相比優(yōu)化前分別降低了61.75%和31.3%；由于安全帶限力等級(jí)未進(jìn)行調(diào)整，所以胸部壓縮量和合成加速度變化不大。最終假人的WIC值降低47.22%，優(yōu)化效果較顯著。

(a)頭部合成加速度

表2 小偏置碰撞損傷值對(duì)比

圖12為50 km/h正面碰撞工況采用異形DAB并優(yōu)化該工況點(diǎn)火時(shí)間后的乘員運(yùn)動(dòng)形式對(duì)比。相較于原始方案，采用異形DAB后假人頭部空間余量變大。

(a)原始DAB

在50 km/h正面碰撞工況中，由于氣囊剛度的增大，假人頭部HIC36增加了5.05%(小于C-NCAP中的高性能限值650)，但頸部Nij改善幅度較大，整體WIC值減少了3.7%，具體指標(biāo)，見表3。

表3 正面碰撞損傷值對(duì)比

4 結(jié) 論

本文采用CAE仿真方法分析、比對(duì)了50 km/h全正碰與64 km/h小偏置碰兩種工況中的乘員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及損傷特性，并開展了約束系統(tǒng)優(yōu)化，初步結(jié)論如下：

(1)64 km/h小偏置碰中乘員上軀干相對(duì)車體產(chǎn)生較大的橫向加速度，導(dǎo)致頭、頸部損傷加劇，且乘員頭部易從DAB表面滑落，進(jìn)而導(dǎo)致硬接觸風(fēng)險(xiǎn)。

(2)通過約束系統(tǒng)優(yōu)化，可顯著改善乘員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與損傷指標(biāo)。優(yōu)化后小偏置碰中假人頭部完全處于DAB與CAB的保護(hù)中，頸部的彎曲運(yùn)動(dòng)也得到改善；頭部HIC36與頸部Nij分別降低了61.75%與31.3%，使得整體WIC值降低47.22%。50 km/h正碰工況優(yōu)化后，頭部HIC36雖然增加了5.05%，但WIC值降低了3.7%。