側(cè)面碰撞后排SID-Ⅱs假人骨盆合力的改進

商恩義，周大永，王勇輝，李良義

(浙江吉利汽車研究院有限公司 浙江省汽車安全技術(shù)研究重點實驗室，杭州 311228)

在2018 版C-NCAP 管理規(guī)則[1]規(guī)定的可變形移動壁障側(cè)面碰撞試驗中，指定在第2 排座椅被撞擊側(cè)放置SID-IIs(D 版)假人，用以測量第2 排人員的受傷害情況。試驗后，評價部位包括頭、頸、胸、骨盆，每個部位最高得分為 1 分，最低得分為 0 分，采用高性能限值和低性能限值來計算。低性能限值和高性能限值分別對應(yīng) 0 分和 1 分，處于兩者之間的測量值采用線性插值的方法得出相應(yīng)分數(shù)。針對骨盆部位，其評價指標為髖關(guān)節(jié)力和髂骨力合成的骨盆合力，評價的高性能限值為3.5 kN，低性能限值為5.5 kN。由于當前乘用車后排所配置的約束系統(tǒng)通常只有安全帶，因此，側(cè)面碰撞中造成的傷害與車身側(cè)面結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。

本文通過研究某款車后排乘員骨盆對應(yīng)部位的車身造型和布置，對其后排SID-IIs 假人側(cè)面碰撞試驗中的骨盆合力進行改進。

1 某車側(cè)面碰撞后排SID-Ⅱs 假人骨盆合力

某車在開發(fā)初期，為了檢驗結(jié)構(gòu)的安全性，按照C-NCAP 指定的側(cè)面碰撞試驗要求，進行了側(cè)面碰撞試驗。試驗后，后排假人的骨盆合力達到4.8 kN，骨盆評價得分僅為0.4 分。一個部位失0.6 分，屬于失分嚴重，必須對碰撞中與骨盆相關(guān)的車身結(jié)構(gòu)或布置進行調(diào)整。

1.1 SID-IIs 假人骨盆結(jié)構(gòu)

為了更好地改進SID-IIs假人的骨盆傷害指標，需要先了解SID-IIs 假人骨盆傳感器的位置關(guān)系。SID-IIs 假人的整體結(jié)構(gòu)如圖1a 所示[2]，骨盆位置的髂骨力傳感器和髖關(guān)節(jié)力傳感器在骨盆上的相對位置如圖1b 所示。

圖1 SID-IIs 假人結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，碰撞側(cè)的兩個力傳感器中，髂骨力傳感器的位置相對更靠上和靠后。在發(fā)生側(cè)面碰撞時，髖關(guān)節(jié)通常將承擔更多的碰撞能量，而髂骨力傳感器的位置也更易受到不規(guī)則結(jié)構(gòu)造成的傷害。

1.2 某車側(cè)面碰撞后排SID-Ⅱs 假人骨盆合力

建立假人力的坐標系[3]：y向為左右方向，從左向右為正。

某車進行側(cè)面碰撞試驗后，髖關(guān)節(jié)力、髂骨力及骨盆的合力如圖2 所示。

圖2 SID-IIs 假人骨盆部位力曲線

圖2 中，髂骨力峰值達到4.12 kN，髖關(guān)節(jié)力的最大值僅為0.75 kN，且髂骨力與髖關(guān)節(jié)力的峰值不同步。兩個力相比較，髂骨力位置是碰撞中骨盆的主要承力點。骨盆合力曲線具有兩個尖峰，第1 個尖峰較小，出現(xiàn)在約48 ms 時，峰值為1.5 kN；第2 個峰尖出現(xiàn)在58 ms 時，峰值上升快，值更大，達到4.8 kN。通過兩峰之間的谷底(50，1500)和第2個峰尖(57，4800)兩點計算第2 個峰值上升的速率，該速率為470 N/m。也就是說，側(cè)面碰撞過程中，假人骨盆的主要受力點是在臀部的后上方，且碰撞后期強度較高，較集中。該結(jié)果反映出骨盆側(cè)面對應(yīng)車身結(jié)構(gòu)應(yīng)為凸起結(jié)構(gòu)，且碰撞后期骨盆有可能撞擊到剛性較高的結(jié)構(gòu)。

確認骨盆側(cè)面接觸位置。假人骨盆側(cè)面與車內(nèi)飾之間的相對位置關(guān)系如圖3 所示。依據(jù)圖3，可以初步確認髂骨力傳感器部位的橫向接觸位置是輪眉上方后排座椅側(cè)面的安裝基座，該安裝基座內(nèi)部鈑金結(jié)構(gòu)為凸形。因此，為了提高后排乘員在側(cè)面碰撞中的安全性，需要對此處結(jié)構(gòu)進行弱化，從而降低骨盆合力曲線主峰尖的上升速率及峰值。

圖3 SID-IIs 假人骨盆與門內(nèi)飾的相對關(guān)系

3 SID-Ⅱs 假人骨盆合力的改進

3.1 仿真改進

利用仿真方法對SID-IIs 骨盆合力進行改進。

圖4 假人骨盆合力的仿真改進

仿真建模及仿真過程如圖4 所示，幾輪參數(shù)調(diào)試，仿真的結(jié)果并不理想，主要是髂骨力和髖關(guān)節(jié)力位置十分接近，對實車試驗中骨盆合力的貢獻差別較大，且髂骨力變化相對而言又較為急劇，此次改進近似為對碰撞中某接觸點的改進，在仿真中調(diào)試出與實車碰撞試驗相近的結(jié)果有難度。

3.2 臺車試驗方案的建立

鑒于仿真再現(xiàn)實車碰撞的試驗結(jié)果較難，綜合實車碰撞中后排輪眉附近位置基本沒有變形，碰撞過程中SID-IIs 假人骨盆傷害主要來源于其自身側(cè)向運動產(chǎn)生的碰撞，所以確認可建立側(cè)撞臺車試驗?zāi)芰Γㄟ^臺車試驗來改進SID-IIs 假人骨盆對應(yīng)部位的車身結(jié)構(gòu)，進而降低碰撞中假人骨盆部位所受到的傷害強度。結(jié)合側(cè)面碰撞中只是假人相對車身產(chǎn)生側(cè)向運動，則臺車試驗中應(yīng)只需復(fù)現(xiàn)假人的相對運動即可，所以確定以下具體試驗方案。

（1）臺車試驗形式：為了確保臺車的碰撞形式與實車側(cè)面碰撞形式盡可能接近，采用加速臺車進行。

（2）臺車試驗?zāi)繕瞬ㄐ危号_車試驗所用加速度曲線采用實車側(cè)面碰撞中所采集的非碰撞側(cè)B 柱下y向加速度曲線。對于精度，所復(fù)現(xiàn)曲線積分速度與目標曲線積分后速度相比，精度控制在±0.5 km/h。

（3）車身擺放角度：實車側(cè)面碰撞中，在90 ms 之后車身才發(fā)生相對偏轉(zhuǎn)，而后排假人骨盆最大傷害出現(xiàn)在60 ms 左右，所以臺車試驗時忽略實車側(cè)面碰撞中車身轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的角度，將白車身垂直橫置在臺車的臺面上。

（4）試驗樣件狀態(tài)：臺車試驗中碰撞側(cè)試驗樣件與實車碰撞側(cè)試驗樣件一致，調(diào)節(jié)狀態(tài)一致。

臺車試驗方案制定后，按方案要求搭建臺車，對方案的可行性首先進行了驗證試驗S。S 試驗結(jié)果與原實車V 試驗結(jié)果中骨盆各種力的對比如圖5 所示。

圖5 臺車與實車假人骨盆各力對比

圖5 中，S 與V 試驗結(jié)果綜合對比，兩次試驗的髂骨力和髖關(guān)節(jié)力的形狀，力的分布關(guān)系十分接近。在數(shù)值上，S-髂骨力與V-髂骨力幅值比較接近；S-髖關(guān)節(jié)力比V-髖關(guān)節(jié)力高約0.5 kN，最終導致S-骨盆合力比V-骨盆合力高約0.5 kN。總體而言，S 試驗結(jié)果基本能夠反映V 的試驗結(jié)果，可以以此結(jié)果為基礎(chǔ)，通過臺車試驗來優(yōu)化SIDIIs 假人骨盆對應(yīng)部位的車身結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)對后排SID-IIs 假人骨盆合力的改進。

3.3 基于臺車試驗改進

3.3.1 碰撞位置臺車試驗確認

進行臺車試驗S0，進一步確認碰撞過程中假人骨盆側(cè)面接觸的具體位置。臺車試驗前，如圖6c 所示，在白車身上噴涂黃漆，而后再安裝內(nèi)飾板；如圖6a 所示，在假人臀部側(cè)面涂上不同顏色油彩，在假人側(cè)面可能接觸的內(nèi)飾板上粘貼上白色紙膠帶。試驗后，通過內(nèi)飾板上的油彩痕跡確認臀部各傳感器外側(cè)的撞擊位置，通過凸形基座上漆痕的磨損情況確認內(nèi)飾板內(nèi)部接觸情況。

試驗后，如圖6b 所示，內(nèi)飾板所貼膠帶紙上清晰地顯示了骨盆各位置的接觸情況，其中，涂有紅色油彩的髂骨力對應(yīng)骨盆的側(cè)面位置正好撞在了凸形基座前端處的內(nèi)飾板上；如圖6c 所示，凸形基座上的漆痕，清晰地顯示了內(nèi)飾板與車身結(jié)構(gòu)發(fā)生了碰撞。因此，可以確認骨盆合力偏高的原因可能是：（1）內(nèi)飾板與內(nèi)部鈑金結(jié)構(gòu)之間沒有緩沖塊，碰撞過程中僅靠內(nèi)飾板變形吸能，吸能材料不足。（2）內(nèi)飾板與內(nèi)部鈑金結(jié)構(gòu)之間的距離僅有20 mm，變形緩沖空間有限，導致碰撞中骨盆觸底內(nèi)飾板內(nèi)部的鈑金結(jié)構(gòu)。

圖6 假人骨盆與車身結(jié)構(gòu)的接觸位置判定

綜合上述分析，確定改進工作按以下兩種方案進行：（1）小改進，在內(nèi)飾板與鈑金結(jié)構(gòu)之間增加泡沫塊。（2）大改動，對凸形基座上臀部接觸位置的鈑金結(jié)構(gòu)進行處理，增大內(nèi)飾板與內(nèi)部鈑金結(jié)構(gòu)間的緩沖空間，并填充泡沫材料進行吸能。

3.3.2 基于內(nèi)飾結(jié)構(gòu)進行改進

實施改進方案（1）：在內(nèi)飾板與鈑金結(jié)構(gòu)之間增加泡沫塊。內(nèi)飾板復(fù)位后，進行臺車驗證試驗S1，驗證結(jié)果如圖7 所示。

圖7 S1 試驗中骨盆各力

圖7 中，S1-髂骨力曲線為雙峰，最大值約為3.1 kN。S1-髖關(guān)節(jié)力曲線為單峰，最大值約為0.8 kN。S1-髂骨力曲線與S1-髖關(guān)節(jié)力曲線合成后的骨盆合力曲線也為雙峰，第1 個峰值為2.1 kN，第2 個峰值為3.9 kN。通過兩峰之間的短暫谷底（54，2 100）和第2 個峰尖（60，3 900）兩點計算第2 個峰值上升速率，該速率為300 N/ms。與V-骨盆合力曲線相比，S1-骨盆合力曲線的第1 個峰值上升了0.6 kN，第2 個峰值下降了0.9 kN，第2 個峰值上升的速率下降了170 N/ms。該結(jié)果反映出V-骨盆合力曲線的第1 個峰是由內(nèi)飾板作用產(chǎn)生，第2個峰是由內(nèi)飾板撞擊到其內(nèi)部的鈑金結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。本輪在座椅安裝基座部位內(nèi)飾板與鈑金結(jié)構(gòu)間墊泡沫塊的方案是對的，提高了內(nèi)飾板前期的緩沖吸能作用，降低了后期撞擊力上升的速率。只是間隙太小，所墊泡沫塊太薄，最終所起作用有限，使改進結(jié)果即使減去臺車試驗偏高的500 N，骨盆合力也依然處于失分狀態(tài)。

3.3.3 基于鈑金結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行改進

所研究車型后排座椅安裝點的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6c所示，若要采用方案（2）進行改進，需要除掉凸起的前端結(jié)構(gòu)，該方法對原設(shè)計改變較大，且有損原結(jié)構(gòu)強度，所以改進前先進行了對標論證。對標結(jié)果表明，一些側(cè)面碰撞中后排SID-IIs 假人骨盆傷害結(jié)果較好的車型，后排座椅側(cè)面安裝點部位的結(jié)構(gòu)普遍簡單。某款車的后排座椅安裝點結(jié)構(gòu)如圖8所示，為板形結(jié)構(gòu)，除固定點外，上下空間較大。該結(jié)構(gòu)的成功使用表明，后排座椅安裝點對強度要求不是太高，所研究車型凸形前端可以弱化。此外，弱化時，若同時增加內(nèi)飾板與鈑金結(jié)構(gòu)間的距離，也可以加大內(nèi)飾板的變形空間。

圖8 對標車型座椅安裝點結(jié)構(gòu)

實施方案（2），切除后排座椅安裝凸形基座前端乘員臀部接觸部位的鈑金結(jié)構(gòu)，在切割產(chǎn)生的中空部分嵌入泡沫塊。具體操作如圖9 所示。

圖9 鈑金結(jié)構(gòu)更改及嵌入泡沫塊方案

進行臺車試驗S2，試驗結(jié)果如圖10 所示。因內(nèi)飾板內(nèi)部鈑金結(jié)構(gòu)被切除并嵌入泡沫塊，內(nèi)飾板的基礎(chǔ)被削弱，前期變形吸能能力下降，后期撞擊力上升能力也被有效控制，所以骨盆合力曲線由雙峰變?yōu)殡A梯形，前端平臺時期作用力為0.8 kN，整個曲線最大值為3.2 kN。最大值上升的速率通過峰值上升的起點(56，900)和頂點(65，3 200)進行計算，該斜率為255 N/ms，相對S1 下降了45 N/ms?？傮w而言，改進結(jié)果較好，可以拿到滿分。此外，考慮到臺車對標實車結(jié)果偏高500 N，按此推算實車試驗時試驗結(jié)果應(yīng)為2.7 kN，相對3.5 kN 的高性能限值而言，該部位得滿分的安全性較高，可確認此方案可行，可作為最終改進方案，實車后排座椅兩側(cè)安裝基座結(jié)構(gòu)在此方案基礎(chǔ)上進行改進。

圖10 S2 試驗中骨盆各力

4 實車驗證

參照臺車改進方案，并綜合考慮工藝等各方面因素，對所研究車型的座椅安裝基座結(jié)構(gòu)進行更改，如圖11 所示，其中，改進部位中心位置與內(nèi)飾板之間的距離擴大至約40 mm，并在內(nèi)飾板對應(yīng)位置附有相應(yīng)形狀的泡沫塊。對改進后的實車按C-NCAP要求進行了側(cè)面碰撞試驗V1。

圖11 座椅安裝基座改進結(jié)果

V1 試驗后，骨盆部位各力曲線如圖12 所示，V1-骨盆合力曲線為階梯形，但整體上升平緩，最大峰值為2.8 kN。V1 與S2 對比，兩者骨盆合力在髂骨力與髖關(guān)節(jié)力的分配上略有差異，其影響因素包括試驗方式存在差異、臺車改進方案轉(zhuǎn)化成實車整改方案存在偏離等，但V1 最終的試驗結(jié)果與S2試驗后推算的2.7 kN 比較接近，遠遠低于評價的最高限值3.5 kN，可以確保骨盆部位在C-NCAP 評價中取得滿分。最終確認，通過臺車對后排假人骨盆傷害進行改進的方法可行，基于鈑金結(jié)構(gòu)更改的改進方案成功。

圖12 V1 試驗中骨盆各力

5 結(jié)論

本文通過臺車試驗對側(cè)面碰撞后排SID-IIs 假人骨盆對應(yīng)部位的車身結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整，進而改進了SID-IIs 假人骨盆合力。得出結(jié)論：針對后排乘員骨盆傷害的改進，可以通過臺車試驗進行；為了保證側(cè)面碰撞中后排乘員骨盆得到良好的保護，在骨盆接觸部位的內(nèi)飾板與其內(nèi)部的鈑金結(jié)構(gòu)之間最好保證40 mm 以上的間隔，并通過填充泡沫塊進行緩沖。