大客車偏置碰撞乘員損傷分析及約束系統(tǒng)優(yōu)化

劉飛虎，劉晶郁，田言康

(長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安710064)

1 引言

我國(guó)客車碰撞形式主要為正面碰撞，而偏置碰撞在客車正面碰撞中占比最大，且易造成群死群傷的重特大交通事故[1]。張勇等[2]對(duì)汽車正面100%全寬碰撞進(jìn)行了耐撞性研究，并進(jìn)行了多學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計(jì)改善了汽車的耐撞性；Agenor[3]等在彈塑性梁模型基礎(chǔ)上對(duì)客車正面100%重疊率碰撞進(jìn)行仿真建模，并針對(duì)整車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化；楊涎林[4]針對(duì)40%重疊率碰撞工況對(duì)客車的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了深入研究，探索出了多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案；賀志瑛[5]深入研究了不同車速對(duì)駕駛員生存空間及乘員損傷的影響，得出大客車40%偏置碰撞臨界車速為34km/h，并以此速度作為碰撞初速度探究了大客車結(jié)構(gòu)安全性。綜上，現(xiàn)有的客車正面碰撞主要是100%正面全寬碰撞的研究，在偏置碰撞方面特別是研究50%偏置碰撞的很少，研究表明[6]50%重疊率下前排乘員的損傷最大，可視為危險(xiǎn)工況；目前對(duì)減少乘員損傷的研究主要通過(guò)客車車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)探究乘員約束系統(tǒng)對(duì)乘員損傷的影響規(guī)律以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行降低乘員損傷的研究較少；與此同時(shí)我國(guó)還沒(méi)有發(fā)布與偏置碰撞緊密相關(guān)的法規(guī)，有關(guān)客車的偏置碰撞研究還在起步階段，所以進(jìn)行大客車偏置碰撞中乘員約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和損傷的耦合關(guān)系研究具有重要意義。

本文基于某6120型旅游大客車進(jìn)行了50%偏置碰撞仿真，探究了乘員約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與乘員損傷之間的有機(jī)聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上篩選出主要變量對(duì)乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)并驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。優(yōu)化結(jié)果對(duì)后續(xù)客車偏置碰撞安全性能優(yōu)化設(shè)計(jì)和相關(guān)法規(guī)的制定具有重要的參考意義。

2 大客車乘員約束系統(tǒng)仿真模型

2.1 大客車有限元模型建立

基于某6120型旅游大客車在Hypermesh中進(jìn)行有限元建模。模型如下：整車由六大片骨架和蒙皮等構(gòu)成，采用rigid剛性單元模擬蒙皮和整車骨架間的焊縫，選用共節(jié)點(diǎn)方式對(duì)骨架間的焊縫進(jìn)行建模?？蛙嚬羌懿牧蟍7]為Q345，蒙皮、座椅骨架等材料為低碳鋼Q235。

整車有限元模型如圖1所示。使用殼單元模擬大客車車身骨架、蒙皮等薄壁結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格大小為20mm，整車有限元模型由1627414個(gè)單元、1340520個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。

圖1 大客車有限元模型

2.2 大客車有限元模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型是否穩(wěn)定、有效，以整車有限元模型為基礎(chǔ)建立并完成正面100%重疊率碰撞仿真模型試驗(yàn)，其中試驗(yàn)結(jié)果如圖所示：

圖2 正面全寬碰撞各能量變化曲線

圖3 正面全寬碰撞質(zhì)量增加曲線

由上圖可知，沙漏能增加8.18KJ，質(zhì)量增加9.49Kg，均小于5%，因此模型是穩(wěn)定、有效的。

為進(jìn)一步驗(yàn)證建模是否可靠，參考實(shí)驗(yàn)條件以30km/h的碰撞速度建立并完成正面100%重疊率碰撞仿真模型試驗(yàn)，并將仿真結(jié)果與某12m同類全承載式旅游大客車正面碰撞剛性墻的試驗(yàn)進(jìn)行比較，仿真與試驗(yàn)的整車B柱加速度曲線對(duì)比如下圖所示。

圖4 客車B柱碰撞x方向加速度曲線對(duì)比

圖5 客車B柱碰撞y方向加速度曲線對(duì)比

圖6 客車B柱碰撞z方向加速度曲線對(duì)比

由上圖可知，三個(gè)方向上客車B柱仿真與試驗(yàn)的加速度曲線趨勢(shì)相近，誤差在20%以內(nèi)，加速度峰值時(shí)刻和峰值大小也近似相同，模型滿足精度要求，可用于接下來(lái)的研究。

2.3 乘員約束系統(tǒng)仿真模型建立

采用多剛體-有限元方法在MADYMO[8]中建立包括座椅、地板、假人、安全帶等乘員約束系統(tǒng)仿真模型。如圖7所示。

圖7 乘員區(qū)人-車耦合模型

地板和座椅采用有限元建模。采用Hybrid Ⅲ50百分位多剛體假人模擬乘員并對(duì)假人進(jìn)行定位。選用兩點(diǎn)式安全帶并基于多剛體-有限元方法進(jìn)行建模。為保證試驗(yàn)仿真精度，首先定位了安全帶，然后把安全帶模型按照假人位置、姿態(tài)實(shí)現(xiàn)了預(yù)模擬。將客車偏置碰撞中座椅處傳感器得到的X向加速度和重力加速度曲線加載到多剛體假人上，將Y向加速度波形加載到乘員區(qū)地板上。

3 乘員損傷影響因素分析

3.1 乘員損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

參考《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》(GB11551-2014)和《客車座椅及其車輛固定件的強(qiáng)度》(GB13057-2014)法規(guī)[9]，本文選取了頭部、胸部等部位指標(biāo)來(lái)表征假人受到的損傷程度。為整體評(píng)估約束系統(tǒng)的效能，采用了乘員綜合傷害指數(shù)的WIC值將假人各部位損傷值進(jìn)行歸一化處理[10]，見(jiàn)式(1)

(1)

式中HIC為頭部運(yùn)動(dòng)損傷值，C3ms為胸部合成加速度，F(xiàn)Z和My分別為頸部剪切力和頸部伸張彎矩，F(xiàn)FC＿L和FFC＿R分別為左側(cè)大腿軸向受力和右側(cè)大腿軸向受力。

由上式可知，評(píng)價(jià)指標(biāo)中權(quán)重占比較大是頭部損傷值和胸部合成加速度C3ms，因此本文選用這兩個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)偏置碰撞中的乘員損傷以及接下來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

3.2 乘員損傷影響因素分析

通過(guò)改變剛性墻內(nèi)邊緣與客車縱向中心面的間距，對(duì)50%重疊率大客車碰撞模型進(jìn)行了建模，然后選擇安全帶的織帶剛度和摩擦系數(shù)以及座椅的設(shè)計(jì)間距、靠背傾角和泡沫剛度、坐墊摩擦系數(shù)這六個(gè)與乘員損傷相關(guān)的因素作為主要參數(shù)進(jìn)行研究，研究不同參數(shù)對(duì)危險(xiǎn)工況下乘員損傷的作用規(guī)律時(shí)運(yùn)用了單因子變量法。即通過(guò)改變?cè)寄Ｐ蛥?shù)進(jìn)行不同影響因素的研究，原始模型中座椅間隔為750mm，座椅靠背傾角為105°，座椅坐墊摩擦系數(shù)為0.3，安全帶摩擦系數(shù)為0.2，靠背泡沫剛度和安全帶織帶剛度為1。

3.2.1 座椅靠背泡沫剛度對(duì)乘員損傷影響

碰撞瞬間座椅靠背的力直接作用到假人頭部，靠背泡沫可以在一定程度上保護(hù)假人頭部。本文基于靠背泡沫剛度的原始數(shù)據(jù)，設(shè)置0.5至1.75六個(gè)泡沫剛度比例系數(shù)[11]并完成了對(duì)應(yīng)的假人碰撞仿真，結(jié)果如表1所示。

表1 不同靠背泡沫剛度下假人損傷值

由表可知，靠背泡沫剛度改變時(shí)，假人頭部損傷的變化較大。當(dāng)系數(shù)設(shè)置成1時(shí)，假人的頭部損傷程度最嚴(yán)重；當(dāng)系數(shù)不等于1時(shí)，假人頭部損傷值隨剛度比例系數(shù)變化而減小，比例系數(shù)為0.75時(shí)，頭部HIC值最小。隨著泡沫剛度增加假人胸部C3ms值有所下降，綜合來(lái)看變化幅度不大。故假人損傷程度可以通過(guò)適當(dāng)提高靠背泡沫剛度來(lái)減小。

3.2.2 座椅設(shè)計(jì)間距對(duì)乘員損傷影響

根據(jù)法規(guī)《營(yíng)運(yùn)客車類型劃分及等級(jí)評(píng)定》(JT/T 325-2006)，同一方向上客車座椅間的距離要大于680mm，本文為了較好平衡客車內(nèi)總布置和乘坐體驗(yàn)舒適，選取了700mm至825mm共6種座椅間距并完成相應(yīng)仿真，結(jié)果如表2所示。

表2 不同座椅間距下假人損傷值

由表可知，座椅間距逐漸增大時(shí)，假人頭部運(yùn)動(dòng)損傷總體上也是逐漸增大的，但各個(gè)損傷值變化較大，當(dāng)座椅間距調(diào)整成700mm，假人頭部受損傷程度最輕，當(dāng)其調(diào)節(jié)成825mm時(shí)，頭部受損傷程度最嚴(yán)重。座椅之間的距離在800mm以下時(shí)，假人頭部HIC值增加較慢，而當(dāng)其超過(guò)800mm時(shí)，頭部HIC值增加很快。座椅設(shè)計(jì)距離在725mm以下增加時(shí)，假人胸部C3ms值增加較慢，而當(dāng)其超過(guò)725mm并繼續(xù)增大時(shí)，胸部C3ms值又會(huì)有降低趨勢(shì)，將座椅的距離設(shè)置成725mm，假人胸部受損傷程度最嚴(yán)重，將座椅的距離設(shè)置成825mm時(shí)，胸部受損傷程度最輕?？傮w來(lái)說(shuō)座椅間的設(shè)計(jì)距離低于800mm時(shí)，既可以滿足舒適性要求又能很好減輕頭部受損傷程度。

3.2.3 座椅靠背傾角對(duì)乘員損傷影響

已有研究表明[12]，乘坐較舒服時(shí)的座椅靠背角度為90～115°。故選擇90°至115°六個(gè)傾角參數(shù)并完成相應(yīng)碰撞仿真，結(jié)果如表3所示。

表3 不同座椅靠背傾角假人損傷值

由表可知，靠背傾角不斷增大時(shí)，假人頭部HIC值變化較為劇烈，其中傾角大于95°時(shí)，假人頭部HIC值處于250-340內(nèi)，大小改變幅度較小，當(dāng)傾角小于等于95°時(shí)，假人頭部HIC值迅速增大，且改變幅度很大，頭部HIC值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的傾角為95°。當(dāng)傾角為105°和110°時(shí)，假人胸部受損傷程度最嚴(yán)重，其它靠背傾角下假人胸部損傷相當(dāng)。綜上可知在滿足舒適性要求下，靠背傾角設(shè)置成100°上下可以有效降低成員損傷風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.4 安全帶織帶剛度對(duì)乘員損傷影響

乘員約束系統(tǒng)中的安全帶不僅可以對(duì)假人位移進(jìn)行限制，還能降低關(guān)鍵部位的沖擊力。按照安全帶織帶剛度相對(duì)初始值的比例系數(shù)，本文設(shè)置0.5至1.75六種比例系數(shù)完成相應(yīng)碰撞仿真，結(jié)果如表4所示。

表4 不同剛度仿真下假人損傷值

由表可知，安全帶織帶剛度加大時(shí)，假人頭部損傷也隨之增加，當(dāng)把剛度比例系數(shù)設(shè)置為0.5，假人頭部受損傷程度最輕，設(shè)置成1.25時(shí)，頭部受損傷程度最嚴(yán)重。假人胸部損傷隨安全帶織帶剛度變化并不明顯。整體而言可以適當(dāng)降低安全帶織帶剛度來(lái)降低假人頭部損傷。

3.2.5 安全帶摩擦系數(shù)對(duì)乘員損傷影響

研究表明[13]，化學(xué)纖維是安全帶的主要成分，因此其與假人腹部間的摩擦因數(shù)不大，故本文選擇0.1至0.6共6種參數(shù)并完成相應(yīng)碰撞仿真，結(jié)果如表5所示。

表5 不同織帶摩擦系數(shù)下假人損傷值

由上表可知，安全帶織帶的摩擦因數(shù)不斷增加時(shí)，假人頭部損傷值先下降后上升，整體變化不大，當(dāng)摩擦系數(shù)設(shè)置成0.2，假人頭部受損傷程度最輕，當(dāng)其設(shè)置成0.6時(shí)，頭部受損傷程度最嚴(yán)重?？棊Σ料禂?shù)變化時(shí)，假人胸部C3ms值整體變化幅度較小，不同摩擦系數(shù)下胸部合成加速度在20g左右浮動(dòng)。從整體看，假人頭部、胸部損傷受安全帶織帶摩擦系數(shù)作用不是很大。

3.2.6 坐墊摩擦系數(shù)對(duì)乘員損傷影響

假人初始碰撞速度在碰撞時(shí)受到臀部和座墊間的摩擦系數(shù)影響。研究表明[14]，針織和機(jī)織面料動(dòng)摩擦系數(shù)分別在0.3-0.8和0.2-0.5之間。故本文選擇0.2-0.7共6種參數(shù)并完成相應(yīng)碰撞仿真，結(jié)果如表6所示。

表6 不同坐墊摩擦系數(shù)下假人損傷值

由表可知，坐墊摩擦系數(shù)逐漸增加時(shí)，假人頭部損傷逐漸減小，當(dāng)摩擦系數(shù)設(shè)置成0.2時(shí)，假人頭部HIC值最大，當(dāng)其設(shè)置為0.7時(shí)，假人頭部HIC值最小。坐墊摩擦系數(shù)變化時(shí)，假人胸部損傷變化不大，整體處于21g附近。因此選擇摩擦系數(shù)較高的座椅面料能有效降低乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)。

4 乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)變量選擇

為降低系統(tǒng)復(fù)雜度和保證精度，本文在分析上述參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的敏感性時(shí)運(yùn)用了靈敏度分析法[15]并選取了靈敏度較高的參數(shù)。

根據(jù)上節(jié)不同參數(shù)下的仿真結(jié)果，以靈敏度絕對(duì)值最大值為準(zhǔn)則，本文對(duì)比分析了各參數(shù)對(duì)假人頭部、胸部的影響程度，各影響因素靈敏度如下圖所示。

圖8 各影響因素靈敏度絕對(duì)值

由式(1)可知頭部損傷占比最大，故根據(jù)靈敏度中頭部首先考慮、胸部其次考慮的準(zhǔn)則進(jìn)行各影響因素的篩選。通常情況下，參數(shù)靈敏度隨參數(shù)對(duì)目標(biāo)響應(yīng)值影響增大而增大，由圖8可知，座椅間距、靠背泡沫剛度、安全帶剛度、坐墊摩擦系數(shù)、座椅靠背傾角靈敏度較大，又由于可以人為調(diào)節(jié)座椅靠背傾角，不包括在座椅固有特征中，所以本次優(yōu)化不優(yōu)化靠背傾角。本文將座椅間距、靠背泡沫的剛度、安全帶的剛度、坐墊的摩擦系數(shù)確定為最后的乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。各變量取值范圍及初始值如下表所示。

表7 各變量取值范圍及初始值

4.2 約束系統(tǒng)優(yōu)化

為減少尋優(yōu)時(shí)間和提高尋優(yōu)精度，本文采用代理模型近似表達(dá)優(yōu)化問(wèn)題，并在代理模型基礎(chǔ)上求解乘員約束系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。

因?yàn)楸疚膬?yōu)化目標(biāo)是假人頭部損傷、胸部損傷最小，所以把拉丁超立方試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)響應(yīng)值設(shè)置為假人頭部HIC值、胸部C3ms值，對(duì)篩選出的4個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行30組拉丁超立方試驗(yàn)采樣，并對(duì)30組試驗(yàn)樣本用Kriging模型進(jìn)行插值計(jì)算，以指數(shù)相關(guān)函數(shù)為模型核函數(shù)完成代理模型構(gòu)建。然后利用15個(gè)模型預(yù)測(cè)對(duì)代理模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果中頭部損傷HIC值的MRE系數(shù)為0.0511，R2為0.9233；胸部損傷C3ms值的MRE系數(shù)為0.021，R2為0.9122，可知建立的代理模型精度達(dá)到要求。

根據(jù)優(yōu)化問(wèn)題及優(yōu)化條件，建立多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化數(shù)學(xué)模型描述如下

(2)

式中，HIC為假人頭部HIC值，C3ms為胸部合成加速度，X表征座椅間隔，Y表征座椅靠背泡沫剛度，Z表征安全帶剛度、W表征坐墊摩擦系數(shù)。

本文選取搜索和收斂速度較高且能夠有效防止提前收斂的MOGA-Ⅱ算法對(duì)上述所建立的Kriging模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，模型經(jīng)過(guò)198次迭代，最終目標(biāo)函數(shù)收斂，得到了18組Pareto解集合，18組Pareto解集內(nèi)的元素都是可行的優(yōu)化解，其中Pareto解集前沿曲線如圖9所示。

圖9 Pareto前沿曲線

由上圖可知，假人頭部損傷與胸部損傷最優(yōu)值存在矛盾。為兼顧各目標(biāo)值優(yōu)化效果，本文采用Pareto圖中間位置點(diǎn)確定優(yōu)化后各項(xiàng)參數(shù)，優(yōu)化前和優(yōu)化后約束系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)如下表。

表8 優(yōu)化前后約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比表

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的有效性，將最優(yōu)解代入仿真模型得到假人損傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表9所示：HIC值與C3ms值代理模型解與仿真結(jié)果的誤差均較小，滿足精度要求，且假人頭部損傷值和胸部C3ms值在優(yōu)化之后分別下降到208.38和18.66g，與假人原先的損傷值相比，大幅降低了假人頭部損傷和胸部損傷值。

表9 仿真值與代理模型解對(duì)比

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析

在50%重疊率模型中重新設(shè)置優(yōu)化后的約束系統(tǒng)參數(shù)并再次進(jìn)行碰撞仿真，結(jié)果如表10所示，優(yōu)化前和優(yōu)化后優(yōu)化目標(biāo)值對(duì)比如圖10所示。

表10 優(yōu)化前后假人損傷

圖10 優(yōu)化前后假人頭部、胸部損傷對(duì)比

由上圖可知，50%重疊率工況下，優(yōu)化后假人頭部、胸部損傷降幅分別達(dá)到了38.02%和11.98%，下降幅度較為明顯；假人的頭部HIC值下降了37.99g，胸部C3ms值下降了2.54g，優(yōu)化后的乘員約束系統(tǒng)可以更好地保護(hù)乘員。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)客車車體、乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行建模，將50%重疊率作為研究工況深入研究了客車偏置碰撞前排乘員損傷規(guī)律，找到了乘員約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與乘員損傷之間的耦合關(guān)系。運(yùn)用單因子變量法進(jìn)行相應(yīng)假人碰撞試驗(yàn)，仿真結(jié)果說(shuō)明當(dāng)座椅靠背泡沫剛度的比例系數(shù)為1.5，座椅靠背傾角為100°，座椅設(shè)計(jì)間距小于800mm，安全帶織帶的剛度比例系數(shù)在1以下時(shí)，可以降低頭部和胸部損傷值，更好地保護(hù)乘員。

經(jīng)過(guò)靈敏度分析在以上參數(shù)中選取設(shè)計(jì)變量為安全帶剛度、座椅坐墊摩擦系數(shù)、靠背泡沫剛度、座椅間距，采用MOGA-Ⅱ算法對(duì)頭部HIC值及胸部C3ms值進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化后，在50%重疊率下，優(yōu)化后假人頭部、胸部損傷降幅分別達(dá)到了38.02%和11.98%。