移動(dòng)漸進(jìn)變形壁障碰撞中約束系統(tǒng)對(duì)THOR假人胸部損傷的影響

姜?jiǎng)?馬財(cái)俊 譚耀武

（上海元城汽車(chē)技術(shù)有限公司，上海 201800）

主題詞：移動(dòng)漸進(jìn)變形壁障 安全帶 安全氣囊 胸部損傷 THOR假人

1 前言

在交通事故中，胸部損傷是致死的主要原因，而乘員承受的所有載荷中，約束系統(tǒng)載荷對(duì)胸部損傷的影響最為重要。Kent 等開(kāi)展了不同的滑臺(tái)試驗(yàn)，研究了假人胸部在不同載荷條件下的損傷情況及差異性。除安全帶載荷的影響外，試驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，肋骨骨折等胸部損傷及其分布很大程度上取決于約束系統(tǒng)載荷和邊界條件。因此，定量分析約束系統(tǒng)載荷與胸部損傷之間的關(guān)系非常重要。

THOR-50M假人將取代目前廣泛使用的Hybrid-III假人，應(yīng)用于汽車(chē)碰撞試驗(yàn)。在約束系統(tǒng)載荷與THOR-50M 假人胸部損傷響應(yīng)相關(guān)性研究中，Shang等研究了安全帶不同路徑對(duì)假人胸部損傷的影響，Paek等利用同樣的方法得到胸部損傷與安全帶配置之間的關(guān)系。然而，這些研究多通過(guò)試驗(yàn)方法或數(shù)值計(jì)算方法預(yù)測(cè)損傷結(jié)果，對(duì)胸部損傷的定量研究并不充分。

本文基于乘員安全帶有限元模型，使用THOR-50M假人進(jìn)行仿真計(jì)算，分析安全帶、安全氣囊及安全帶高度調(diào)節(jié)器上導(dǎo)向環(huán)（D 環(huán)）位置對(duì)胸部傷害的影響，為研究胸部損傷機(jī)制和提高約束系統(tǒng)的保護(hù)效率提供參考。

2 THOR假人胸部受力模型

2.1 評(píng)價(jià)方式

根據(jù)2021 年版《C-NCAP 管理規(guī)則》，正面50%重疊移動(dòng)漸進(jìn)變形壁障（Moving Progressive Deformable Barrier，MPDB）碰撞試驗(yàn)中假人胸部的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要考察胸部壓縮量（Chest Deflection，CD）和胸部黏性指數(shù)（Viscosity Criterion，VC）。在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，胸部壓縮量是一項(xiàng)容易失分的指標(biāo)。因此，本文對(duì)胸部傷害的研究主要集中于假人的胸部壓縮量。

2.2 受力模型

在MPDB碰撞試驗(yàn)中，目標(biāo)車(chē)輛與MPDB臺(tái)車(chē)發(fā)生碰撞后，在慣性作用下THOR假人繼續(xù)保持向前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)假人胸部的受力主要來(lái)自安全帶，假人與氣囊接觸后，假人胸部受力主要為安全氣囊與轉(zhuǎn)向管柱施加的外力。同時(shí)，各力均存在各自的空間坐標(biāo)系，因此在計(jì)算過(guò)程中需進(jìn)行較復(fù)雜的空間轉(zhuǎn)換。

正面碰撞中，重點(diǎn)考察假人胸部在軸方向的壓縮量，而忽略假人胸部?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)之間摩擦力的作用，胸部主要承受來(lái)自安全帶肩帶、安全氣囊及轉(zhuǎn)向盤(pán)等前方物體施加的壓力，故簡(jiǎn)化的假人胸部的受力模型如圖1所示。

圖1 THOR假人胸部受力模型

胸部的壓縮量通過(guò)4 個(gè)三維IR-TRACC 傳感器測(cè)量，該傳感器由2個(gè)角度傳感器和1個(gè)位移傳感器組成，分別測(cè)量右上（Upper Right，UR）、右下（Lower Right，LR）、左上（Upper Left，UL）、左下（Lower Left，LL）4 個(gè)位置處的變形量，如圖2所示。

圖2 THOR假人胸部結(jié)構(gòu)

THOR 假人各位置處的胸部位移傳感器的受力分別為：

式中，、、、分別為左上、右上、左下、右下位置處的壓力；、、、分別為氣囊施加在左上、右上、左下、右下位置處的壓力；、分別為上、下肩帶力；、、分別為、、與的夾角；為假人胸部所受正向壓力。

假人胸部壓縮量與所受正向壓力的關(guān)系可表示為：

式中，為假人胸部剛度。

則假人各位置處的壓縮量分別為：

式中，、、、分別左上、右上、左下、右下位置處的壓縮量；、、、分別為左上、右上、左下、右下位置處的剛度。

從上述公式可知，上肩帶力、下肩帶力、氣囊施加在胸部處的壓力是影響THOR假人胸部各位置處壓縮量的主要因素。因此，適當(dāng)降低上述力的大小可在一定程度上減小胸部壓縮量。

3 約束系統(tǒng)模型建立與驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

本文基于某SUV 車(chē)型，根據(jù)2021 年版《C-NCAP 管理規(guī)則》中的試驗(yàn)要求進(jìn)行正面50%重疊MPDB碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)車(chē)速為50 km/h，約束系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 約束系統(tǒng)參數(shù)

試驗(yàn)后，THOR 假人胸部4 個(gè)位置的胸部壓縮量曲線如圖3所示。由圖3可知，左上、左下、右下位置處的胸部壓縮量均小于高性能限值，而右上位置處的胸部壓縮量超出高性能限值。因此，以右上位置處的壓縮量表征整體胸部壓縮量，得分較差。為了提高得分，需要對(duì)右上位置處的壓縮量進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 THOR假人胸部壓縮量

3.2 約束系統(tǒng)模型建立

本文以某SUV車(chē)型為研究對(duì)象，利用Primer軟件建立該車(chē)型的50 km/h MPDB碰撞試驗(yàn)有限元約束系統(tǒng)模型，如圖4 所示。通過(guò)調(diào)節(jié)鉸鏈的角度定位假人，該有限元模型中有Single_Surface 和Surface-To_Surface 2 種接觸方式。安全帶建模使用Primer 軟件中安全帶（Seatbelts）功能，主要由一維和二維單元組成，二維單元用于安全帶與假人之間的接觸，摩擦因數(shù)通常設(shè)置為0.3。

圖4 有限元計(jì)算模型

3.3 約束系統(tǒng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證

將50 km/h MPDB 碰撞試驗(yàn)中采集的B 柱下端的軸方向的加速度通過(guò)關(guān)鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION加載至圖4中的有限元模型中，車(chē)體向和向上的加速度很小，故忽略不計(jì)。B 柱下端向加速度如圖5所示。

圖5 B柱下端X向加速度曲線

不同時(shí)刻駕駛員側(cè)THOR 假人仿真動(dòng)畫(huà)與整車(chē)碰撞試驗(yàn)高速攝像假人姿態(tài)對(duì)比如圖6所示。

由圖6 可知：初始30 ms 內(nèi)假人沒(méi)有明顯的運(yùn)動(dòng)，安全帶幾乎沒(méi)有保護(hù)作用，并且假人胸部受壓很小；假人明顯的身體運(yùn)動(dòng)發(fā)生在第40～90 ms，假人在向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，安全帶對(duì)THOR 假人胸部施加的外力主要作用在右上位置處；在第70 ms，THOR假人與氣囊接觸，氣囊產(chǎn)生的外力主要集中在右上和和左上位置處，因此，THOR 假人右上位置處受到的安全帶和氣囊的合力較大，故右上位置處的胸部壓縮量最大；而在第110 ms 后，假人開(kāi)始反彈，表明安全帶已將假人約束在座椅中。從運(yùn)動(dòng)過(guò)程看，第110 ms后，安全帶和假人開(kāi)始分離，同時(shí)安全帶松動(dòng)。結(jié)果表明，仿真中假人的運(yùn)動(dòng)可以很好地匹配試驗(yàn)中假人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但上軀干向前運(yùn)動(dòng)距離比試驗(yàn)中的小，此現(xiàn)象可能是有限元假人與物理假人脊椎剛度不同或安全帶材料與實(shí)際織物材料不同所致。

圖6 仿真動(dòng)畫(huà)與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

假人上胸椎（Upper Thoracic，T1）在3個(gè)方向上的加速度如圖7所示，T1在和方向的加速度與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，但在方向的加速度波動(dòng)幅度大于試驗(yàn)中的峰值。在方向上，仿真中的峰值明顯小于試驗(yàn)的峰值，但方向的加速度變化趨勢(shì)不是影響假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的關(guān)鍵因素，因此可以忽略此方向上的影響。

圖7 假人上胸椎加速度

仿真結(jié)果表明，假人下脊柱（Lower Spine，T12）的加速度與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，如圖8 所示。但是，在整個(gè)過(guò)程中，第1 峰值之間的差異較為明顯。此外，仿真中的曲線存在更多的波動(dòng)，但試驗(yàn)和仿真中加速度峰值時(shí)刻均在第70 ms左右。

圖8 假人下脊柱加速度

綜上，該約束系統(tǒng)模型經(jīng)過(guò)對(duì)標(biāo)驗(yàn)證，仿真與試驗(yàn)曲線基本吻合，證明該模型精度可靠，可作為基礎(chǔ)模型進(jìn)行相關(guān)研究。

4 模型參數(shù)優(yōu)化

為提升MPDB碰撞試驗(yàn)中THOR假人胸部壓縮量，優(yōu)化安全帶限力等級(jí)、氣囊排氣孔大小及D 環(huán)高度，探究對(duì)THOR假人胸部保護(hù)效果最佳的參數(shù)組合。

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及該車(chē)型基本參數(shù)，對(duì)安全帶限力等級(jí)、安全氣囊排氣孔直徑和D 環(huán)高度3 個(gè)參數(shù)各設(shè)定3個(gè)水平，為安全帶限力等級(jí)、為排氣孔直徑、為D環(huán)高度，其中D環(huán)位置如圖9所示。

圖9 D環(huán)位置

選取L(3)正交試驗(yàn)表，進(jìn)行9 次試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算結(jié)果

為求得參數(shù)最優(yōu)組合，選取右上位置處壓縮量進(jìn)行極差分析，如圖10所示，從圖10中可以看出，胸部壓縮量的因素水平優(yōu)化最優(yōu)組合為第5組，即安全帶限力等級(jí)3.0 kN、排氣孔25 mm、D環(huán)最高。

圖10 右上位置處胸部壓縮量極差分析

THOR假人4個(gè)位置處的胸部壓縮量變化趨勢(shì)如圖11 所示。由圖11a 可以看出，降低安全帶限力等級(jí)，THOR 假人右上位置處胸部壓縮量降低了6 mm，左上位置處胸部壓縮量降低了4.3 mm，右下和左下位置處的胸部壓縮量分別降低了2.4 mm 和2.8 mm，說(shuō)明降低安全帶限力等級(jí)可以有效減小胸部壓縮量。由圖11b可以看出，氣囊排氣孔直徑對(duì)胸部壓縮量影響較小。由圖11c 可以看出，D 環(huán)高度的增加，左上、右上、左下、右下位置處的胸部壓縮量分別減小2.46 mm、3.3 mm、4.54 mm、2.14 mm，說(shuō)明增加D 環(huán)高度可以有效降低胸部壓縮量。由此可見(jiàn)，安全帶限力等級(jí)和D環(huán)高度對(duì)胸部壓縮量影響較大。

圖11 不同因素影響下THOR假人胸部壓縮量變化趨勢(shì)

THOR 假人胸部相對(duì)位移曲線如圖12 所示，從圖12可以看出，安全帶限力等級(jí)小于2.5 kN時(shí)，安全帶無(wú)法較好地約束假人向前運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致胸部相對(duì)位移變大，當(dāng)氣囊排氣孔增大時(shí)，假人將與轉(zhuǎn)向盤(pán)發(fā)生硬接觸，剛度較大的氣囊可以有效阻止這種現(xiàn)象的發(fā)生，但會(huì)增加假人胸部壓縮量。

圖12 胸部相對(duì)位移曲線

安全帶限力等級(jí)為2.5～3.0 kN時(shí)，安全帶可以有效約束假人向前的位移量，在這種情況下，可以更好地調(diào)整氣囊排氣孔直徑控制假人前移量，從而改善假人胸部壓縮量，如圖13所示。排氣孔直徑為30 mm時(shí)，頭部向前移動(dòng)的距離為245 mm，擊穿氣囊的風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖13 頭部相對(duì)位移曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究安全帶限力等級(jí)、排氣孔直徑及安全帶高度調(diào)節(jié)器D 環(huán)位置對(duì)THOR 假人胸部壓縮量的影響，結(jié)果表明，安全帶限力等級(jí)對(duì)THOR 假人胸部壓縮量起到至關(guān)重要的作用。提出了MPDB 碰撞試驗(yàn)中THOR假人胸部傷害值的優(yōu)化方案，并在某車(chē)型上進(jìn)行仿真分析，得出以下結(jié)論：

a.降低安全帶限力等級(jí)、增大D環(huán)高度均可降低左上、右上、左下、右下位置處的胸部壓縮量，其中降低安全帶限力等級(jí)的效果最優(yōu)。

b.降低安全帶限力等級(jí)和增大安全氣囊排氣孔直徑會(huì)增大假人頭部擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

但是，本文只考慮了3個(gè)因素，后續(xù)可結(jié)合安全帶、安全氣囊及腰部預(yù)緊（Passenger Lap Pretension，PLP）的點(diǎn)火時(shí)間、拉帶長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。且本文的研究是基于帶有PLP的緊湊型SUV進(jìn)行的，不同車(chē)型的約束系統(tǒng)配置可能不同，THOR假人與乘員艙之間的相對(duì)距離也可能發(fā)生變化。因此，可以進(jìn)一步研究不同尺寸的車(chē)型和約束系統(tǒng)配置對(duì)THOR 假人胸部壓縮量的影響。