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

姜劍 馬財俊 譚耀武

（上海元城汽車技術(shù)有限公司，上海 201800）

主題詞：移動漸進(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)載荷對胸部損傷的影響最為重要。Kent 等開展了不同的滑臺試驗，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)用于汽車碰撞試驗。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，這些研究多通過試驗方法或數(shù)值計算方法預(yù)測損傷結(jié)果，對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 評價方式

根據(jù)2021 年版《C-NCAP 管理規(guī)則》，正面50%重疊移動漸進(jìn)變形壁障（Moving Progressive Deformable Barrier，MPDB）碰撞試驗中假人胸部的評價指標(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)際試驗過程中，胸部壓縮量是一項容易失分的指標(biāo)。因此，本文對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碰撞試驗中，目標(biāo)車輛與MPDB臺車發(fā)生碰撞后，在慣性作用下THOR假人繼續(xù)保持向前運(yùn)動狀態(tài)，此時假人胸部的受力主要來自安全帶，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，各力均存在各自的空間坐標(biāo)系，因此在計算過程中需進(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，而忽略假人胸部內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間摩擦力的作用，胸部主要承受來自安全帶肩帶、安全氣囊及轉(zhuǎn)向盤等前方物體施加的壓力，故簡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4 個三維IR-TRACC 傳感器測量，該傳感器由2個角度傳感器和1個位移傳感器組成，分別測量右上（Upper Right，UR）、右下（Lower Right，LR）、左上（Upper Left，UL）、左下（Lower Left，LL）4 個位置處的變形量，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)模型建立與驗證

3.1 試驗設(shè)置

本文基于某SUV 車型，根據(jù)2021 年版《C-NCAP 管理規(guī)則》中的試驗要求進(jìn)行正面50%重疊MPDB碰撞試驗，試驗車速為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)

試驗后，THOR 假人胸部4 個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車型為研究對象，利用Primer軟件建立該車型的50 km/h MPDB碰撞試驗有限元約束系統(tǒng)模型，如圖4 所示。通過調(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 有限元計算模型

3.3 約束系統(tǒng)模型試驗驗證

將50 km/h MPDB 碰撞試驗中采集的B 柱下端的軸方向的加速度通過關(guān)鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION加載至圖4中的有限元模型中，車體向和向上的加速度很小，故忽略不計。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

不同時刻駕駛員側(cè)THOR 假人仿真動畫與整車碰撞試驗高速攝像假人姿態(tài)對比如圖6所示。

由圖6 可知：初始30 ms 內(nèi)假人沒有明顯的運(yùn)動，安全帶幾乎沒有保護(hù)作用，并且假人胸部受壓很?。患偃嗣黠@的身體運(yùn)動發(fā)生在第40～90 ms，假人在向前運(yùn)動的過程中，安全帶對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，假人開始反彈，表明安全帶已將假人約束在座椅中。從運(yùn)動過程看，第110 ms后，安全帶和假人開始分離，同時安全帶松動。結(jié)果表明，仿真中假人的運(yùn)動可以很好地匹配試驗中假人運(yùn)動狀態(tài)，但上軀干向前運(yùn)動距離比試驗中的小，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 仿真動畫與試驗對比結(jié)果

假人上胸椎（Upper Thoracic，T1）在3個方向上的加速度如圖7所示，T1在和方向的加速度與試驗結(jié)果基本一致，但在方向的加速度波動幅度大于試驗中的峰值。在方向上，仿真中的峰值明顯小于試驗的峰值，但方向的加速度變化趨勢不是影響假人運(yùn)動姿態(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）的加速度與試驗結(jié)果基本一致，如圖8 所示。但是，在整個過程中，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，但試驗和仿真中加速度峰值時刻均在第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)過對標(biāo)驗證，仿真與試驗曲線基本吻合，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碰撞試驗中THOR假人胸部壓縮量，優(yōu)化安全帶限力等級、氣囊排氣孔大小及D 環(huán)高度，探究對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)驗及該車型基本參數(shù)，對安全帶限力等級、安全氣囊排氣孔直徑和D 環(huán)高度3 個參數(shù)各設(shè)定3個水平，為安全帶限力等級、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)正交試驗表，進(jìn)行9 次試驗，結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗設(shè)計及仿真計算結(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個位置處的胸部壓縮量變化趨勢如圖11 所示。由圖11a 可以看出，降低安全帶限力等級，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，說明降低安全帶限力等級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，說明增加D 環(huán)高度可以有效降低胸部壓縮量。由此可見，安全帶限力等級和D環(huán)高度對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

THOR 假人胸部相對位移曲線如圖12 所示，從圖12可以看出，安全帶限力等級小于2.5 kN時，安全帶無法較好地約束假人向前運(yùn)動，導(dǎo)致胸部相對位移變大，當(dāng)氣囊排氣孔增大時，假人將與轉(zhuǎn)向盤發(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，但會增加假人胸部壓縮量。

圖12 胸部相對位移曲線

安全帶限力等級為2.5～3.0 kN時，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，頭部向前移動的距離為245 mm，擊穿氣囊的風(fēng)險較大。

圖13 頭部相對位移曲線

5 結(jié)束語

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

a.降低安全帶限力等級、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的效果最優(yōu)。

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

但是，本文只考慮了3個因素，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)火時間、拉帶長度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。且本文的研究是基于帶有PLP的緊湊型SUV進(jìn)行的，不同車型的約束系統(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型和約束系統(tǒng)配置對THOR 假人胸部壓縮量的影響。