正面假人胸部压缩量优化方法研究

正面假人胸部压缩量优化方法研究郝玮1黄江寅2杜亮2张绍卫2孙鲁21.同济大学，2.上海东方久乐汽车安全气囊有限公司摘要：胸部压缩量是目前C-NCAP正面试验评估中主要失分点之一。通过对正面50百分位假人胸部标定试验结果分析发现：随着冲击速度的升高，胸部压缩量总体趋势变大，同时存在较明显的非线性不稳定阶段。为此本文提出实际碰撞中通过控制胸部相对车身的运动速度的同时，减小胸部受力的的方法，来提高C-NCAP评估中假人胸部压缩量的得分并保持其稳定性。据此通过MADYMO模型的分析提出了几种降低假人胸部相对速度的方法，CAE计算结果显示其对降低胸部压缩量效果明显。关键词：胸部压缩量C-NCAP相对速度StudyonChestDeflectionOptimizationMethodofFrontalDummyHaowei;HuangJiangyin;ZhangShaowei;SunLuEastJoyLongMotorAirbagCo.,Ltd,Shanghai,201201,Abstract:ChestdeflectioninjuryisoneofthemajorlosingpointsinC-NCAP.Throughanalysischestcalibrationdataof50percentfrontaldummy,wefoundthat:chestdeflectionwillincreaseastheimprovementofimpactvelocity,andhadveryobviouslynonlinearinstability.SothispapergaveamethodofimprovechestdeflectionpointsofCNCAPandkeepitstability,whichthroughcontrolchestvelocitythatrelativevehiclebodyanddecreasechestforce.Accordingtothis,itlistsomemethodsinMADYMOtodecreeschestvelocitywhichrelativevehiclebody,andCAEresultsshowedthatitcandecreasechestdeflectionobviously.Keyword:ChestDeflection;C-NCAP;RelativeVelocity前言：胸部伤害是交通事故中导致乘员重伤和死亡的主要原因之一。根据相关事故统计数据，在欧洲交通事故死亡人员中胸部损伤所占的比例约为33%，在美国这一比例为25%~50%。胸部损伤占所有轻微或中等伤害（AIS≤2）的比例为13%，占严重或致死伤害（AIS≥3）的比例则为29%[1]。据统计，胸部在C-NCAP试验所有部位的得分中得分率最低，主要表现是胸部压缩量不理想[2]。乘员胸部保护特别是降低胸部压缩量的伤害是汽车安全设计的重要内容之一。本文通过对正面50百分位假人胸部压缩量标定数据的分析，提出了通过控制假人胸部相对车身运动速度来降低胸部压缩量并保持其稳定性的方法，对胸部压缩量的优化分析具有指导意义。1：胸部压缩量标定试验结果胸部压缩量即胸骨相对于脊柱（sternumtospine）的压缩量，由假人胸部安装的电位传感器测量，正面50百分位男性假人胸部压缩量传感器如图1.1~1.2，上面初始位置位于胸骨的第三根肋骨高度，上端可滑动，下端连接脊柱底部[3]。正面试验中假人胸部受到外力，肋骨发生弹性变形引起胸部压缩量，胸部压缩量伤害是目前C-NCAP试验主要失分点之一。图1.1胸部压缩量传感器位置图1.2胸部压缩量传感器结构目前50百分位男性假人胸部标定采用动态冲击试验如图1.3，冲击块质量23.36kg，假人肋骨初始为水平方向，骨盆角13°，冲击速度有高低两种标准：NHTSACFRPart572规定为6.71m/s，SAEJ2779则规定为3.0m/s[4]。现统计十次高低速标定结果如图1.4，分析得到结论如下：图1.3假人胸部冲击试验图1.4不同冲击速度的胸部压缩量刚度曲线1）冲击速度大，作用于假人胸部的能量大，产生的胸部压缩量伤害也越大，根据标定要求：3.0m/s时胸部压缩量最大21.5~26.5mm，6.71m/s时胸部压缩量最大达到63.5~72.6mm；2）胸部压缩量和作用在胸部的外力并不完全是线性关系：冲击速度为3m/s时，存在一定的线性关系，整个过程力越大对应的胸部压缩量伤害越大；冲击速度为6.71m/s时，胸部压缩量在15~30mm之间存在非线性关系，胸部压缩量从15mm增加到30mm，受力维持在4kN左右没有变化，而此段压缩量范围刚好位于C-NCAP评价的高性能限值区域附近。通过上面的分析得知，在正面碰撞试验中假人胸部的相对速度越高，胸部压缩量伤害越大，且易出现结果不稳定现象。实际开发中，为了确保假人胸部伤害得分并保持得分的稳定性，不应当仅仅控制安全带限力水平等减小胸部所受的力，还要尽量降低假人胸部相对车身的运动速度。2：降低胸部相对速度的方法以某一车型C-NCAP50FRB驾驶员侧系统为例，运用MADYMO模型讨论降低假人胸部相对车身运动速度的方法以及对应胸部压缩量变化。2.1CAE对标模型应用MADYMO建立某车型正面50FRB的系统模型，CAE和试验的对标结果如图2.1~2.6：图2.1假人运动姿态对比图2.2胸部X向加速度图2.3胸部压缩量图2.4骨盆X向加速度图2.5安全带肩带力图2.6安全带腰带力对比结果显示CAE与试验基本一致，CAE模型可以用于下一步的分析。由于约束系统影响因素较多，且某一因素的变化会造成其它因素的变化，共同作用对假人伤害造成影响，现在此模型基础上进行分析，不对其它影响因素进行详细分析，仅讨论降低假人胸部相对运动速度的方法及对应胸部压缩量的变化。2.2车身加速度波形根据文献[5]可将车身加速度波形转换成等效的二阶波，原波形转换成二阶波后第一阶为16g、第二阶为26g，如图2.7，与原波形计算结果对比，响应基本一致，如图2.9。图2.7等效二阶波形图2.8车身压溃速度图2.9胸部压缩量保持压溃量不变，变换二阶波形，第一阶到12g、第二阶到35g，如图2.10，对比两种波形计算结果，改变波形前后胸部相对速度变化明显，图2.12，胸部压缩量与胸部相对速度变化趋势保持一致，图2.13，两种波形胸部压缩量峰值分别是29mm和33mm，由此可见碰撞波形对胸部压缩量伤害影响明显，所以在结构设计前期设定一个合理的波形目标至关重要。图2.10双阶梯波形图2.11车身压溃速度图2.12胸部相对车身速度图2.13胸部压缩量2.3假人布置空间原模型基础上改变座椅位置，假人H点向前移动50mm，改变前后假人胸部到方向盘下轮缘距离分别为235mm和185mm如图2.14。实际碰撞中让约束系统尽早发挥作用，从而让假人在时域上约束相应提前，使能量通过假人周边环境传递给车体，降低约束系统吸收能量[6]。假人向前移动后，DAB对假人的约束提前约5ms，CAE计算结果如图2.15，胸部相对车身速度有所降低，如图2.16。另外由于假人位置前移，假人膝部空间减小，假人骨盆前移量减小，安全带腰带力降低，直接导致与腰带连接的安全带肩带力也随之降低，假人胸部受到的整体约束力降低。胸部相对速度减小且约束力降低，胸部压缩量降低显著，本案例通过改变假人胸部到方向盘下轮缘的位置导致胸部压缩量差异达到4mm，如图2.18。在前期空间布置时，假人胸部到方向盘的距离可保证气囊正常展开即可，此基础上应尽量提前气囊约束。图2.14假人胸部到方向盘下轮缘距离图2.15假人运动姿态@33ms图2.16胸部相对车身速度图2.17安全带腰带力图2.18胸部压缩量2.4KABKAB(膝部气囊)布置在汽车仪表台上，在正面碰撞时在仪表台与乘员腿部之间打开[7]。CAE模型中增加KAB后，由于KAB的作用，对假人的约束作用提前，胸部相对速度有所降低，图2.19，另外与2.3中假人布置空间分析情况相似，由于KAB约束，骨盆前移量大大减小，腰带力降低，与之相连的肩带对假人胸部的约束作用也减小，胸部相对速度降低加之约束力减小共同作用，胸部压缩量改进效果明显，如图2.21。图2.19胸部相对速度图2.20安全带腰带力图2.21胸部压缩量图2.22不带KAB和带KAB假人运动姿态对比3：总结通过对正面50百分位假人胸部高低速标定试验数据的分析得知，胸部冲击速度越高对应的胸部压缩量越大，且易出现不稳定阶段。为了使C-NCAP正面试验的胸部压缩量得分良好且稳定，本文提出了实际碰撞中控制假人胸部相对车身运动速度并尽力减少胸部受力的方法。以此为出发点，本文利用MADYMO模型讨论了降低假人胸部相对车身运动速度的几种方法：建议在开发前期定义合理的车身加速度波形目标，合理布置假人空间；而在约束系统配置上增加KAB等都利于降低假人胸部压缩量伤害。本文结论对正面碰撞中胸部压缩量的优化具有重要指导意义。参考文献：[1]赖兴华等.汽车碰撞工况下乘员胸部损伤评价的最新进展.汽车安全与节能国家重点实验室清华大学汽车工程系.2010中国汽车安全技术国际研讨会[2]朱海涛，白鹏，李维菁，等.C-NCAP评估结果统计分析[C].中国汽车工程学会第十二届汽车安全技术会议论文集，2009:261-265[3]User’sManualForThe50thPercentileMaleHybridIIITestDummy[4]HybridIII50百分位假人胸部压缩量低速标定研究王凯中国汽车技术研究中心[5]马志雄，朱西产.台车试验中采用等效双阶梯形加速度曲线的模拟研究[J].汽车工程，2008,30（5）：411-415[6]张金换,李志刚,许述财.车辆碰撞中乘员各部位动态影应及能量关系.汽车安全与节能学报.2010[7]同济大学汽车安全技术研究所.汽车膝部气囊的设计与仿真研究.同济大学汽车安全技术研究所TASS2012年会论文