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基于MPDB工况下驾驶员侧假人伤害值优化研究

2021-02-22 08:02:26 汽车科技 2021年1期

钮嘉颖 黄颖 郭刚 丁玲 张越晗

摘  要:本文分析得出了某车型MPDB碰撞工况和ODB碰撞工况中车身响应和假人伤害值的差异,针对假人胸部压缩量和小腿胫骨指数超标的问题,考虑到白车身设变成本较高,提出了安全带配置优化的5个方案。通过对5个优化方案的仿真结果分析得出,二级限力装置对胸部压缩量具有较大的改善,相对于恒定限力式安全带,递减限力式安全带的胸部压缩量减小了13.1%,递增限力式安全带的胸部压缩量减小了23.9%。锁止锁舌和端片预紧对胸部压缩量和小腿胫骨指数均有较大的改善,锁止锁舌的改善效果优于端片预紧,两者同时配置改善效果最优:胸压减小了21.4%,小腿胫骨指数减小了40.8%。考虑到端片预紧成本较高,推荐配置递增限力式安全带以及锁止锁舌的方案。通过仿真优化,优化效果显著,为后续项目的MPDB碰撞性能提升提供了一种有效的优化思路。

关键词:MPDB;伤害值;安全带优化

中图分类号:U467.1+4     文献标识码:A     文章编号:1005-2550(2021)01-0051-07

Abstract: This paper analyzes the difference between the body response and the dummy's damage value in the MPDB crash condition and the ODB crash condition of a certain model. Aiming at the problem of excessive compression of the dummy's chest and calf tibia index, considering the cost-effective, proposed 5 schemes for optimizing the seat belt configuration.Based on the analysis of the simulation results of the five optimization schemes, it is found that the second-level force-limiting device has a greater improvement in chest compression. Compared with the constant force-limiting seat belt, the chest compression of the decreasing force-limiting seat belt is reduced by 13.1 %, the chest compression of the incremental force-limiting seat belt is reduced by 23.9%. Locking tongue and end piece pre-tightening greatly improve chest compression and lower leg tibia index. The improvement effect of locking tongue is better than end piece pre-tightening. It was 21.4% smaller and the calf tibia index was reduced by 40.8%. Considering the high cost of end piece pre-tightening, it is recommended to configure incremental force-limiting seat belts and locking tongues. Through simulation optimization, the optimization effect is remarkable, which provides an effective optimization idea for the MPDB collision performance improvement of subsequent projects.

Key Words: MPDB; Injury Value; Seat Belt Optimization

1    前言

根据C-NCAP 2021版最新要求,将取消原有的64ODB碰撞工况,采用MPDB新碰撞工况:壁障小车质量为1400kg,壁障小车和被撞车辆均以50km/h速度相对运动,以50%的重叠率相对碰撞。

MPDB与ODB工况差异对比见表1,对比2个工况的碰撞具体细节,可以看出碰撞速度、碰撞方式和前排碰撞假人均有不同。碰撞速度和碰撞方式的改变,直接影响整车的变形模式和假人的伤害值指标。而且MPDB的评价指标中,首次采用了Thor假人,新假人对整车加速度响应和伤害敏感程度也不相同,其中胸部因有上下左右四根肋骨,伤害值的敏感程度大大提升了,对车身结构设计和约束系统设计提出了很大的挑战,加大了C-NCAP试验的得分难度。

某車型开发时,前期白车身和约束系统设计均是基于ODB工况进行优化的,为了应对新工况MPDB,需要进行针对性的设计优化。但因为白车身已经开模,设变成本较高,优先考虑通过约束系统的设计优化来提高MPDB的试验得分,从而满足整车安全性能目标。

2    MPDB与ODB工况的差异分析

2.1   车身响应差异

从图1和表2中可以看出,MPDB与ODB工况的加速度波形相差很大,第一峰出现较早,8ms就出现了,而且峰值高于ODB峰值,接近15g。最大峰值远远早于ODB,46ms就出现了,而且最大峰值较小,仅39.9g。两工况间的速度波形也差异很大,MPDB工况回弹时刻较早,在66.4ms就开始回弹了,而ODB工况在88.9ms才开始回弹。

2.2   假人伤害值差异

如表3,从假人伤害值得分可以看出,MPDB得分难度更大,胸部和小腿得分均有下降,胸部得分下降了56.8%,小腿得分下降了34.9%。

如图2和表4,具体地分析假人胸部伤害值发现:THOR假人相比Hybrid III 50%假人而言,胸部左右上下肋骨各有一个传感器,假人右上胸部变形量超出高性能限值较多,导致胸部得分仅1.33,低于得分目标3.1,需要具体分析原因,进行胸部优化。同时具体分析假人小腿伤害值发现:左上和右上小腿胫骨指数均超出了高性能限值,特别是右上小腿胫骨指数超出高性能限值较多,导致小腿得分仅1.24,低于得分目标2.5,需要具体分析原因,进行腿部优化。

3    假人伤害值优化

3.1   优化方案提出

假人胸部变形量[1]公式如下:

kD=FSb(outer),x+FSb(inner),x+Fairbag,x。结合图3,通过理论分析可以看出,胸部变形量主要受到安全带肩带力,气囊作用力和胸部刚性系数的影响。如图4,通过对胸部变形量和安全带受力曲线的分析发现,胸部变形量峰值出现在65-70ms,安全带肩带力峰值位于60ms,通过观看录像发现气囊与驾驶员头部、胸部接触在55-60ms,所以胸部伤害值在0-60ms区域主要受安全带影响,60-80ms由安全带、气囊共同影响,所以需要优化胸部伤害值,可以通过优化安全带的方式实现。

假人小腿胫骨指数公式如下:

TI=|MR/225|+|FZ/35.9|。通过对小腿胫骨指数公式分析发现,小腿胫骨指数主要受到小腿压缩力和小腿弯矩的影响,结合图5,通过理论分析得出,压缩力和弯矩都受到前围侵入量和假人前移量的影响。在白车身已经开模,更改成本较高的前提条件下,优先考虑通过对约束系统的优化减小假人前移量,而因为气囊主要作用于假人上躯干,对假人前移量的优化作用有限,所以优先考虑优化安全带配置来减小假人前移量。

目前安全带的方案是单预紧限力安全带,配置卷收器预紧和恒定限力,为了优化胸部压缩量,可以将恒定限力改为二级限力,一种先高后低或先低后高的限力式卷收器,配合气囊展开,降低对假人胸部的整体约束力。

同时为了减小假人前移量,配置锁止锁舌和端片预紧都是常用的方案。锁止锁舌包括壳体和夹紧装置,车辆正常行驶时,安全带从壳体中穿过,夹紧装置滑动至放松位置;车辆发生碰撞时,腰带力达到限值,夹紧装置作用,夹紧安全带从而阻断肩带和腰带之间的滑移,限制骨盆的前移量同时减小肩带力。端片预紧包括气体发生器组件和拉紧组件,汽车发生碰撞时,气体发生器点火作用于拉紧组件,通过拉绳向下拉紧锁钩及织带,从而在假人向前运动之前,消除腰带与假人腹部之间的间隙,配合卷收器预紧消除肩带与假人上躯干之间的间隙,从而减小假人前移量。

综上所述,确定安全带5个优化方案如下表5所示:

3.2   建立仿真模型

根据C-NCAP要求,运用MADYMO建立某车型MPDB碰撞仿真模型[2],模型包含假人、前排座椅、前围地板、安全带系统和气囊系统。假人模型为THOR假人,并根据实际参数对假人进行定位。将实车碰撞波形作为模型的加速度场,通过MOTION.JOINT_ACC将左下B柱加速度波形加载到主驾的车体模型上,将右下B柱加速度波形加载到乘客的车体模型上。

3.3   假人伤害值优化结果分析

3.3.1 限力方式的优化情况

仿真结果如图6所示。图6.1是在三种不同限力方式下的肩带力曲线,从曲线上可以看出,限力器从第20ms开始发生作用,恒定限力安全带CLL的肩带力在60ms左右达到峰值,峰值为5000N左右。递减限力安全带DLL的肩带力在55ms左右达到峰值4800N左右,保持约15ms后开始下降,在75ms左右进入二级限力阶段,肩带力约3800N。递增限力安全带PLL的肩带力在50ms时达到3800N,保持约15ms后开始上升,在70ms时进入二级限力階段,肩带力达到峰值4800N左右。

图6.2-6.4显示了假人头部、颈部、胸部伤害指标的对比情况,可以看出,递减限力式安全带DLL[3]的总体表现要优于其它两种安全带。对于头部加速度、颈部力和胸部压缩量,三种安全带对应曲线的变化趋势基本一致。

如图6.2和表6所示,递增限力式安全带PLL的头部加速度高于恒定限力式安全带CLL,增大了9.5%,而递减限力式安全带DLL的头部加速度明显低于恒定限力式安全带CLL,减小了28.4%。

如图6.3和表6所示,递增限力式安全带PLL的颈部力高于恒定限力式安全带CLL,增大了16.2%,而递减限力式安全带DLL的颈部力明显低于恒定限力式安全带CLL,减小了18.5%。

如图6.4和表6所示,二级限力式安全带的胸部压缩量均低于恒定限力式安全带,递增限力式安全带PLL的胸部压缩量最低,比恒定式减小了23.9%,递减限力式安全带DLL的胸部压缩量也较低,比恒定式减小了13.1%。

综上所述,递减限力式安全带DLL对假人头部和颈部的保护作用优于其它限力形式的安全带,而递增限力式安全带PLL对假人胸部的保护作用优于其它限力形式的安全带。当头部和颈部伤害值相对高性能限值仍有较大余量时,建议优先选用递增限力式安全带PLL,降低假人胸部压缩量,提高总体得分率。当头颈胸部伤害值均需要降低时,建议优先选用递减限力式安全带DLL,降低假人头颈胸部伤害值,提高总体得分率。

针对本文所述车型的仿真结果而言,配置三种限力形式的安全带,头部和颈部伤害值相对高性能限值仍有一定的余量,则优先选用递增限力式安全带PLL,胸部压缩量由51.66mm优化至39.32mm,胸部得分3.3,达到得分目标。

3.3.2 锁止锁舌和端片预紧的优化情况

仿真结果如图7所示,从图7.1肩带力曲线可以看出,限力器从第20ms开始发生作用,原始安全带R的肩带力在60ms左右达到峰值,峰值为5000N左右。配置端片预紧器PLP的安全带肩带力提前5ms达到峰值,在55ms左右达到4800N左右,维持45ms。配置锁止锁舌CLT的安全带肩带力明显下降,在50ms左右达到3800N左右,维持45ms。同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧器PLP时,起到综合作用,安全带肩带力在45ms左右达到3800N左右,维持50ms。

从图7.2腰带力曲线可以看出,配有锁止锁舌CLT时,由于阻止了肩部与腰部之间的织带传递[4],腰带力值明显上升,上升幅度达15.4%。配有端片预紧器PLP时,腰带力25ms左右出现第一峰值,最大峰值明显下降,下降幅度达8.3%。同时配有锁止锁舌CLT和端片预紧器PLP时,起到综合作用,较单独配置CLT时峰值有所下降,相对原始状态腰带峰值上升6.5%。由此可以看出:锁止锁舌CLT 阻止了织带的传递,导致腰带力值上升,CLT作用后对假人约束效果明显提升。端片预紧PLP对腰带力值有明显的改善,提前实现对假人的约束。

图7.3和7.4显示了假人胸部和小腿伤害指标的对比情况,可以看出,同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧器PLP的安全带,其总体表现要优于其它三种安全带。

如图7.3和表7所示,配有锁止锁舌CLT时,对假人胸压改善明显,下降幅度高达18.5%,配有端片预紧PLP时,对假人胸压的改善作用相对较小,下降幅度为11.1%,两者同时配置时,对假人胸压改善效果最优,下降幅度高达21.4%。由此得出:锁止锁舌CLT对假人胸压的改善效果优于端片预紧PLP。

如图7.4和表7所示,配有锁止锁舌CLT时,对假人小腿伤害值具有明显的改善效果,下降幅度高达28.9%,配有端片预紧PLP时,对于假人小腿伤害值的改善效果也非常显著,下降幅度高达29.1%,两者同时配置,对于假人小腿伤害值的改善效果最优,下降幅度高达40.8%。由此得出:配有PLP和CLT时,均有效地限制了假人的臀部前移,在侵入量不变的前提下,假人小腿受到的力和弯矩显著下降,有效地优化了假人的小腿伤害指标[5]。

综上所述,同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧PLP对假人胸部和小腿伤害值的优化效果最好,锁止锁舌CLT对胸部压缩量的优化效果要优于端片预紧PLP,锁止锁舌CLT和端片预紧PLP两者对小腿伤害值的优化效果相当。根据伤害值目标选用不同的配置,当需大幅提升时,建议同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧PLP,如果只需小幅提升,则优先推荐配置锁止锁舌CLT,效果更优。

针对本文所述车型的仿真结果而言,当配置锁止锁舌CLT时,胸部压缩量优化至42.08mm,胸部得分2.87,没有达到得分目标,小腿胫骨指数优化至0.7262,小腿得分2.55,达到得分目标。当同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧PLP时,胸部压缩量优化至40.62mm,胸部得分3.1,达到得分目标,小腿胫骨指数优化至0.6048,小腿得分3.09,达到得分目标。

4    总结

某车型开发时,前期白车身和约束系统设计均是基于ODB工况进行优化的,为了应对新工况MPDB,试验摸底发现胸部压缩量和小腿胫骨指数超出高性能限值较多,致使胸部和小腿得分较低不满足目标,相对于ODB工况,胸部得分下降了56.8%,小腿得分下降了34.9%,需要进行优化。

通过理论分析得出,胸部伤害值在0-60ms区域主要受安全带影响,60-80ms由安全带、气囊共同影响,所以需要优化胸部伤害值,可以通过优化安全带的方式实现。通过理论分析得出,小腿胫骨指数主要受到前围侵入量和假人前移量的影响,可以通过优化安全带配置来减小假人前移量。

递减限力式安全带DLL对假人头部和颈部的保护作用优于其它限力形式的安全带,而递增限力式安全带PLL对假人胸部的保护作用优于其它限力形式的安全带。相对于恒定限力式安全带CLL,递减限力式安全带DLL的头部加速度减小了28.4%,颈部力减小了18.5%,胸部压缩量减小了13.1%。相对于恒定限力式安全带CLL,递增限力式安全带PLL的头部加速度增大了9.5%,颈部力增大了16.2%,胸部压缩量减小了23.9%。

同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧PLP对假人胸部和小腿伤害值的优化效果最好,锁止锁舌CLT对胸部压缩量的优化效果要优于端片預紧PLP,锁止锁舌CLT和端片预紧PLP两者对小腿伤害值的优化效果相当。配有锁止锁舌CLT时,胸压减小了18.5%,小腿胫骨指数减小了28.9%;配有端片预紧PLP时,胸压减小了11.1%,小腿胫骨指数减小了29.1%;两者同时配置时,胸压减小了21.4%,小腿胫骨指数减小了40.8%。

针对本文所述车型,配置递增限力式安全带PLL时,胸部得分满足目标;配置锁止锁舌CLT时,小腿得分满足目标,同时优化了胸部得分;同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧PLP时,胸部和小腿得分均满足目标。考虑到端片预紧PLP成本较高,推荐配置递增限力式安全带PLL以及锁止锁舌CLT,既能满足安全目标,而且性价比最高。

参考文献:

[1]马铁柱. 某车正面碰撞车身安全性能研究[D]. 吉林大学,2012.

[2]洪亮,葛如海,周海超,刘玺.正面碰撞安全带约束系统保护效果的研究,广西大学学报(自然科学版),第41卷第2期,20l6年4月.

[3]Steven E. M., Arin O. N., Davis A. H., Assessing the Effects of Load Limiting Retractors on Occupant Motion, IRCOBI Conference 2015, IRC-15-21, 2015.

[4]Kuppa, S., Saunders, J., and Fessahair, O., Rear Seat Occupant Protection in Frontal Crashes, Enhanced Safety of Vehicles Conference, 05-0212, 2005.

[5]葛如海,肖建中,张苏秀.汽车安全带预紧限力系统对前排乘员的保护性研究[J].重庆:重庆理工大学学报(自然科学),2018.

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