蒋成约，张 伟，任立海，胡远志，李 军，黄 杰

(1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 401320；2.重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054)

国家统计局数据显示我国交通安全问题仍然十分严峻[1]。车辆碰撞事故中，正面小偏置碰撞工况(重叠率≤30%)致死率较高[2-3]。目前，美国公路安全保险协会及中国保险汽车安全指数均已将25%小偏置碰撞纳入了测评范围[4-5]，相关测试结果显示小偏置碰撞工况对车辆的安全性能有独特的要求[6]。

当前，小偏置碰中的车体耐撞性与乘员防护是汽车碰撞安全领域的研究重点。文献[7-11]为小偏置碰中的车身结构评价与约束系统优化提供了参考。研究表明，乘员约束系统关键参数与乘员加权伤害指标WIC值有较大相关性[12]；气囊袋形设计可以兼顾不同乘员的接触刚度需求[13]。

本文采用CAE方法开展小偏置碰的乘员二次碰撞响应分析及约束系统优化工作，以期完善相关工况中的乘员防护效能。

1 仿真模型的搭建与验证

当前小偏置碰试验数据较少，本文首先建立某车型50 km/h正面碰撞工况(Front Rigid Barrier, FRB)约束系统模型并对标；然后采用LS-DYNA仿真获取该车型64 km/h小偏置碰(Small Overlap Barrier, SOB)的车体响应数据，作为小偏置碰乘员仿真的运动输入；最后开展小偏置碰乘员响应分析与约束系统优化。

1.1 约束系统模型搭建

本文采用美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)公开的2010款丰田Yaris(三厢版)已对标车型为研究对象[14]。

该车型约束系统基础模型主要包括乘员舱及各约束系统子模块。根据实验设定导入Hybrid-III 50th男性假人并调整假人的相应位置与姿态。针对小偏置碰撞工况中车身绕垂直方向转角大及乘员舱侵入大等特点，本文采用有限元软件LS-DYNA中的*INTERFACE等关键字施加边界条件以重现整车碰撞结果中车体的整体运动和局部变形，仿真精度较提取加速度曲线的方式更高，并且可以有效地反映外力的响应。本文搭建的约束系统模型，如图1所示。

图1 约束系统模型

1.2 约束系统模型有效性验证

图2为60 ms与100 ms时刻的仿真结果与实验结果的运动对比，由图可知：仿真与实验的两个时刻假人运动姿态、气囊展开形态基本一致。

(a)60 ms

此外，对假人关键部位伤害指标进行了对标。图3为部分实验曲线与仿真曲线的对比。由图可知，仿真结果与实验结果在趋势、时域与峰值三个方面的拟合度较好，所建立的约束系统模型可作为后续分析与优化的基础模型。

(a)头部X向加速度

上述实验数据来源于NHTSA[14]。

2 小偏置碰车体运动及乘员损伤对比

利用LS-DYNA软件完成小偏置碰的结构仿真，并基于正碰对标约束系统模型搭建小偏置碰约束系统模型，继而分析小偏置碰中的乘员伤害。

2.1 车体运动对比分析

小偏置碰中车体与壁障的重叠率为25%，前纵梁等重要吸能结构难以起到溃缩吸能的作用。小偏置碰结构仿真结果显示：车身在70 ms左右时开始产生绕Z轴的转动，在120 ms时刻达到20°左右，并在60 ms左右产生沿Y轴方向近35 g的加速度，见图4。

(a)整车绕Z轴转角

2.2 小偏置碰中乘员运动及伤害分析

小偏置碰中车体绕Z轴产生较大转角，使得假人头部与驾驶员侧气囊接触后容易产生滑移，增大了假人头部与A柱、侧窗等硬接触的概率。图5所示为115 ms时刻假人头部滑移后与车门内侧直接接触的动态响应示意图，根据IIHS评价要求，发生类似状况且造成假人头部合成加速度超过70 g，则头部伤害等级降低一级。

(a)俯视图

仿真结果显示乘员头部与车门内侧接触后使得头部合成加速度峰值达102.8 g。此外，小偏置碰中头部从气囊表面滑落后使得颈部出现了明显的弯曲运动，其最大颈部弯矩较正碰上升了44.55%，见图6。

(a)头部合成加速度

3 约束系统仿真优化

上述分析显示假人头部侧向滑移、头部硬接触、头部与胸部的较大相对位移等因素是造成小偏置碰中头部和颈部伤害指标上升的主要原因。

3.1 侧气帘对乘员损伤的影响分析

为避免小偏置碰中假人头部与内饰产生硬接触，本文分析了增配气帘(Curtain Airbag，CAB)对假人头部的保护效果。图7为80 ms和115 ms时刻气帘展开后与假人头部的相对位置。

(a)80 ms

仿真结果显示配备气帘后，有效避免了假人头部与车门内侧的硬接触，但对颈部损伤指标改善效果较小(颈部易陷入主驾气囊与气帘的夹缝中)，因而有必要对主驾气囊的袋形进行优化设计来改善上述问题。

3.2 异形主驾气囊设计与优化

图8(左)所示为普通的主驾气囊(Driver Airbag，DAB)与气帘夹缝处的切面示意图。配备普通DAB存在以下问题：① 头部受到Y向加速度时容易在DAB表面滑移；② 头部较易陷入到DAB与气帘的夹缝中。以上两种情况均会对假人的头部、颈部等部位的保护效果造成不同程度上的影响。图8(右)为理想的气帘与DAB夹缝处的切面示意图，DAB的整体形状呈中间凹陷两端凸起的形式，增加了头部在DAB上滑移时的阻力，降低了其滑落的可能性。同时DAB与气帘的挤压面积更大，头部陷入夹缝的可能性也随之降低。

图8 气帘与DAB夹缝处切面示意图

普通DAB由两层大小相同的圆形织布通过圆周边界上下缝合组成，改进后的DAB在两层圆形织布间的左右两侧增加半圆形夹层，并进行相应的缝合。图9为形状改进后的DAB与原始DAB展开后的形状对比，由图可知，改进后的DAB中间位置的厚度和上下侧的边界轮廓基本保持不变，左右两侧的边界轮廓得到延伸，气囊厚度有所增加，此时气囊的形态即为预期展开效果。原始DAB的体积为50 L，改进后的DAB(后文简称异形DAB)的体积为80 L。

图9 异形DAB(左)与原始DAB(右)展开形状对比

DAB的形态与体积发生了较大的变化，需要重新匹配其相关参数以达到最佳的保护效果。从可行性与相关性的角度出发，选择气囊质量流率、泄气孔面积、拉带长度为设计变量；以综合损伤指标WIC为目标值[15-16]，即：

(1)

式中：HIC36为头部综合性能指标；C3ms、Ccomp分别为胸部的3 ms合成加速度与压缩量；Fl、Ff分别为左、右大腿轴向力。

利用Isight参数优化设计软件，首先以均匀超拉丁实验设计方法构造40组实验方案；目前比较常用的响应面近似模型构造方法主要有：多项式法、Kriging法和径向基法等，其中径向基函数模型对于输入变量与响应关系非线性、输入变量水平数比较高的问题可以获得比较高的拟合度，所以选用该代理模型构造响应面并与NSGA-II算法结合得出最优解方案，具体方案如表1所示，该方案中质量流率和气囊泄气孔面积明显增大，拉带长度少量增加。

表1 最优解方案

3.3 优化效果验证

图10为120 ms时刻小偏置碰优化前后的乘员保护效果对比，在配备气帘与异形DAB的模型中，头部处于两个气囊的双重保护中，与车体内饰未发生任何接触；假人颈部弯曲运动也有所减小，假人姿态得到明显的改善。

图10 不同约束系统保护效果对比

约束系统优化后，假人主要伤害指标得以改善(如图11所示)，具体损伤指标如表2所示，假人头部HIC36和颈部Nij相比优化前分别降低了61.75%和31.3%；由于安全带限力等级未进行调整，所以胸部压缩量和合成加速度变化不大。最终假人的WIC值降低47.22%，优化效果较显著。

(a)头部合成加速度

表2 小偏置碰撞损伤值对比

图12为50 km/h正面碰撞工况采用异形DAB并优化该工况点火时间后的乘员运动形式对比。相较于原始方案，采用异形DAB后假人头部空间余量变大。

(a)原始DAB

在50 km/h正面碰撞工况中，由于气囊刚度的增大，假人头部HIC36增加了5.05%(小于C-NCAP中的高性能限值650)，但颈部Nij改善幅度较大，整体WIC值减少了3.7%，具体指标，见表3。

表3 正面碰撞损伤值对比

4 结 论

本文采用CAE仿真方法分析、比对了50 km/h全正碰与64 km/h小偏置碰两种工况中的乘员运动响应及损伤特性，并开展了约束系统优化，初步结论如下：

(1)64 km/h小偏置碰中乘员上躯干相对车体产生较大的横向加速度，导致头、颈部损伤加剧，且乘员头部易从DAB表面滑落，进而导致硬接触风险。

(2)通过约束系统优化，可显著改善乘员运动姿态与损伤指标。优化后小偏置碰中假人头部完全处于DAB与CAB的保护中，颈部的弯曲运动也得到改善；头部HIC36与颈部Nij分别降低了61.75%与31.3%，使得整体WIC值降低47.22%。50 km/h正碰工况优化后，头部HIC36虽然增加了5.05%，但WIC值降低了3.7%。