简盼盼

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330100）

安全性能是消费者关注的重要指标之一，中国对乘用车的安全性研究比较成熟，有标准《GB 11551—2014 汽车正面碰撞的乘员保护》[1]要求，有中国新车评价规程CNCAP，还有中国保险汽车安全指数CIASI等。但是对于轻型卡车整车碰撞安全性能而言，消费者以及社会各界关注得并不多，甚至很多消费者不知道使用何种安全标准来评价轻型卡车的安全性能。轻型卡车的安全性能分为两个方面，一个是主动安全，另一个就是本文主要讨论的被动安全。主动安全是提前识别危险，被动安全是在碰撞发生后保护乘员舱内的乘员。本文主要研究使用乘用车正面碰撞标准，在50 km/h碰撞速度下的驾驶员损伤情况。

1 整车约束系统仿真模型的建立

如图1所示，轻型卡车100%重叠正面冲击固定刚性壁障，碰撞速度为50 km/h，在驾驶员位置放置一个Hybrid III型50百分位男性假人，用来测量驾驶员的头部、颈部、胸部和大腿的损伤情况。整车约束系统仿真分析涉及车身结构和乘员约束系统两部分内容，两者相互补充，相互制约，缺一不可，为车身结构设计和约束系统开发提供有效指导。相比于使用白车身进行约束系统模型搭建，直接将假人放在整车上进行模拟，能够更加真实地模拟假人各部位在碰撞发生过程中的运动情况，从而更加准确地了解驾驶员的损伤情况。此外，不放置在滑台上进行模拟的原因是无法模拟货箱在碰撞过程中对驾驶室撞击的过程，会导致模拟的运动状态与实际所发生的情况不符。

图1 轻型卡车整车正面碰撞约束系统分析模型

1.1 假人模型

本次分析采用的假人模型是Humanetics公司的Hybrid Ⅲ型第50百分位男性有限元假人，如图2所示，该模型能够较为准确地模拟假人在碰撞过程中的运动特性，有比较好的生物逼真度，根据工程经验对标，该有限元假人可以较为准确地提供假人损伤指标。在Primer中可以通过设置H点坐标来将假人移动到设计坐姿，并且运用该软件的假人设置模块来将假人调整到《GB 11511—2014汽车正面碰撞的乘员保护》[1]中规定的位置：头顶角为0°；假人的上臂贴近躯干，其中心线尽量接近铅垂面；假人手掌在方向盘轮缘水平中心线处和轮缘外侧相接触，拇指放在转向盘轮缘上；假人骨盆角度为22°；右脚放在未踩下的加速踏板上，左脚放在歇脚板上。调整好位置后需定义假人与座椅、安全带、仪表板、方向盘、安全气囊等部件的接触[2]。

图2 Hybrid Ⅲ型第50百分位男性假人模型

1.2 气囊模型

本次分析所用的DAB有限元模型采用均匀压力法建模[3]，如图3所示。根据DAB气袋实物图建立相应模型并分配折叠线，采用Primer气袋折叠工具进行折叠，折叠完成后对气袋网格单元设置属性和材料，气袋网格单元使用四边形膜单元，使用9号积分单元，气袋材料使用织布材料卡片进行定义。

图3 方向盘和气囊模型

1.3 安全带模型

本次分析所用的安全带模型是全2D单元组成的，如图4所示。主要包括卷收器单元、滑环单元、壳单元。织带材料卡片设置是Mat34[4]，需要在该材料卡片下设置安全带的延伸率。此外，还需要在卷收器单元中设置安全带力和位移的曲线。由于安全带织带从卷收器出来后需要经过D环，所以需要在D环处设置一个摩擦系数，根据工程经验，该摩擦系数一般为0.13。

图4 安全带模型

1.4 轻型卡车模型

本次分析所用的整车模型是根据实车CAD数据一比一进行建模，如图5所示。主要包括以下系统：车身系统、车门系统、货箱系统、动力系统、传动系统、车架系统、座椅系统、冷却系统、转向系统、排气系统、燃油系统等。目前，乘用车整车碰撞模型搭建已经非常成熟，但是像轻型卡车的整车碰撞模型国内研究较少，例如货箱与车架之间使用木头来减缓摩擦，使用Mat143号材料卡片进行设置；油箱中的燃油使用粒子法进行建模，以便能够准确地模拟燃油的运动状态，并且可以考察油箱的受力状态。

图5 整车模型

2 整车约束系统仿真结果

按照标准《GB 11551—2014汽车正面碰撞的乘员保护》[1]的规定，输出以下指标来评判驾驶员的伤害情况，头部性能指标（HPC）、颈部伤害指标（NIC）、胸部压缩指标（THPC）和黏性指标（V.C）、大腿压缩力指标（FFC）。轻型卡车碰撞后的结果如图6所示。

图6 整车约束系统碰撞结果

2.1 头部性能指标（HPC）

驾驶员头部合成加速度曲线如图7所示，峰值为68.5 g，出现的时间在51 ms。HIC36是474.57，头部3 ms合成加速度是54.6 g。这两项指标均符合乘用车正面碰撞标准要求。

图7 驾驶员头部合成加速度曲线

2.2 颈部伤害指标（NIC）

驾驶员颈部轴向拉伸力曲线如图8所示，驾驶员颈部剪切力曲线如图9所示，驾驶员颈部对Y轴弯矩在伸张方向曲线如图10所示。驾驶员颈部轴向拉伸力曲线，符合乘用车正面碰撞标准要求；驾驶员颈部剪切力曲线，不符合乘用车正面碰撞标准要求；驾驶员颈部对Y轴弯矩在伸张方向峰值为18.4 N·m，峰值时刻为40 ms，符合乘用车正面碰撞标准要求。

图8 驾驶员颈部轴向拉伸力曲线

图9 驾驶员颈部剪切力曲线

图10 驾驶员颈部对Y轴弯矩在伸张方向曲线

2.3 胸部压缩指标（THPC）和黏性指标（V.C）

驾驶员胸部压缩曲线如图11所示，驾驶员胸部黏性曲线如图12所示。驾驶员胸部压缩指标为61.06 mm，峰值时刻为53 ms，符合乘用车正面碰撞标准要求。驾驶员胸部黏性指标为1.392 m/s，峰值时刻为48 ms，不符合乘用车正面碰撞标准要求。

图11 驾驶员胸部压缩曲线

图12 驾驶员胸部黏性曲线

2.4 大腿压缩力指标（FFC）

驾驶员左大腿轴向力曲线如图13所示，驾驶员右大腿轴向力曲线如图14所示。驾驶员左大腿压缩力曲线，不符合乘用车正面碰撞标准要求；驾驶员右大腿压缩力曲线，符合乘用车正面碰撞标准要求。

图13 驾驶员左大腿力曲线

图14 驾驶员右大腿力曲线

3 分析结论及建议

笔者通过对轻型卡车进行整车正面碰撞约束系统分析，得出以下结论和建议：

1）该轻型卡车驾驶员头部性能指标符合乘用车正面碰撞标准要求，颈部伤害指标、胸部压缩指标和黏性指标、大腿压缩力指标不符合乘用车正面碰撞标准要求。

2）车门变形可以看出驾驶室发生了较为严重的变形，可以通过前端设计吸能部件减缓乘员舱的变形[5]。货箱对驾驶室也有冲击，可以增加货箱与车架固定的螺栓来控制货箱的前移。

3）该安全气囊无法有效保护驾驶员的头部，可以通过增大气袋体积，用类似于乘用车副驾驶气囊的袋型来改善颈部的损伤；由于轻型卡车驾驶员空间不足，导致方向盘与胸部直接发生撞击，胸部损伤较为恶劣；驾驶员大腿与仪表板产生撞击，导致大腿力严重超标，可以通过对仪表板内的安装支架重新进行设计，让其在大腿撞击时发生断裂，从而优化该损伤。