王玉超 亓向翠

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）

假人胸部損傷在中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C—NCAP 2015版）中具有舉足輕重的地位，其反映的分值占正面碰撞總分值的25%，一直是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。影響假人胸部損傷的主要因素是車體結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)，在車體結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過匹配合適的乘員約束系統(tǒng)，能夠有效地降低碰撞對(duì)乘員的損傷，提高汽車對(duì)乘員的保護(hù)能力。利用多體動(dòng)力學(xué)Madymo軟件對(duì)乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行仿真及優(yōu)化，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于約束系統(tǒng)開發(fā)商、科研機(jī)構(gòu)及各大汽車公司[1-2]。文章從降低假人胸部損傷的目的出發(fā)，利用某車型Madymo乘員側(cè)約束系統(tǒng)模型，構(gòu)建了假人胸部損傷的響應(yīng)面模型，并分析了各變量參數(shù)對(duì)假人胸部損傷的影響。

1 乘員約束系統(tǒng)的建立及驗(yàn)證

乘員約束系統(tǒng)主要包括車體模型、假人模型、安全帶及氣囊模型四部分。

車體模型根據(jù)某車型乘員側(cè)車體結(jié)構(gòu)的實(shí)際布置尺寸建立，包括地板、防火墻、座椅、儀表板、前擋風(fēng)玻璃、車頂及A柱等。其中與假人腿部接觸的手套箱表面、地板及防火墻采用facet模型，能準(zhǔn)確模擬其曲面形狀，提高假人接觸部位的損傷計(jì)算精度；擋風(fēng)玻璃、座椅及儀表板上部采用多體平面建模；座椅、儀表板、地板及擋風(fēng)玻璃的剛度特性均來(lái)自試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

假人模型選擇Madymo假人數(shù)據(jù)庫(kù)中HybridⅢ50百分位多體假人，如圖1所示，其中坐標(biāo)系原點(diǎn)為整車坐標(biāo)系原點(diǎn)。輸入試驗(yàn)前假人定位參數(shù)的測(cè)量值，如表1所示，確保假人運(yùn)動(dòng)前的坐姿位置與滑臺(tái)試驗(yàn)中的一致。

表1 HybridⅢ50百分位多體假人定位參數(shù)測(cè)量值 mm

安全帶模型采用有限元和多體的混合模型。有限元安全帶部分可模擬安全帶在假人身體表面的滑動(dòng)及安全帶織物陷入假人身體表面的嵌入效應(yīng)，多體安全帶部分可將有限元安全帶的端點(diǎn)與車身上各相應(yīng)固定點(diǎn)連接起來(lái)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全帶在鎖扣處流動(dòng)。該車型配置的安全帶為預(yù)緊限力式安全帶。

氣囊模型主要包括幾何建模、有限元?jiǎng)澐帧獯郫B及氣體充氣特性。根據(jù)氣袋實(shí)際尺寸和材料建立有限元模型，由于試驗(yàn)前乘員處于正常坐姿狀態(tài)，故氣囊采用映射及縮放式折疊，充氣算法選用均勻壓力法，氣囊體積為85 L。氣囊的氣體發(fā)生器質(zhì)量流率曲線，如圖2所示，主要反映氣囊的充氣過程。

采用關(guān)鍵字“*CONTACT”分別定義假人與車體、假人與氣囊、假人與安全帶以及氣囊與擋風(fēng)玻璃等接觸，并將整車試驗(yàn)中采集到的B柱下端的加速度曲線施加在Madymo模型上，如圖3所示。乘員側(cè)完整的約束系統(tǒng)模型，如圖4所示。

乘員約束系統(tǒng)模型的驗(yàn)證遵循“自下而上”的原則，即先下肢，然后髖部、胸部，最后頭部，其中保證髖部加速度的正確性，才能正確反映假人的基本運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，才能保證頭部和胸部的響應(yīng)正確性。Madymo約束系統(tǒng)模型中假人關(guān)鍵部位的響應(yīng)與滑臺(tái)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，如圖5所示，各部位的對(duì)比曲線吻合程度較高，證明構(gòu)建的模型能夠很好地反映滑臺(tái)試驗(yàn)，可以進(jìn)一步優(yōu)化。

2 假人胸部損傷響應(yīng)面的建立

乘員約束系統(tǒng)有5個(gè)參數(shù)可調(diào)，分別是氣囊點(diǎn)火時(shí)間（x1）、氣體質(zhì)量流率（x2）、卷收器點(diǎn)火時(shí)間（x3）、安全帶限力值（x4）、氣囊排氣孔大?。▁5）。其中，x1和 x3規(guī)定的點(diǎn)火時(shí)間介于0.012～0.025 s；x2的可調(diào)比例介于0.8～1.5，主要對(duì)圖 2中的質(zhì)量流率值進(jìn)行縮放，時(shí)間值不變；x4的放大系數(shù)介于 1～2.4，對(duì)應(yīng)的限力值為 2 500～6 000 N；x5的可調(diào)比例介于2.37～7.96，對(duì)應(yīng)的排氣孔直徑為30～55 mm。假人胸部損傷參數(shù)分別是胸壓量（y1）和胸部加速度（y2）。

采用優(yōu)化超拉丁方方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，為了提高響應(yīng)面精度，選取50個(gè)樣本空間（即5個(gè)變量的10倍），具體試驗(yàn)規(guī)劃及部分胸部損傷仿真值，如表2所示。

表2 假人約束系統(tǒng)參數(shù)及胸部損傷仿真值優(yōu)化超拉丁方試驗(yàn)矩陣

基于50個(gè)樣本空間的胸部損傷的二階響應(yīng)面模型：

其中：y1響應(yīng)面模型的決定系數(shù)為0.998，校正決定系數(shù)為0.996；y2響應(yīng)面模型的決定系數(shù)為0.982，校正決定系數(shù)為0.97，說(shuō)明y1和y2模型精度均較高（要求響應(yīng)面模型的決定系數(shù)與校正決定系數(shù)均大于0.9），可以利用y1和y2的響應(yīng)面模型進(jìn)行優(yōu)化分析。由于初始模型的胸部損傷y1=0.027 6 m，y2=363.8 m/s2，胸部失分主要由于y1引起的，故優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為：

采用NLPQL方法（序列二次優(yōu)化法）進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果，如表3所示，y1=0.024 3 m，y2=376 m/s2，此時(shí)x1=0.0187s，x2=1，x3=0.012s，x4=1，x5=4.223。把優(yōu)化后變量代入Madymo模型中，得y1=0.025 3 mm，y2=364 m/s2。因此，利用響應(yīng)面優(yōu)化的y1誤差值為4%，y2誤差值為3.3%，從而再次證明了y1和y2響應(yīng)面模型的精確度較高。由于x1為氣囊點(diǎn)火時(shí)間，0.018 7 s換算成毫秒為18.7 ms，而工程上的點(diǎn)火時(shí)刻要求為整數(shù)，四舍五入，取 x1=19 ms。最后確定 x1=0.019 s，x2=1，x3=0.012 s，x4=1（對(duì)應(yīng)的安全帶限力值為2 500 N），x5=4.223（對(duì)應(yīng)的排氣孔直徑為40 mm），并通過滑臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終結(jié)果為 y1=0.024 7 mm，y2=370 m/s2，優(yōu)化后，假人胸部損傷得分提高了0.57分，效果較明顯。

表3 乘員側(cè)約束系統(tǒng)NLPQL方法優(yōu)化值

對(duì)胸部損傷的影響因素進(jìn)行分析得到變量所占比例值，如圖6所示。

從圖6可以看出，對(duì)胸壓量影響因素較大的變量為x4，影響值達(dá)92%，其它變量對(duì)胸壓量的影響較小，都低于5%。對(duì)胸部加速度影響因素較大的變量為x2和x4，影響值分別為45%和34%，x5的影響值為12%，而x2和x5反映的是氣囊剛度，兩者加起來(lái)的影響值為57%。因此，對(duì)胸部加速度影響因素最大的是氣囊剛度，其次為安全帶限力值，其余變量對(duì)胸部加速度的影響較小，都低于10%。

3 結(jié)論

1）采用優(yōu)化超拉丁方方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選用10倍于設(shè)計(jì)變量的樣本空間，構(gòu)建的響應(yīng)面模型具有較高的精度；2）胸部損傷中的胸壓量主要影響因素為安全帶限力值，胸部加速度的主要影響因素為氣囊剛度和安全帶限力值；3）通過建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，得到了優(yōu)化結(jié)果，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行滑臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證，假人胸部損傷得分提高了0.57分，效果明顯。