基于MPDB碰撞工况和ODB碰撞工况下驾驶员侧假人伤害值优化方案

言衷善 2021-02-23 16:54:50

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。


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。

基于MPDB碰撞工况和ODB碰撞工况下驾驶员侧假人伤害值优化方案

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。

基于MPDB碰撞工况和ODB碰撞工况下驾驶员侧假人伤害值优化方案

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。

基于MPDB碰撞工况和ODB碰撞工况下驾驶员侧假人伤害值优化方案

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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