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1、汽车技术投稿 - 1 - 正面碰撞波形对乘员伤害值的影响 朱航彬，刘学军 天欧汽车工程软件(上海)有限公司，200120，hangbin.zhutass- 摘 要： 在 C-NCAP 正面 100%刚性壁的碰撞测试中，乘员胸部 G 是很关键的损伤参数，比较容易失分。车体结构的碰撞波形是主要影响因素之一。 基于能量守恒原理， 本文将复杂的实车碰撞波形简化成参数化的二阶等效波形。 此外， 利用 MADYMO乘员模型证明二阶等效波形对乘员响应的等效性。通过改变二阶等效波形中的特征参数，研究不同碰撞波形对乘员胸部 G 的影响。计算结果表明，通过合理控制的碰撞波形和侵入量，可以有效的降低乘员胸部 G，获
2、得较高的 C-NCAP 整体评分。 关键字：能量管理，碰撞波形，等效碰撞波形，MADYMO，胸部加速度 Effect of Frontal Crash Pulse on Occupant Injury Response Hangbin Zhu, Xuejun Liu TNO Automotive China, Shanghai, 200120, hangbin.zhutass- Abstract: In C-NCAP 100% Frontal Rigid Barrier tests, the occupant Chest G is a critical injury response that
3、 usually receives poor rating. It is well known that structural crash pluse is one of the key parameters significantly affecting the Chest G. Based on the principle of energy conservation, the actual crash pulse from a physical crash test is characterized into a two-phase equal pulse before and afte
4、r engine contact with the barrier. In addition, the validity of the two-phase equal pulse is also evaluated in terms of occupant injury responses by using a correlated MADYMO driver model. By varying the important parameters in the two-phase equal pulse, it is therefore possible to study the effect
5、of various crash pulses on occupant Chest G. The simulation results indicate that significant reduction on Chest G can be achieved by controlling crash pulse and intrusion. Keywords: Energy Management, Crash Pulse, Equal Crash Pulse, MADYMO, Chest G 1. 引言 在 C-NCAP 100%刚性壁试验中，由于安全气囊的普及，乘员的头/颈部基本都可以得到
6、 充分的保护，而胸部通常会由于合成加速度 (Chest G)偏高而失分。影响 Chest G 的原因包 括 Crash pulse 和约束系统两个方面1。如果 Crash pulse 不合理，会增加约束系统优化的开 发难度， 甚至导致无法实现整车的安全性能目标。 因此， 在车型开发初期， 制定合理的 Crash pulse 至关重要。 本文首先将 Crash pulse 进行分析处理，得出与实车波形等效的二阶等效波形。利用经 过验证的 MADYMO 模型证明等效波形的有效性。在二阶等效波形的基础上，改变碰撞波 形的主要设计参数，并利用 MADYMO2仿真评估假人伤害值。 汽车技术投稿 - 2
7、- 2. 二阶等效波形的原理及验证 对于正面 100%刚性壁碰撞，整车变形吸能区域可以分为三部分：(1)保险杠与发动机前 端之间的结构件变形 - D1；(2)发动机后端与防火墙之间的结构件变形 - D2a； (3)防火墙和 地板变形吸能 - D2b。 根据 D1、D2变形区域能量守恒的原理，可以将复杂的实车 Crash pulse 简化成可以转换 成物理特征明显的二阶等效波形 (before & after Engine contact)。其中，对应 D1变形阶段的 第一阶等效加速(G1)，和 D2变形阶段的第二阶等效加速度(G2)。 除保证总的碰撞能量守恒的条件外，二阶等效波形还需要保证与实
8、车波形： 相同的回弹时刻(Tr: Time to Rebound)：整车速度为零，开始反弹 相同的发动机停止时刻(Te: Engine Time to Stop)：发动机撞上障碍壁的时刻 相同的最大动态变形：)(22221maxbaDDDDDD+=+=其中 利用 MADYMO/Toolbox3将实车 Crash pulse 简化成二阶等效波形，如图 3 所示，二阶 等效波形的特征参数回弹时刻(Tr)，引擎停止时刻(Te)，最大动态变形 Dmax以及总能量密度 (Edensity)与实车碰撞波形一致。 BumperDash D1 D2a D2b: Dash Intrusion 图 1 整车变形吸
9、能区域 Barrier D2 Engine图 2 二阶等效波形Dmax Te Tr G2 G1 D1D2 G1G2Engine contact汽车技术投稿 - 3 - 除上述物理参数外，本文利用已验证的 MADYMO 乘员模型，进一步对二阶等效波形 对乘员响应的等效性进行验证。如图 4 所示，MADYMO 模型中包括 Hybrid III50%假人， 驾驶员气囊(DAB)， 安全带 (Seat belt)， 限力器 (Load limiter)， 不含预紧器 (No Pretensioner)。 如图 5 所示， 二阶等效波形和实车波形计算得到的假人头部、 胸部和髋部合成加速度信号的 差别很小
10、。利用 MADYMO/Objective Rating2评估工具对两组假人响应作出相关性评分，相 关性超过 96%。 因此，可以认为根据实车碰撞波形简化得到的二阶等效波形是合理、等效的。 图 4 MADYMO 模型 图 5 二阶等效波形的 MADYMO 计算结果 ( 二阶等效波形， 实车波形) WIFac: Weighted Integrated FactorGPV: Global Peak ValueGPT: Global Peak TimeWIFacGPVGPTAvg ScoreHead Res Acc91.99%97.86%97.87%95.91%Thorax Res Acc92.75%
11、99.57%95.69%96.00%Pelvis Res Acc93.56%98.76%96.65%96.32%Total92.76%98.73%96.74%96.08%图 3 速度、位移及能量密度等效图汽车技术投稿 - 4 - 3. 二阶等效波形的应用 将实车波形简化为二阶等效波形后， 可方便地研究不同碰撞波形对乘员伤害的影响， 从而制定合理的结构碰撞性能目标(Crash pulse & Intrusion control)，为进一步车身结构工程化设计和约束系统优化匹配提供有效的指导。以下利用 MADYMO 乘员模型，探讨不同碰撞波形和侵入量目标，对乘员胸部伤害值的影响。 3.1. 不增加侵
12、入量 (D2b = 0) 如图 6、7 所示，通过改变等效加速度 G1和 G2的大小，可以得到一系列等效加速度波 形，分别为 Equal Pulse(11G/31G)、13G/27G、16G/23G、9G/34G。 不同二阶波形的特征参数值如表 1 所示。其中，发动机的位置 D1、动态最大变形 Dmax 基本保持不变。对应不同的二阶波形，碰撞能量的分配 E1和 E2不同，使得发动机停止时刻 (Te)和反弹时刻(Tr)不同。 表 1 二阶波形的特征参数比较 Te (s) Tr (s) G1 (g)G2 (g)D1 (m)D2 (m)Dmax (m) E1 (%) E2 (%)Equal (11G
13、/31G) 0.0242 0.0676 11310.31120.27800.5892 25.36 74.6413G/27G 0.0245 0.0701 13270.31240.27850.5909 30.14 69.8616G/23G 0.0250 0.0747 16230.31300.27790.5909 37.80 62.209G/34G 0.0239 0.0654 9340.31160.28130.5929 20.52 79.48用MADYMO模型对不同的二阶加速度波形进行模拟计算， 得到假人胸部加速度 (Chest G)。如图 8 所示，假人 Chest G 受不同二阶波形的影响较大。
14、 图 6 不同的二阶波形 图 7 二阶波形的速度、位移及能量密度曲线 汽车技术投稿 - 5 - 如表 2 所示，利用 MADYMO/Toolbox 计算得到的 Ridedown 效率4，假人胸部 Chest G 3ms 峰值变化、C-NCAP 评分等结果。从中可以看出，16G/23G 的二阶波形会明显提高假人 胸部的 Ridedown 效率，从而降低 Chest G (-22.6%)，C-NCAP 评分从 1.66 提高到 4.37；同 时，MADYMO 模型中头部、颈部、大腿和小腿的 C-NCAP 分数影响不显著。 表 2 胸部 Ridedown 效率、Chest G 及 C-NCAP 评分
15、 Ridedown 效率 (%)Chest G (g)3ms 峰值变化%C-NCAP Score Equal (11G/31G) 27.8652.670%1.66 13G/27G 32.8145.73-13.2%3.24 16G/23G 41.1240.76-22.6%4.37 9G/34G 23.6255.615.6%1.00 3.2. 增加侵入量 (D2b 0) 降低发动机与防火墙之间的结构刚度，可以允许防火墙有一定的侵入 D2b，从而增加第 二阶动态变形 D2。图 9、图 10 所示为 D2增加 30mm 和 50mm 后的二阶波形，第一阶等效 加速度保持不变。 二阶等效波形的特征参数值
16、如表 3 所示，可以看出，增加防火墙侵入，可提高 Dmax和图 9 增加侵入量的等效波形图 8 胸部加速度 图 10 增加侵入量的速度、位移及能量密度等效图汽车技术投稿 - 6 - 反弹时刻 Tr，降低 G2。 表 3 等效波形的特征参数比较 Te (s) Tr (s) G1 (g)G2 (g)D1 (m)D2 (m)Dmax (m) E1 (%) E2 (%)Equal 0.0242 0.0676 11310.31120.27800.5892 25.36 74.64增加 30mm 0.0242 0.0726 11270.31120.27850.6174 25.36 74.64增加 50mm 0.0242 0.0756 11250.31120.27790.6344 25.36 74.64增加防火墙侵入量之后，可能增加小腿伤害风险。在 MADYMO 模型中用滑移铰的方 法增加了 30mm 和 50mm 的防火墙侵入。图 11 为 MADYMO 模型计算得到的胸
