1正面碰撞前排乘員約束系統介紹

隨著車輛的使用，車內乘員安全性最先被關注。要保證乘員的安全不但要靠車身吸收碰撞能量和保持乘員艙的完整性，更重要的是還要使用約束系統來對乘員進行減速緩沖。乘員約束系統仿真就是將乘員約束系統的基本特性添加到乘員及約束系統的模型中，對模型進行加載仿真計算，最終求得假人不同位置的傷害值，然后根據假人的傷害值對車輛的安全情況進行評價。

    約束系統包括座椅、安全帶，氣囊三個主要部件，它們均為安全裝置，其功能則是通過約束乘員降低乘員與內飾接觸和受傷的風險，是降低乘員傷亡風險的第二道防線。其中安全帶是最有效的乘員保護裝置，在碰撞中（包括緊急制動和翻滾）約束乘員，通過乘員身上最強的部位（肩和骨盆）接受約束力。氣囊為輔助安全裝置，填充乘員和方向盤、儀表板之間的空間，使乘員較為均勻的受力（相比安全帶而言），從而減少頭部轉動，保護頭部和頸部。

座椅安全帶自1950年代開始使用，通過不斷改進，現在三點式安全帶基本成為定型。氣囊從1970年代被發明，不斷改進，到1980-90年代在車上逐漸成為標配。基于交通事故傷亡統計和分析的方法已有結論顯示，安全帶和氣囊是有效的乘員碰撞保護裝置，能降低傷亡風險。

2 一維質量彈簧系統

從機械工程控制角度來看，任何元件或系統都可以用質量、彈簧、阻尼器三個基本要素表示，建立一維質量彈簧系統分析，如圖1所示：

圖1 機械工程控制的三個基本要素

故本次碰撞根據機械工程控制的三個基本要素建立了質量-彈簧模型，如下圖2所示。其中δ為約束間隙，K為約束剛度，F為車輛前端剛度，M₀為乘員質量，M_V為車輛質量。

圖2 碰撞質量-彈簧模型

3乘員約束系統的建立

乘員約束系統的建立分為簡化計算模型與完全計算模型。簡化計算模型僅模擬仿真假人、安全、正面安全氣囊、方向盤系統、座椅系統、儀表板、前地板以及碰撞中可能接觸到假人的所有部件。快速對約束系統進行優化分析，常用于開發過程中對約束系統的匹配優化。完全計算模型則將假人及相關約束系統放入整車有限元模型中進行仿真計算。常用于整車結構和約束系統方案結束后的演算。本章使用的是一款已經經過驗證的駕駛室有限元模型。

該駕駛室有限元模型中包括座椅、安全帶、方向盤、安全氣囊。其中安全帶配備了預緊器、限力器和安全帶鎖止器。按照此轎車駕駛室各部分的尺寸、形狀、材料和連接建立該轎車的有限元模型，將LSTC 50th混 III 假人模型導入到此駕駛室有限元模型中，建立安全帶模型以及必要的接觸和連接，如圖3所示。本研究按照實際碰撞工況在仿真模擬中輸入臺車實驗獲得的碰撞波形如圖4所示。將50%男性混III假人放置到此有限元模型中進行56 km/h 的臺車實驗，監控安全帶、氣囊受力情況。

圖3 乘員約束系統

圖4 碰撞波形

安全帶受力情況如下圖所示，安全帶在碰撞發生的一瞬間，受到了很大的沖擊力，而后又驟然下降，說明該車型安全帶未做好應對突然沖擊的緩沖能力，還有繼續提升的空間。在安全帶受力驟然下降之后，由于人體胸部接觸安全帶，使安全帶受力繼續上升，直到汽車停止為止。

圖5 安全帶受力情況

安全氣囊受力情況如圖6所示，在40ms時刻，安全氣囊受力驟然上升，原因為安全氣囊受氣體爆炸產生外沖力使安全氣囊爆開。之后，由于乘員頭部接觸安全氣囊，使安全氣囊上的力逐漸增加。由安全氣囊受力曲線圖可知，安全氣囊爆炸效果良好，未在安全氣囊爆炸途中與乘員頭部接觸，對人體頭部產生更大的損傷。

圖6 安全氣囊受力情況