正面碰撞中小身材女性驾乘人员损伤防护研究*唐友名1,2,颜凌波2，罗 骞2,曹立波1,2 (1.厦门理工学院，福建省客车及特种车辆研发协同创新中心，厦门 361024；2.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082) [摘要] 事故统计数据表明，在碰撞事故中，约束系统对小身材女性乘员损伤的防护效果比男性差。本文旨在确定约束系统中对前排小身材女性驾乘人员的响应有显著影响的主要参数，并利用遗传算法NSGA-II优化约束系统，以提高其对小身材女性乘员的防护效果。结果表明，合理匹配约束系统参数可有效降低前排驾乘人员的头部损伤，但对其胸部损伤的影响较小。驾驶员和前排乘员胸部损伤的主要来源分别为安全气囊和安全带载荷。参数优化后，前排驾乘人员头部和颈部损伤风险明显降低，在欧洲NCAP测试中总评分提高37.3%。 关键词：女性乘员；正面碰撞；约束系统；遗传算法 前言据统计，在1996-2005年的汽车碰撞事故中，女性死亡人数约占全部死亡人数的32%，而男性死亡人数约占68%[1]。尽管死亡人数少，但在同类事故中女性乘员的死亡风险比男性乘员高出(22%±9%)[2]～(28%±3%)[3]。尽管有研究表明在致命事故或严重损伤的事故中，女性驾乘人员的安全带佩戴率明显高于男性[4-5]，但文献[6]中通过分析碰撞事故中乘员的损伤数据，发现在相似的碰撞事故中，佩戴三点式安全带的女性驾驶员承受严重损伤的风险约比男性驾驶员高出47%。文献[7]中分析了NASS-CDS数据，并得出结论，除了头部和腹部外，女性乘员身体部位承受严重损伤的风险整体较高。 尽管对于小身材女性乘员损伤的关注已相当明显，但对提高小乘员损伤防护的研究并不多见。鉴于如今先进的约束系统通常是基于中等身材的男性乘员设计的，亟需针对小身材女性乘员进行约束系统设计。文献研究显示，研究人员通过计算机仿真研究了约束系统对不同身材乘员的保障效能，并得出结论，很难为不同身材的驾乘人员都提供理想的保护。文献[8]中使用MADYMO软件研究了针对50百分位男性乘员设计的约束系统对5百分位和95百分位男性乘员的保护效果。结果表明，调整安全气囊泄气孔的面积和安全带限力值能够避免95百分位乘员的二次碰撞，但对5百分位女性乘员和50百分位男性乘员的损伤防护效果将恶化。文献[9]中研究了50km/h正面碰撞下，转向管柱角度、安全带限力值、安全气囊起爆时间和泄气孔面积对5百分位女性假人响应的影响。结果表明，在同一车辆的正面碰撞工况下，女性驾驶员的损伤比50百分位男性乘员的损伤更为严重，且较早的安全气囊起爆时间和较大的泄气孔面积可减小女性驾驶员的损伤风险。 各国不断地更新各自的新车评价测试程序和评估标准[10]。自2010年起，US-NCAP使用混III第5百分位女性假人来评价碰撞试验中前排乘员的安全性。2013年，K-NCAP决定使用混III第5百分位女性假人评价正面碰撞试验中汽车的安全性[11]。2014年，欧洲NCAP在成年乘员保护评估中加入了正面全宽碰撞试验，并于2015年开始实行[12]。在全宽正面碰撞中，欧洲NCAP使用两个5百分位女性假人进行评价，一个安放在驾驶员位置，另一个安放在后排座椅位置。为确保约束系统为所有驾乘人员提供相似的保护水平，前排乘员的得分(制造商提供的数据)不能低于驾驶员总分的90%。当不能满足该要求时，前排得分将采用驾驶员和前排乘员得分最差的身体部位进行评估。表1为Euro-NCAP全宽正面碰撞的基本评估指标及其上下限。当一个身体区域存在多个评价指标时，采用得分最低的参数确定该身体区域的得分[13]。 小身材女性乘员存在较高的严重伤害风险和死亡风险，且混III第5百分位女性假人已被用于各国新车正面碰撞安全性能的评价。但在提高小身材女性乘员损伤防护效果方面的研究还很不够。 表1 Euro-NCAP全宽正面碰撞试验的评价指标及其上下限  身体区域评级指标上限下限得分头部HIC15500700头部3ms合成加速度H3ms/g72800-4颈部剪切力Fx/kN12195张力Fz/kN17262弯矩My/(N·m)36490-4胸部胸部压缩量THCC/mm1842黏性指标VC/(m·s-1)0510-4膝部、大腿和盆骨大腿压缩力FC/kN26620-4 因此，本研究的目的是确定约束系统中对前排小身材女性乘员的响应有显著影响的主要参数，并基于欧洲NCAP评价标准，利用优化方法提高约束系统对小身材女性乘员的损伤防护效果。 1 模型的建立和验证本文中建立了驾驶员侧和前排乘员的多刚体正面碰撞模型。两个碰撞模型基于同一汽车建立。正面碰撞模型中采用了由有限元和MADYMO单元组合成的混合安全带模型。这种安全带模型可有效模似腰带和肩带在带扣处的滑动，且模型中添加了力-输出特性以模拟卷收器的卷收效果。 为验证模型的有效性，根据欧洲NCAP进行了车速50km/h的全宽正面碰撞实验。实验中使用了两个混III第5百分位女性假人，座椅被调节到最前端，两车加速度波形分别如图1和图2所示。驾驶员侧的安全气囊在18ms左右起爆，约23ms与驾驶员发生接触。乘员侧的安全气囊在20ms起爆，并于43ms左右与乘员接触。由图1和图2可见，实验和仿真的输出相似，驾驶员和乘员侧模型与碰撞实验相关性分析(CORA)的平均得分分别达到了87.55%和91.86%。表2为实验与仿真中混III第5百分位假人的损伤值对比。除驾驶员的右大腿力峰值的相对误差为10.31%外，其余部位损伤值的误差均小于10%。驾驶员的右大腿力峰值的误差可能是由于假人下肢在模型中的位置不同和仿真模型中缺乏加速踏板造成的。该右大腿力峰值远低于欧洲NCAP的高性能限值，因此可以接受。  图1 实验与仿真中混III第5百分位女性驾驶员的响应对比  图2 实验与仿真中混III第5百分位女性乘员的响应对比 表2 实验与仿真中损伤指标的对比  指标驾驶员前排乘员实验仿真相对误差实验仿真相对误差HIC1524732522201%31872975666%头部3ms合成加速度H3ms/g49905061142%58535622395%胸部3ms加速度峰值C3ms/g51445036210%42114206012%盆骨加速度峰值/g53655301119%50964806569%左大腿力L＿FC/kN16541535719%20452112328%右大腿力R＿FC/kN213319131031%20202082307% 2 参数灵敏度分析为确定对假人响应有显著影响的约束系统参数，利用两个碰撞模型分别进行了参数灵敏度分析。表3为输入变量值。其中，气体质量流率是相对原始模型气体质量流率的倍数，D环摩擦因数、气体质量流率、安全气囊泄气孔面积和气囊体积为连续值。分析过程中，采用拉丁方设计进行均匀采样，生成实验设计表，并以表1中的评价指标为输出参数。 表3 参数灵敏度分析中研究的参数  参数驾驶员前排乘员安全带限力值/kN25，3，35，4，45，5，55，6安全带预紧量/mm40，50，60，70，80，90，100预警器作用时间/ms12，13，14，15，16，17，18D环摩擦因数01-04安全气囊起爆时间/ms13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30气体质量流率08-12泄气孔面积/mm2628-2513628-4398气囊体积/L50-6090-100 根据输入参数大小，将所有输入参数分成两个级别，分别为“高”和“低”。将所有实验分成两个大小相等的组，并计算出这些数据的平均值，以查看输入参数对输出参数的影响。采用Student-t检验检测两个组的平均值之间是否存在显著差异，即检测输入参数对输出参数是否有明显影响；并利用两个平均值的差值表示输入因子对各输出参数的影响。“+”代表正影响，“-”代表负影响，数值表示影响的水平。为对比不同损伤指标所受的影响，所有仿真输出均利用欧洲NCAP的低性能值进行了正则化。 图3为对驾驶员各部位响应有显著影响的约束系统参数。其中指标HRaccP表示头部合成加速度峰值。由图可知，安全气囊起爆时间对驾驶员头部的影响最大，安全带限力值是主要影响因素且对驾驶员全身各部位都有影响。较小的安全带限力值可减小驾驶员颈部和胸部的损伤。推迟安全气囊起爆时间，可有效减小驾驶员头部损伤，但会使颈部张力增加。总体来看，头部响应主要受安全气囊参数的影响，颈部和胸部响应主要受安全带参数的影响。在参数范围内，约束系统参数对驾驶员头部的影响比对胸部和颈部的影响大。  图3 对驾驶员响应有显著影响的约束系统参数(p<>  图4 对前排乘员响应有显著影响的约束系统参数(p<> 图4为对前排乘员各部位响应有显著影响的约束系统参数。气囊起爆时间是最主要的影响因素，并且对所有身体部位都有影响，其次是泄气孔面积。较晚的安全气囊起爆时间将增加头部和胸部的损伤，减小颈部的弯矩。增加泄气孔面积会降低头部损伤风险，增加乘员颈部剪切力和张力。整体而言，安全气囊参数对乘员身体各部位响应都有明显的影响。对比驾驶员和前排乘员身体各部位响应，乘员头部和胸部的响应较驾驶员小，而乘员颈部的响应较驾驶员大。 3 约束系统优化仅当约束系统的所有部件能完美匹配时，才能符合各类消费者测试要求。因此，本文中对驾驶员和前排乘员两个约束系统分别进行了参数匹配。使用代理模型可减少计算机仿真优化所需时间。根据上述灵敏度分析结果，将安全气囊起爆时间、泄气孔面积、安全带限力值和预紧作用时间作为两个约束系统参数匹配的优化变量。 3.1 优化目标与约束条件 表4为利用欧洲NCAP成年乘员保护法规对本文中前排乘员进行的评分。由表可知，5百分位女性驾驶员的胸部压缩量、前排乘员的颈部弯矩和胸部压缩量失分严重。因此，将最小化胸部压缩量作为驾驶员约束系统的优化目标：最小化胸部压缩量和颈部弯矩(两者等权重)作为前排乘员约束系统的优化目标。 式(1)为利用Euro-NCAP正面碰撞测试中各评价指标的下限定义的加权损伤指数(WIC)。 根据灵敏度分析，某些约束系统参数对身体区域的影响并不一致。例如较早的安全气囊起爆时间，有利于乘员颈部的保护，但不利于乘员头部的保护。优化过程中可能出现颈部损伤得到改善，但乘员头部损伤风险急剧增加的情况。因此，在优化过程中使WIC<> 表4 基于Euro-NCAP正面碰撞实验的前排驾乘人员得分  身体区域评价指标驾驶员前排乘员指标值评价指标得分身体区域得分指标值评价指标得分身体区域得分前排驾乘人员得分头部HIC1523073400H3ms5204g400400304694005707g400400400颈部Fx0493kN400Fz1695kN400My336N·m4004000507kN4000877kN4004574N·m100100100胸部THCC402mm030VC0403m·s-14000303296mm1510215m·s-1400151030膝部、大腿和盆骨L＿FC1535kN400R＿FC1923kN4004002112kN4002082kN400400400假人得分1231051930
 (1) Euro-NCAP的成年乘员保护条例中，当头部合成加速度峰值HRaccp超过80g时，说明假人头部发生了硬接触；当肩带力超过6kN时，将扣除两个点进行惩罚[12]。这两种情况都不利于乘员保护。因此，优化过程中的约束条件为  (2) 3.2 响应面和优化结果 采用Kriging响应面代理模型，选用拉丁超立方实验设计，在变量范围内随机均匀取点，自动生成一个包含输入变量和输出变量的表格。选择50种组合，运用软件MODE-FRONTIER中的遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行仿真。 为检测响应面的可靠性，将优化获得的最佳设计参数输入到MADYMO模型中进行计算对比。表5对比了真实仿真(MADYMO模型)和虚拟仿真(响应面模型)的结果。真实仿真与虚拟仿真之间最大的相对误差仅为7.49%，说明创建的响应面是可靠的。 表5 响应面的相对误差分析 指标驾驶员前排乘员真实仿真虚拟仿真相对误差真实仿真虚拟仿真相对误差THCC/mm374346749%327339367%HRaccP/g58496194590%51895318249%FS/kN445448067%558561054%My/(N·m)———3320354663%WIC04510434377%04370448252% 表6为该约束系统根据Euro-NCAP全宽正面碰撞中前排乘员的评价指标获得的分数。参数优化后，前排驾乘人员的总得分增加了37.3%，说明优化后，约束系统为小身材女性乘员提供了更好的保护性能。其中，驾驶员的得分增加了3.8%，前排乘员得分增加了28.9%；前排乘员的颈部弯矩降到高性能值以下。驾驶员和前排乘客的胸部压缩量分别减少了2.8和0.26mm。 表6 优化后前排约束系统损伤防护评估 身体区域评价指标驾驶员前排乘员指标值评价指标得分身体区域得分指标值评价指标得分身体区域得分前排驾乘人员得分头部HIC1521855400H3ms5278g400400225964005061g400400400颈部Fx0524kN400Fz1439kN400My243N·m4004000652kN4000783kN400332N·m400400400胸部THCC374mm077VC032m·s-1400077327mm1550194m·s-1400155077膝部、大腿和盆骨L＿FC1605kN400R＿FC1790kN4004002097kN4002202kN400400400假人得分127713551277 表7为优化前后的约束系统参数。结合表4和表6可知，安全带限力值减小，使驾驶员胸部压缩量减小。增加泄气孔面积，使右侧小身材女性乘员的颈部弯矩明显减小。对于驾驶员和前排乘员，胸部压缩量都没有明显减小，该结果与参数灵敏度分析一致。 综上所述，通过匹配安全带限力值、预紧作用时间、泄气孔面积和安全气囊起爆时间，前排乘员颈部损伤明显降低，但前排乘员胸部损伤的变化较小。Euro-NCAP规定碰撞过程中驾驶员的座椅应位于其行程的最前端，这使驾驶员与安全气囊的距离很小；由仿真动画可知，驾驶员与安全气囊的接触发生在气囊起爆过程中，这使驾驶员胸部损伤严重。前排乘员与乘员侧安全气囊的距离较大，但是第5百分位女性乘员身材娇小，碰撞过程中，安全气囊主要作用于乘员头部，对胸部的影响很小。文献[14]中研究了正面碰撞事故数据，并对与胸部压缩量有关的损伤进行评估，发现女性驾驶员胸部损伤风险是男性胸部损伤风险的1.77倍，前排女性乘员胸部损伤风险是前排男性乘员的1.3倍。结合本文中优化结果可得出结论，当前的约束系统参数范围不利于前排小身材乘员的胸部损伤防护，在后续的研究中应关注小身材乘员胸部损伤防护。 表7 约束系统参数 输入参数驾驶员前排乘员原始模型优化后原始模型优化后安全气囊起爆时间/ms18222020泄气孔面积/mm2628134725133998安全带限力值/kN3252525安全带预紧作用时间/ms18181713 4 结论基于Euro-NCAP的法规流程模拟了50km/h的正面全宽碰撞工况下，驾驶员位置和副驾驶位置上混III第5百分位女性假人的动态响应。通过灵敏度分析确定了前排第5百分位女性乘员损伤的主要影响参数，并利用MODE-FRONTIER进行了优化，结论如下。 (1) 约束系统参数对前排驾乘人员头颈部损伤有较大影响，对胸部响应的影响较小。 (2) 对于前排驾乘人员，不同身体部位响应的主要影响因素不同。安全带参数对驾驶员头部有明显影响，但对乘员头部影响较小；驾驶员颈部损伤主要受安全带参数的影响，前排乘员颈部损伤主要受安全气囊参数的影响。 (3) 合理匹配安全带限力值、预紧作用时间、安全气囊起爆时间以及泄气孔面积可有效减小前排小身材乘员的头颈部损伤。 (4) 当前的约束系统参数范围不利于前排小身材乘员的胸部损伤防护，在后续的工作中应关注小身材乘员胸部的损伤防护研究。 参考文献： [1] NHTSA. 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A Study on Injury Protection of Female Driver andOccupant with Small Stature in Frontal Crash Tang Youming1,2, Yan Lingbo2, Luo Qian2 & Cao Libo1,2 1.Xiamen University of Technology, Fujian Collaborative Innovation Center for R&D of Coach and Special Vehicle, Xiamen 361024;2.Hunan University, State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Changsha 410082 [Abstract] Accident statistical data indicate that the injury protection effects of restraint system on female occupants with small stature are poorer than that on male occupants. This paper aims to determine the main parameters of restraint system significantly affecting the responses of female driver and occupant with small stature in front row, and utilize genetic algorithm NSGA-II to optimize restraint system so as to enhance its injury protection effects on female occupants with small stature. The results show that the rational matching of restraint system parameters can effectively reduce the head injury of driver and occupant in front row but has relatively small effects on their chest injury. The main source of chest injury of driver and front row occupant is safety air bag and the load on safety belt respectively. After parameter optimization, the risks of head and chest injuries of driver and front row occupant significantly reduce with their overall score in E-NCAP test increases by 37.3%. Keywords：female occupants; frontal crash; restraint system; genetic algorithm *国家自然科学基金(51305374)、福建省高校杰出青年科研人才基金(JA14229)、福建省科技创新平台项目(2016H2003)和厦门理工学院对外科技合作专项(E201400300)资助。 2016229 原稿收到日期为2016年5月13日。 |
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