汽车紧急制动工况下安全带对驾驶员约束状况的

1、汽车紧急制动工况下安全带对驾驶员约束状况的摘 要：基于ANSYS/LS-DYNA 软件进行了汽车紧急制动工况下的计算机仿真，重点研究了安全带对驾驶员的约束情况。首先，根据法规FMVSS572 对假人的头部、颈部、胸部、膝部进行标定，然后将建立好的驾驶室模型导入ANSYS/LS-DYNA 中修改，生成有限元模型；接着，导入假人模型，调整假人坐姿，建立安全带有限元模型，设定控制参数进行求解；最后，从假人的制动状态、假人各部位的加速度、安全带对假人的约束力以及安全带与假人的内能变化等四个方面对计算结果进行了分析，为降低人员的伤害提供了参考。关键词：紧急制动；模拟仿真；Rigid Hybird III

2、；ANSYS/LS-DYNA中图分类号：U461.911 前言紧急制动，是为了避免车辆与其他车辆、行人或障碍物等发生严重的碰撞而采取的保护措施。驾驶员的制动行为是把将会发生的碰撞行为转嫁到自身身上，在这个过程中，驾驶员与安全带之间实际上进行着强烈的碰撞，因此研究安全带性能的可靠性以及汽车制动过程中驾驶员所受的力显得尤为重要。本文基于LS-DYNA 显式有限元法研究了在紧急制动工况下驾驶员与安全带之间的约束关系，为降低驾驶员的伤害提出了有效的途径。2 假人模型的标定碰撞试验假人是进行车辆碰撞安全性试验的重要设备之一，无论是实车试验还是计算机仿真对假人的标定都是一项非常重要的工作，其生物拟合性好坏

3、直接关系到车辆碰撞安全性能是否得到正确的评估，直接关系到计算机模拟仿真的真实性1。仿真采用刚性混合第50 百分位（Rigid Hybird III50th%）有限元假人模型。该假人模型的身体的各项指标符合美国第50 百分位成年男子的主要尺寸，重约78 千克。该模型与中国第50 百分位成年男子有一定的差异，所以使用该假人得出的数据行对中国人来说会偏低。参考GB11551-2003和美国国家公路安全管理局法规FMVSS572 对假人的头部、颈部、胸部、膝部进行标定。1.1 头部模型标定如图2 所示头部模型标定。施加重力加速度让头部作自由落体运动，定义头部以及头部与刚性地面之间的接触，通过测定头部的

4、加速度验证头部模型是否合格，若不合格可以调整头骨与皮肤之间的摩擦系数，最终达到法规要求2。图1 Hybrid男性第50 百分位假人模型-2-图2Hybird III 假人头部模型标定 图3 摆臂刚与吸能块碰撞时标定模型1.2 颈部模型标定颈部模型标定包括弯曲标定和拉伸标定，标定时将假人头颈固定在摆臂上，然后通过拉伸装置将摆臂提升到满足碰撞速度要求的高度再释放，碰撞处需要放置满足要求的吸能块。给整个模型施加重力加速度，使整个模型在重力作用下绕上悬挂点转动；同时需要定义摆臂与吸能块间的接触；测量摆臂与吸能块碰撞时的冲击力。通过调节颈部上端铰链的阻尼，保证最大峰值力距不超过FMVSS572 的要求：

5、52934N.mm80079N.mm2。1.3 胸部模型标定在车辆的正面碰撞中，胸部主要受汽车方向盘、安全带、安全气囊的的冲击力作用，胸腔受挤压而变形。胸部是紧急制动工况下承受安全带约束力的主要部位，因此胸部模型生理特性的好坏直接影响到仿真结果的真实性。假人胸部模型标定如图4 所示，采用具有一定质量的面状、钝性冲击物撞击假人上胸肋骨位置。设定整个模型的重力加速度、撞击物的速度以及撞击物与假人胸部的接触。输出假人胸部的压缩量，保证压缩量在FMVSS572 标准的63.5mm72.7mm 范围之内2。图4 胸部模型标定 图5 膝部模型的标定1.4 膝部模型的标定如图5 所示膝部模型标定，采用钝性冲

6、击块撞击假人膝部，固定大腿一侧，设定模型的-3-重力加速度、撞击物的初始速度、撞击物与膝部的接触，输出撞击物刚与膝部接触时的冲击力，通过调整该部的材料模型、沙漏控制、单元算法来解决求解过程中可能出现的负体积问题。通过调整膝部弹簧单元的刚度保证膝部的冲力力不超过FMVSS572 标准的10KN2。2 有限元模型的建立及求解2.1 建立有限元模型分析紧急制动工况下安全带对驾驶员约束情况,重点是建立安全带模型、假人坐姿的确定、假人与座椅地板的接触。如图6 所示有限元模型。在CATIA 中建立除假人以外的所有模型，将汽车模型进行简化只保留驾驶室内座椅靠背、地板，其他部件用质量块代替。将建立好的简单模型

7、和标定好的假人模型导入ANSYS /LS-DYNA中进行前处理。根据座椅R 点调整假人的坐姿3。为节省求解时间质量块采用SOLID164 单元，材料为不变形刚性体，另外在质量块的质心位置定义质量单元MASS166，通过质量单元补偿整车质量，保证整车总质量全部施加在质量块和质量单元处。座椅、靠背、地板采用SHELL 163 单元，其中靠背与质量块采用点焊固联。安全带选择连续三点式，即两点式腰带和肩带合二为一的复合式，采用弹簧与阻尼单元COMBI165,材料为非线性弹性材料模型。划分网格，对安全带、假人模型网格可以密些，质量块、地板、靠背座椅可以疏一些。2.2 设定求解参数并进行计算 定义表面接触

8、信息进入LS-DYNA Option 定义表面接触信息。接触用来定义刚性体之间以及刚性体与有限元模型之间的作用关系，接触有单面接触、点面接触和面面接触三类。仿真涉及到的接触主要是假人和座椅、靠背之间的点面接触，安全带与假人之间的面面接触，其余可能的接触全定义为单面接触。另外通过接触界面控制选项设置控制参数，消除初始穿透，其对应的关键字为*CONTROL_CONTACT4。 设定初始条件,施加载荷设所有模型的初速度为14.8m/s，即车体和假人先以相同的除速度运动。图6 车体有限元模型图7 减速度曲线-4-加载如图7 所示减速曲线，该减速曲线是汽车发生碰撞前，驾驶员紧急制动，测量驾驶舱地板的减速

9、度获得的，将该减速载荷施加在除假人和安全带以外的全部实体上。从而模拟紧急制动时假人和安全带之间的约束情况。曲线所示为加速曲线，设定刚体或节点组运动的关键字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET 中的载荷曲线比例因子SF=-1,即可变为减速曲线4。 分析选项设置根据减速曲线设定求解时间为0.14 秒。设置能量控制选项，定义输出节点信息：位移速度、加速度等。生成K 文件，对部分K 文件修改，递交求解。3 计算结果分析3.1 驾驶员制动状态分析图8 为各制动时刻驾驶员的状态t=0.01 秒 t=0.02 秒 t=0.05 秒t=0.07 秒 t=0.09 秒 t=0.1 秒t

10、=0.12 秒 t=0.13 秒 t=0.14 秒图8 各制动时刻驾驶员状态紧急制动过程中驾驶员由于惯性，制动过程在时间上具有滞后性。图中所示各时刻的制动状态均为汽车行驶方向上驾驶员相对于座椅以及靠背的位移量。可以看出头颈部、腰部、脚和小腿部先后发生位移，先是头部在惯性作用下向前移动，接着腰部由于受到腰带的约束-5-向下发生滑移，肩带对胸部的束缚作用迫使头部向后移动及头部产生二次冲击。3.2 加速度分析加速度是评价碰撞时人体所受伤害程度的重要指标。国际上采用加速度衡量人体损伤的主要有头部损伤标准(HIC)和胸部3 毫秒准则5。A：头部加速度曲线 B：颈部加速度曲线C：胸部加速度曲线 D：腹部加

11、速度曲线图9 加速度曲线 头部损伤标准(HICHead Injury Criterion)HIC 由头部合成的加速度响应在一定时间内积分得到，其计算公式如下5：( ) 20 1 22.51 2 12 1max 1 ( )EtT t t T tHIC R t dt t t t t = (1)式中：R（t）为T0tTE 期间，头部质心处的合成线性加速度，单位： g；T0 为碰撞起始时间，单位：s；TE 为碰撞结束时间，单位：s；t1、t2 为使HIC 达到最大值的时间段的起始和终止时间。 胸部3 毫秒准则胸部是继头部后最应受保护的器官，该准则指作用在上胸部重心处的作用时间为3ms或更长时间的线性加

12、速度最大值为60g5。图9 所示为头部、颈部、胸部和腹部加速度曲线。头部和颈部的加速度峰值均出现在制动后的0.1 秒左右，两者的加速度曲线变化趋势一致，但头部加速度的变化幅度远远大于颈部。因此在紧急制动中如何控制头部加速度值，使其HIC 值不超过人体的生理极限就成为非常重要的研究内容。胸部和腹部由于受安全带的直接约束，加速度变化幅度没有头部的大。其中腹部加速度在整个制动过程中都比较平缓，而胸部加速度值在0.09 秒左右出现峰值。另外四个部位的加速度均在0.06 秒左右出现峰值。3.3 约束力分析驾驶员的速度能够降下来,就是靠安全带的约束了作用,承受约束力的主要部位就是人的-6-胸部和腹部。安全

13、带的肩带和腰带在制动的不同时刻先后对胸部和腹部约束力作用如图10所示。A:肩带对胸部的约束力 B:腰带对腹部的约束力C:腰带边缘对肋骨的约束力 D:肩带对腹部的约束力图10 安全带对身体各部位的约束力由图可知安全带对人体的约束作用主要发生在0.02s0.09s 之间。肩带对胸部的约束作用最早，而且在整个制动过程中肩带对胸部的约束力都非常大，在0.06 秒左右达到峰值，可见胸部压缩量主要就是由肩带的约束力引起；腰带对肋骨和腹部的约束作用基本相近，其中腹部受到腰带的约束稍弱；腹部受到的腰带和肩带的约束力变化趋势基本相同，其中肩带对腹部的约束范围较大，幅值较小，而腰带的约束作用则相反；0.09 秒以

14、后，腰部、肋骨和腹部受到的约束力趋于稳定。因此在0.02s0.09s 时间段是人体承受安全带约束力最大，通过对肩带和腰带选用不同的材料，保证肩带对胸部约束力不至过大同时又能将人体约束在一定的空间，是减小人体损伤的有效途径。3.4 能量分析在制动过程中，系统的总动能全部转换为内能耗散掉。制动过程遵循能量守恒定定理6，即：2 21 1 2 2 1 2 3 41 12 2M v + M v = E +E +E +E (2)式中：M1、M2 分别为驾驶员和车体的质量；v1、v2 分别为驾驶员与车体的速度；E1、E2、E3、E4 分别为人体吸收的能量、安全带吸能、车体与地面吸能、其他形式的吸能。除去车轮

15、与地面的吸能，其余大部分能量被安全带和驾驶员吸收，而驾驶员吸收的能量主要是指身体各部位的变形能。因此让安全带尽可能吸收更多能量就是安全带设计的重点。本仿真模型主要考察假人与安全带内能的关系。图11、图12 为制动过程中安全带和假人内能曲线。-7-A：腰带内能 B：肩带内能图11 安全带内能曲线图12 假人内能曲线比较假人和安全带在制动过程中的内能曲线，发现安全带吸收了大部分的能量，特别是肩带，内能变化幅度较大，吸收的能量较大，而腰带内能变化相对平缓；从时间上看，0.06秒附近是动能转化为内能最大的时刻，这个时候车体的大部分动能被安全带吸收。从假人内能变化曲线可以看出，0.06 秒至0.08 秒

16、也是假人内能变化最大的时刻，而人体吸收的内能均以器官的变形能耗散，因此,这段时间也是胸部或其他部位压缩量最大的时候，设法降低该时刻人体的内能是降低胸部压缩量的关键。4 总结紧急制动过程中，安全带对驾驶员的约束情况决定着驾驶员的伤害情况。本文对紧急制动工况下安全带与驾驶员之间的约束关系进行了计算机仿真，分别从假人模型的状态、假人模型各部位的加速度、安全带对假人的约束力以及安全带与假人的内能变化等四个方面进行了细致分析，得出如下结论： 在制动过程中，头部、颈部、胸部、腹部、腰部以及下肢具有不同的运动状态，其-8-中头部和颈部之间运动的不协调是造成头颈部伤害的主要原因；从各部位的加速度曲线看出头部和

17、颈部加速度变化差别较大，0.1 秒左右是两者运动干涉最激烈的时刻，同时也是造成头颈部伤害最大的时刻； 安全带的约束作用是降低人体伤害最有效的方式，从安全带对人体各部位的约束力曲线看出，约束作用主要发生在0.02s0.09s 之间，其中肩带对胸部的约束力最大，腰带对腹部的约束力相对较小，而且在制动过程中肩带的内能变化较大，吸能较多。因此为了让安全带吸收较大的能量，同时又能保证人体约束在一定范围，肩带可选择弹性稍小的织带，腰带选择弹性稍大的织带。参考文献1 申福林，杨振亮 大客车后排座椅靠背角度在追尾事故中对乘员安全性的影响A 2009 年中国客车学术年会论文集 2009.10 西安2 彭宗峰，郭

18、祚达,林大全 汽车碰撞试验假人的部分标定试验J 机械2004 年第31 卷第12 期3 何欢 车辆翻滚仿真技术与应用研究D 重庆 2007.104 白金泽 LS-DYNA3D 理论基础与实例分析M 北京:科学出版社 20055 高敬党 身材矮小乘员在正面碰撞过程中伤害的研究D 长春 2007.46 余志生 汽车理论M.第四版 北京:机械工业出版社 2006.5The simulation of the constraints of the driver seat belt inthe operating condition of emergency brakingJiu JunliangDep

19、artment of vehicle engineering Changan University, Xian (710054)AbstractUse CAD models to simulate the vehicle operating condition of emergency braking based onANSYS/LS-DYNA software, and focusing on the constraints of the driver seat belt. First, calibrate thedummys head, neck, chest, knee according to the FMVSS572,and then