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摘要：本文通过对某华晨汽车自主开发车型进行正面碰撞仿真分析，考察乘员在佩带三点式安全带条件下的运动响应和伤害情况。为减少车体变形对约束系统的影响，在车身结构试验与仿真对标的模型基础上进行乘员约束系统对标。从车身的变形形态、乘员的运动响应、假人伤害值等几个方面综合评价乘员保护的碰撞安全性能，通过约束系统良好的对标表现，分析出对正面碰撞乘员约束系统的影响因素。经过验证表明，采用有限元的乘员约束系统碰撞仿真分析方法能较真实地反映出试验碰撞的状况和结果，具有实际工程应用价值，可用于后期的优化工作。
关键词：有限元方法；正面碰撞；乘员约束系统；对标；影响因素
1 引言
汽车被动安全性研究中最直接的方法是进行实车碰撞试验。但实车碰撞试验费用昂贵、周期长、重复性差，不利于车型开发的成本和质量控制。运用计算机仿真分析模拟整车碰撞过程，不仅可以弥补上述缺陷，并且能够在设计过程中、样车完成前预测和优化车辆的碰撞安全性能，指导汽车结构设计开发。
20世纪80年代后期，车辆碰撞的计算机模拟在汽车技术发达国家开始兴起，基于高性能计算机的出现及碰撞理论、材料理论、有限元理论、多刚体动力学系统等理论的发展完善而迅速发展。
国内的车辆碰撞计算机模拟研究始于90年代中期。近 30年来，整车及乘员约束子系统在碰撞条件下的CAE仿真分析取得很多成就。其中前10年是建模方法和基本应用，而后17年是更广泛的应用和更复杂的分析。后17年的不足之处：①精度的提高有限，一些难题很少有进展；②基本上仍然是验证性的实践；③还很难做到预测计算[1-2]。
传统上，正面碰撞的模拟已进行使用了多体参数动力学软件。但在这个过程中，多体不能完全被预测，要依赖于试验来调试CAE模型。它是用于目标设置，碰撞后的调试，以及快速连续的比较。近些年，可预测有限元模拟软件已成为一个不可或缺的工具，它是基于详细的几何和材料属性零部件和系统的开发。这已经能够增加约束系统和假人的模拟精度。
目前，多体和有限元方法通常两者都是并行使用，图1展示了它们在系统调试到零部件开始如何关注于不同零件的范围。它们之间的间隙表示在参数环境下复杂几何的考虑[3]。
本文将FTSS的有限元假人引进整车有限元模型中，使用LS-DYNA求解器进行求解。考察在发生正面碰撞时，约束系统对乘员安全性能的保护，这样就能更真实、完整地反映出碰撞时乘员的运动响应，从而做出更直观、可靠的评价。
2 整车碰撞试验与仿真对标
2.1 整车及车身局部变形对标
图2和3为整车试验与仿真分析的对比，结果显示，在碰撞过程中，机盖产生弯折，左前车门、A柱及门槛均未发生较大变形。两者变形趋势基本一致。
从试验和仿真车身局部细节表现来看，在左纵梁A和A′及右纵梁B和B′区域产生相同的弯曲变形。试验与仿真在结构件的变形有较好的一致性，如图4-7所示。
2.2 整车加速度对标
通常试验与仿真中加速度传感器布置均在车体左B柱下端位置，用该处的加速度作为评价整车的安全性能重要指标之一。根据试验与仿真加速度的对比，两者的峰值大小和时刻吻合度都较好，如图8所示。
从图8的曲线可以看出：
（1） 在整车碰撞过程中，前横梁碰撞性能是比较关键的。通过对前横梁刚度的控制，在0-12ms时间段的峰值大小能够与试验较为接近，趋势基本一致。
（2） 吸能盒和前纵梁的变形模式与试验状态基本一致。在12-30ms时间段，加速度波形的走势与试验状态较为接近。
（3） 副车架材料失效都发生在螺栓位置，通过设置该结构的失效时刻，在35ms-50ms的峰值仍有差异，但趋势是一致的。造成差异的因素其主要有二个，其一是失效时间，通过手动去调整的失效时间来得到与试验接近的结果；其二是失效的方式，试验中，材料的失效方式都是发生在悬置支架上，它可以持续一段时间，而在仿真中，模型只能设置的失效方式是发生在一瞬间，两者有所区别[4]。
为了便于观察整车运动响应，在试验与仿真相同的位置布置加速度传感器，位置分别是变速器上部及中央通道后部。通过试验与仿真前部和后部的加速度对比可知，两个位置的运动趋势基本一致，加速度吻合较好，如图9-10所示。
综上所述，基于现有试验数据分析，试验与仿真对标的一致性较高，为约束系统的开发奠定基础。
3 整车正面碰撞约束系统模型的建立
有限元假人约束系统的模型是在整车结构对标基础上完成，增加驾驶员侧与乘员侧的假人和安全气囊，定义安全带及其附件，如织带的刚度、预紧特性、卷收器的卷轴特性、限力特性参数和滑环等，如图11-16所示，这些数据是由供应商提供，并完善转向管柱、方向盘、仪表板、气囊模块、踏板和风挡玻璃等部件，以适用于约束系统分析。
根据供应商提供的安全气囊尺寸参数、物理参数、气囊起爆时间及气囊的压力随时间曲线，建立LS-DYNA环境下的安全气囊。将气囊缩放到合适的大小并安装在模型中，然后定义气囊的参考几何，从而保证气囊起爆后的几何尺寸，如图17和18所示。
该车型使用LS-DYNA中的HYBRID_JETTING气囊关键字，HYBRID气囊最多允许同时充入8种气体，分别定义每种气体的充入质量流曲线，定义泄气孔面积，定义外部环境的压力、温度、密度，定义气体发生器的喷射方向及角度等，如图19-20所示[5]。
驾驶员侧气囊和乘员侧气囊使用同一种方法计算，分别根据实际情况调整质量流曲线和泄气孔面积。
4 有限元的乘员约束系统仿真分析与试验验证
在整车碰撞对标基础上进行有限元假人约束系统的分析，考察约束系统对乘员的伤害情况。经CAE分析得出，假人胸部伤害过大，主要原因是假人与方向盘距离太近，导致与安全气囊过早接触。但由于结构已经基本定型，改变假人与转向盘的距离困难比较大。因此，从削弱假人与气囊的接触这个方向进行考虑。根据以上思路制定以下初步方案：①增强安全带的预紧效果，减少假人在碰撞初期向前的位移量；②安全带及安全气囊的点火时间提前；③降低安全气囊质量流动率曲线，减少气囊对胸部的冲击；④保证可压溃式转向管柱正常工作，缓和气囊对胸部的冲击。
按照上述初步方案中的措施，验证方案的效果。通过对比仿真计算结果可以发现，该方案对减小假人胸部压加速度的效果还是比较明显的。
在CAE分析改进的同时，试验的约束系统匹配也在进行。CAE工程师将改进方案反馈给设计部门，经各专业部门的沟通与讨论后，确定该方案的实施，需进行仿真分析与试验验证。
4.1 驾驶员侧和乘员侧假人对标
在车辆正面碰撞事故中，乘员身体各部位伤害频率最高的为头部，其次为胸部，头部的伤害频率为97%，胸部的伤害频率为93%。因此，仿真模型计算所得的假人头部和胸部的动力学响应特性必须与试验所得的动力学响应特性进行对比，以验证整个模型的可靠性。仿真计算结果和试验碰撞的假人头部加速度、胸部加速度对比，如图21-23所示[6]。
从驾驶员侧头部、胸部的加速度分析，试验与仿真的变化趋势一致，峰值大小分别相差8g和5g，原因是安全气囊的压力和安全带的织带特性对假人头部伤害以及躯干运动姿态的影响最大。而乘员侧的加速度与驾驶员侧运动趋势一致，峰值大小相差7g，原因同驾驶员侧一样[7]。
进行对比，如表1、表2及表3所示，结果表明计算误差都在10%以内，仿真模型具有较高的逼真度。
4.2 假人运动姿态对标
在整个碰撞过程中，有限元的假人运动都受到了约束系统较好的控制。为便于观察假人碰撞保护的全过程，分别对39ms、48ms、60ms和81ms的运动轨迹来分析假人运动姿态。从这4个时刻来看，试验与仿真的假人与安全气囊接触时刻以及假人的运动姿态都基本一致，验证了仿真模型的有效性，如图24-27所示。
按照法规要求所考察的指标，通过后处理软件计算获得了商业假人的伤害值，具体指标是指头部与胸部的加速度、头部伤害指数HIC、胸部性能指标THPC、大腿性能指标FPC，及小腿性能指标，试验与仿真结果数据对比如表4所示。通过两者对比发现，分析结果较为接近。
由表4和图28可知，试验与仿真的胸部和小腿得分存在较小差异。引起胸部差异的原因是安全带限力值和预紧器参数不同；而引起小腿的差异是仪表板的刚度所致。从两者正面碰撞的伤害值得分表明，计算误差都在6%以内，仿真模型具有较高的可信度。
综上所述，在约束系统达到最优状态时，正面碰撞假人得分能够满足C-NCAP四星目标要求，可作为后期约束系统的优化改进。
4.3 影响正面碰撞乘员约束系统的对标因素
通过调试约束系统的对标模型发现，与假人接触的零件较多，约束系统对周围的环境较为敏感，任何区域的疏忽和处理不合理，都能影响约束系统的对标失败，模型调试过程中涉及到修改的参数如下：
（1）？在车身结构试验与仿真的对标基础上进行约束系统对标，减少结构件变形对约束系统的影响。
（2）？改变气囊气孔面积以优化气囊的压力。气囊的压力是对假人头部伤害以及躯干运动姿态影响最大的因素。 （3）？增加气囊拉带长度使假人头部与气囊的接触时间和试验一致。
（4）？座椅的形状和刚度会影响假人的运动。
（5）？小幅度调整假人小腿和脚的位置。
（6）？仪表板和空调系统内部零件的缺失，仅有表面，要表现内部特征较为困难，因此该区域刚度表现不真实，通过调整壳单元的厚度来增大刚度，这些都会影响腿部对标精度。
（7）？调整滑环单元的摩擦系数，从而优化安全带的力。
（8）？优化了预紧装置的峰值力和卷收器的锁止长度。
5 结语
（1） 基于车身结构的试验与仿真对标结果，可减少车体变形对约束系统的影响，使有限元的乘员约束系统对标更合理、更有效。
（2） 通过仿真与试验对比，采用有限元的乘员约束系统数值模拟方法，能较真实地反映出试验碰撞过程，具有较好的实际工程应用价值。
（3） 通过约束系统良好的对标情况，得出对正面碰撞乘员约束系统的影响因素，然后利用相关零部件试验，进行零部件的对标，使约束系统的试验与仿真对标更精确。
（4） 采用有限元的乘员约束系统可以很好地预测和评估车身结构的抗撞性、人体的伤害指标，极大的减少了实车碰撞试验次数，节约大量研发成本，缩短开发周期，对设计具有重要意义。
致谢
感谢华晨汽车工程研究院从事碰撞CAE分析和试验的同事提供帮助和试验数据，使本论文得以顺利完成。
参考文献
1 王宏雁，肖凡，带乘员及约束系统汽车正面碰撞的有限元法仿真研究[J]. 安全与环境学报，2004（4）.
2 吴沈荣，汽车碰撞仿真分析理论与技术，恒士达培训，2012.
3 Richard brown， David Coleman， Ian Bruce， Simplified FE Simulation of Frontal Occupant Restraint Systems [J]， 7th European LS-DYNA Conference.
4 王志涛， XX车型正面碰撞仿真与试验对标分析报告[R]. 华晨汽车工程研究院，2012.
5 LS-DYNA KEYWORD USER’S MANUAL [M]. May 2007 Version 971. Livemore Software Technology Corporation， 2011
6 曹立波，喻伟雄，白中浩，蒋彬辉，吴俊，基于正面碰撞防护的SUV车辆乘员约束系统优化[J]. 中国机械工程2011（3）.
7 XX车型正面碰撞CAE项目分析报告[R]. 华晨汽车工程研究院，2012（3）
关键词：有限元方法；正面碰撞；乘员约束系统；对标；影响因素
1 引言
汽车被动安全性研究中最直接的方法是进行实车碰撞试验。但实车碰撞试验费用昂贵、周期长、重复性差，不利于车型开发的成本和质量控制。运用计算机仿真分析模拟整车碰撞过程，不仅可以弥补上述缺陷，并且能够在设计过程中、样车完成前预测和优化车辆的碰撞安全性能，指导汽车结构设计开发。
20世纪80年代后期，车辆碰撞的计算机模拟在汽车技术发达国家开始兴起，基于高性能计算机的出现及碰撞理论、材料理论、有限元理论、多刚体动力学系统等理论的发展完善而迅速发展。
国内的车辆碰撞计算机模拟研究始于90年代中期。近 30年来，整车及乘员约束子系统在碰撞条件下的CAE仿真分析取得很多成就。其中前10年是建模方法和基本应用，而后17年是更广泛的应用和更复杂的分析。后17年的不足之处：①精度的提高有限，一些难题很少有进展；②基本上仍然是验证性的实践；③还很难做到预测计算[1-2]。
传统上，正面碰撞的模拟已进行使用了多体参数动力学软件。但在这个过程中，多体不能完全被预测，要依赖于试验来调试CAE模型。它是用于目标设置，碰撞后的调试，以及快速连续的比较。近些年，可预测有限元模拟软件已成为一个不可或缺的工具，它是基于详细的几何和材料属性零部件和系统的开发。这已经能够增加约束系统和假人的模拟精度。
目前，多体和有限元方法通常两者都是并行使用，图1展示了它们在系统调试到零部件开始如何关注于不同零件的范围。它们之间的间隙表示在参数环境下复杂几何的考虑[3]。
本文将FTSS的有限元假人引进整车有限元模型中，使用LS-DYNA求解器进行求解。考察在发生正面碰撞时，约束系统对乘员安全性能的保护，这样就能更真实、完整地反映出碰撞时乘员的运动响应，从而做出更直观、可靠的评价。
2 整车碰撞试验与仿真对标
2.1 整车及车身局部变形对标
图2和3为整车试验与仿真分析的对比，结果显示，在碰撞过程中，机盖产生弯折，左前车门、A柱及门槛均未发生较大变形。两者变形趋势基本一致。
从试验和仿真车身局部细节表现来看，在左纵梁A和A′及右纵梁B和B′区域产生相同的弯曲变形。试验与仿真在结构件的变形有较好的一致性，如图4-7所示。
2.2 整车加速度对标
通常试验与仿真中加速度传感器布置均在车体左B柱下端位置，用该处的加速度作为评价整车的安全性能重要指标之一。根据试验与仿真加速度的对比，两者的峰值大小和时刻吻合度都较好，如图8所示。
从图8的曲线可以看出：
（1） 在整车碰撞过程中，前横梁碰撞性能是比较关键的。通过对前横梁刚度的控制，在0-12ms时间段的峰值大小能够与试验较为接近，趋势基本一致。
（2） 吸能盒和前纵梁的变形模式与试验状态基本一致。在12-30ms时间段，加速度波形的走势与试验状态较为接近。
（3） 副车架材料失效都发生在螺栓位置，通过设置该结构的失效时刻，在35ms-50ms的峰值仍有差异，但趋势是一致的。造成差异的因素其主要有二个，其一是失效时间，通过手动去调整的失效时间来得到与试验接近的结果；其二是失效的方式，试验中，材料的失效方式都是发生在悬置支架上，它可以持续一段时间，而在仿真中，模型只能设置的失效方式是发生在一瞬间，两者有所区别[4]。
为了便于观察整车运动响应，在试验与仿真相同的位置布置加速度传感器，位置分别是变速器上部及中央通道后部。通过试验与仿真前部和后部的加速度对比可知，两个位置的运动趋势基本一致，加速度吻合较好，如图9-10所示。
综上所述，基于现有试验数据分析，试验与仿真对标的一致性较高，为约束系统的开发奠定基础。
3 整车正面碰撞约束系统模型的建立
有限元假人约束系统的模型是在整车结构对标基础上完成，增加驾驶员侧与乘员侧的假人和安全气囊，定义安全带及其附件，如织带的刚度、预紧特性、卷收器的卷轴特性、限力特性参数和滑环等，如图11-16所示，这些数据是由供应商提供，并完善转向管柱、方向盘、仪表板、气囊模块、踏板和风挡玻璃等部件，以适用于约束系统分析。
根据供应商提供的安全气囊尺寸参数、物理参数、气囊起爆时间及气囊的压力随时间曲线，建立LS-DYNA环境下的安全气囊。将气囊缩放到合适的大小并安装在模型中，然后定义气囊的参考几何，从而保证气囊起爆后的几何尺寸，如图17和18所示。
该车型使用LS-DYNA中的HYBRID_JETTING气囊关键字，HYBRID气囊最多允许同时充入8种气体，分别定义每种气体的充入质量流曲线，定义泄气孔面积，定义外部环境的压力、温度、密度，定义气体发生器的喷射方向及角度等，如图19-20所示[5]。
驾驶员侧气囊和乘员侧气囊使用同一种方法计算，分别根据实际情况调整质量流曲线和泄气孔面积。
4 有限元的乘员约束系统仿真分析与试验验证
在整车碰撞对标基础上进行有限元假人约束系统的分析，考察约束系统对乘员的伤害情况。经CAE分析得出，假人胸部伤害过大，主要原因是假人与方向盘距离太近，导致与安全气囊过早接触。但由于结构已经基本定型，改变假人与转向盘的距离困难比较大。因此，从削弱假人与气囊的接触这个方向进行考虑。根据以上思路制定以下初步方案：①增强安全带的预紧效果，减少假人在碰撞初期向前的位移量；②安全带及安全气囊的点火时间提前；③降低安全气囊质量流动率曲线，减少气囊对胸部的冲击；④保证可压溃式转向管柱正常工作，缓和气囊对胸部的冲击。
按照上述初步方案中的措施，验证方案的效果。通过对比仿真计算结果可以发现，该方案对减小假人胸部压加速度的效果还是比较明显的。
在CAE分析改进的同时，试验的约束系统匹配也在进行。CAE工程师将改进方案反馈给设计部门，经各专业部门的沟通与讨论后，确定该方案的实施，需进行仿真分析与试验验证。
4.1 驾驶员侧和乘员侧假人对标
在车辆正面碰撞事故中，乘员身体各部位伤害频率最高的为头部，其次为胸部，头部的伤害频率为97%，胸部的伤害频率为93%。因此，仿真模型计算所得的假人头部和胸部的动力学响应特性必须与试验所得的动力学响应特性进行对比，以验证整个模型的可靠性。仿真计算结果和试验碰撞的假人头部加速度、胸部加速度对比，如图21-23所示[6]。
从驾驶员侧头部、胸部的加速度分析，试验与仿真的变化趋势一致，峰值大小分别相差8g和5g，原因是安全气囊的压力和安全带的织带特性对假人头部伤害以及躯干运动姿态的影响最大。而乘员侧的加速度与驾驶员侧运动趋势一致，峰值大小相差7g，原因同驾驶员侧一样[7]。
进行对比，如表1、表2及表3所示，结果表明计算误差都在10%以内，仿真模型具有较高的逼真度。
4.2 假人运动姿态对标
在整个碰撞过程中，有限元的假人运动都受到了约束系统较好的控制。为便于观察假人碰撞保护的全过程，分别对39ms、48ms、60ms和81ms的运动轨迹来分析假人运动姿态。从这4个时刻来看，试验与仿真的假人与安全气囊接触时刻以及假人的运动姿态都基本一致，验证了仿真模型的有效性，如图24-27所示。
按照法规要求所考察的指标，通过后处理软件计算获得了商业假人的伤害值，具体指标是指头部与胸部的加速度、头部伤害指数HIC、胸部性能指标THPC、大腿性能指标FPC，及小腿性能指标，试验与仿真结果数据对比如表4所示。通过两者对比发现，分析结果较为接近。
由表4和图28可知，试验与仿真的胸部和小腿得分存在较小差异。引起胸部差异的原因是安全带限力值和预紧器参数不同；而引起小腿的差异是仪表板的刚度所致。从两者正面碰撞的伤害值得分表明，计算误差都在6%以内，仿真模型具有较高的可信度。
综上所述，在约束系统达到最优状态时，正面碰撞假人得分能够满足C-NCAP四星目标要求，可作为后期约束系统的优化改进。
4.3 影响正面碰撞乘员约束系统的对标因素
通过调试约束系统的对标模型发现，与假人接触的零件较多，约束系统对周围的环境较为敏感，任何区域的疏忽和处理不合理，都能影响约束系统的对标失败，模型调试过程中涉及到修改的参数如下：
（1）？在车身结构试验与仿真的对标基础上进行约束系统对标，减少结构件变形对约束系统的影响。
（2）？改变气囊气孔面积以优化气囊的压力。气囊的压力是对假人头部伤害以及躯干运动姿态影响最大的因素。 （3）？增加气囊拉带长度使假人头部与气囊的接触时间和试验一致。
（4）？座椅的形状和刚度会影响假人的运动。
（5）？小幅度调整假人小腿和脚的位置。
（6）？仪表板和空调系统内部零件的缺失，仅有表面，要表现内部特征较为困难，因此该区域刚度表现不真实，通过调整壳单元的厚度来增大刚度，这些都会影响腿部对标精度。
（7）？调整滑环单元的摩擦系数，从而优化安全带的力。
（8）？优化了预紧装置的峰值力和卷收器的锁止长度。
5 结语
（1） 基于车身结构的试验与仿真对标结果，可减少车体变形对约束系统的影响，使有限元的乘员约束系统对标更合理、更有效。
（2） 通过仿真与试验对比，采用有限元的乘员约束系统数值模拟方法，能较真实地反映出试验碰撞过程，具有较好的实际工程应用价值。
（3） 通过约束系统良好的对标情况，得出对正面碰撞乘员约束系统的影响因素，然后利用相关零部件试验，进行零部件的对标，使约束系统的试验与仿真对标更精确。
（4） 采用有限元的乘员约束系统可以很好地预测和评估车身结构的抗撞性、人体的伤害指标，极大的减少了实车碰撞试验次数，节约大量研发成本，缩短开发周期，对设计具有重要意义。
致谢
感谢华晨汽车工程研究院从事碰撞CAE分析和试验的同事提供帮助和试验数据，使本论文得以顺利完成。
参考文献
1 王宏雁，肖凡，带乘员及约束系统汽车正面碰撞的有限元法仿真研究[J]. 安全与环境学报，2004（4）.
2 吴沈荣，汽车碰撞仿真分析理论与技术，恒士达培训，2012.
3 Richard brown， David Coleman， Ian Bruce， Simplified FE Simulation of Frontal Occupant Restraint Systems [J]， 7th European LS-DYNA Conference.
4 王志涛， XX车型正面碰撞仿真与试验对标分析报告[R]. 华晨汽车工程研究院，2012.
5 LS-DYNA KEYWORD USER’S MANUAL [M]. May 2007 Version 971. Livemore Software Technology Corporation， 2011
6 曹立波，喻伟雄，白中浩，蒋彬辉，吴俊，基于正面碰撞防护的SUV车辆乘员约束系统优化[J]. 中国机械工程2011（3）.
7 XX车型正面碰撞CAE项目分析报告[R]. 华晨汽车工程研究院，2012（3）