安全帶織物寬度對乘員保護效果的影響

高峰　韓嘯　劉雪姣　劉昕耀

摘 要：文章講述了安全帶織物寬度對乘員保護效果的影響。通過使用特殊編織方法，可以在碰撞事故發生時，使安全帶在拉伸過程中變寬，增大和乘員的接觸面積。通過仿真調整織帶寬度，驗證對假人主要傷害指標的影響，評價設計思路實際保護效果，為安全帶實現更好的約束效果提供參考。研究基于仿真軟件的THOR假人進行分析，對不同位置的肋骨位移進行了考察，結果顯示織帶變寬對假人傷害指標有空間位置上的分攤作用，對胸部變形量有一定的改善。

關鍵詞：仿真分析 安全帶 乘員保護 THOR假人

1 引言

車輛被動安全中的乘員保護，主要是指車輛在發生碰撞事故時，使用約束系統限制車內乘員運動，避免其受傷或降低傷害程度。其中，安全帶是約束系統重要的一個組成部分，安全帶的約束性能對整個安全系統來說非常重要。

約束系統對車內乘員的保護，整體來說是個吸收能量的分配過程。首先應盡量使乘員碰撞能量被車身和約束系統吸收。而剩下必須由乘員吸收的部分，則應盡量在空間和時間上平均分配，避免最嚴重的傷害。目前市場上大部分車型都會配備預緊限力式安全帶，其預緊和限力等功能可以在時間上對能量吸收過程進行平均分配。而能量吸收在空間上的平均分配策略還會復雜一些，一方面，載荷加載一般只能集中在一定區域，另一方面，乘員身體各部位可承載載荷的強度，受傷時的致命性都有差別。在空間上分配約束加載，是希望對載荷相對較小或者承受力相對較強的部位增大載荷，降低載荷集中或者傷害情況最惡劣位置所受的傷害。

近年來，隨著乘員保護水平的發展，進一步改進的技術要求也更加嚴格和合理。出現了新的法規、標準和配套設施。THOR假人就是最近幾年開發的一款新型碰撞假人，目前在C-NCAP中用于MPDB工況前排駕駛員的傷害值評價。其特點之一就是分解了胸部傷害的整體變形量評價，改為四個不同位置的肋骨變形量，考察假人不同位置的傷害情況。這種分解的評價方式更好地關注乘員局部傷害的情況，有助于降低乘員受到的實際傷害。而應對這種評價方法的變化，也需要我們為約束系統找到更好的保護方法。

2 產品設計思路

從設計思路上講，增大載荷受力面積，有助于降低局部所受的集中載荷，更大的織帶寬度對分攤載荷能量有幫助。但是，國標對安全帶寬度有明確要求。同時，安全帶是一種相對成熟，平臺化的產品，出于成本考慮，也應盡量沿用原有的配件規格，所以難以直接增加織帶寬度。目前可以通過特別的織帶編織方法使織帶受拉伸作用力時寬度變大，在碰撞過程中臨時增加寬度和假人受力面積。

按照上述思路，建立仿真模型對假人保護效果進行驗證。由于在仿真分析過程中，可以對織帶周邊的零部件進行抽象化處理，不會因寬度變化產生運動阻礙。所以理想情況下，可以直接增大織帶的寬度進行分析，忽略織帶受力變寬過程。

仿真分析結果表明，較大的織帶寬度可以在假人不同身體位置上分攤傷害，并起到降低最大傷害的作用。從這個結果看來，使用更寬的織帶，對于改善假人傷害是有好處的，碰撞時變寬的織帶也會產生類似的效果，有利于對乘員的保護。

3 仿真驗證

3.1 仿真模型的建立

使用仿真軟件進行安全帶系統仿真技術研究。仿真模型使用加速度滑臺試驗工況進行搭建，加速度滑臺是對碰撞工況的一種簡化試驗方式，經坐標變換后可以看作等效于實車碰撞工況。參數設置參照GB14166-2013標準要求進行，使用THOR 50th男性假人、剛性座椅，預緊限力式安全帶卷收器，某知名主機廠某車型的坐標點和碰撞波形。利用有限元方法模擬安全帶織帶、假人、座椅等零部件系統，其中安全帶織帶寬度原方案為47.5mm，優化方案胸部附近織帶寬度增加到60mm。

仿照實際試驗假人佩戴安全帶的情況生成安全帶織帶有限元模型，假人姿態、安全帶固定點位置等決定了織帶和假人相對位置?？棊Ш屠吖莻鞲衅鞯南鄬ξ恢脤ζ渥冃瘟看笮∮绊懞艽?。如圖1所示，仿真模型中織帶與右下肋骨傳感器位置最近，左上和右上傳感器距離稍遠一點，離左下傳感器位置很遠。

3.2 仿真分析結果

3.2.1 假人運動趨勢

根據GB14166-2013標準選取參考點，在滑臺仿真結果動畫中測量骨盆/軀干位移曲線。如圖所示，織帶寬度變化前后假人運動趨勢大致相同，沒有明顯差異。安全帶拉出量也變化不大。

3.2.2 安全帶力值曲線

由于安全帶織帶和滑環、假人等有摩擦作用，各段之間其內部張力有很大差異。如圖3所示為仿真分析得到的安全帶各位置力值曲線對比。如圖所示，安全帶織帶寬度增加后，織帶各位置處張力基本沒有變化。

剛座椅滑臺車身不吸能，安全帶吸收能量和織帶張力和拉出量有關。由于二者都沒有明顯變化，所以安全帶吸能總量大致不變，假人吸能總量也可以認為基本不變，寬度變化僅影響局部位置載荷分布。

3.2.3 假人傷害值（肋骨變形量）

肋骨變形量是假人傷害值一個重要的評價指標，也是通常最常見的一個失分指標。其評價對象包括假人胸腔內不同位置的四個肋骨變形量（傳感器位置見圖1），最終評分取決于傷害值最高（評分最低）的一個位置。

分析結果顯示，織帶寬度變化前后，都是右下肋骨傷害值最高。如圖4所示，相比基礎方案（帶寬47.5mm），織帶加寬后（帶寬60mm）假人右下肋骨變形量有所降低，可以有效改善總體評分。

基礎方案左上肋骨傷害值僅次于右下，雖然對評分沒有貢獻，但也可以看出一定變化趨勢。

如圖5所示，織帶加寬后左上肋骨傷害值也有所降低，降低幅度相對于右下位置更加明顯。

圖6為右上肋骨傷害值對比，基礎方案右上肋骨傷害值低于左上，位居第三，屬于較小的一個。但織帶加寬后，傷害值有所升高，說明其承受了更多載荷。右上位置傷害值升高后超過了左上位置，小于最大的右下位置，傷害值上升到第二位。

如圖7，左下位置肋骨傷害值遠遠低于其它三根，加寬后變化不明顯，無實際意義。

仿真結果顯示，在假人佩戴的安全帶織帶附近區域，安全帶的變化對局部假人傷害值變化有一定影響?？棊挾仍龃髸r，原來傷害值較大位置的局部傷害有所減小，而較小的局部傷害有所增大?？傮w來說，有將較大傷害向較小位置轉移的分攤作用，對降低局部集中載荷有積極作用。

4 結論

本文研究了使用不同寬度安全帶織帶，對碰撞過程中假人身體局部載荷空間分配的影響。通過使用更寬的織帶，增加安全帶和假人的接觸面積的方法，將局部較大的載荷分配到更大的區域，由原來傷害值較小的區域分擔一部分傷害，從而降低最惡劣位置的傷害值。仿真分析結果顯示，織帶寬度改變的結果可以影響到相應位置的傷害值大小，變化規律和設計思路基本一致，可以在一定程度上起到分攤載荷和降低最大傷害值的作用。