摘要：本文分析得出了某车型MPDB碰撞工况和ODB碰撞工况中车身响应和假人伤害值的差异，针对假人胸部压缩量和小腿胫骨指数超标的问题，考虑到白车身设变成本较高，提出了安全带配置优化的5个方案。通过对5个优化方案的仿真结果分析得出，二级限力装置对胸部压缩量具有较大的改善，相对于恒定限力式安全带，递减限力式安全带的胸部压缩量减小了13.1%，递增限力式安全带的胸部压缩量减小了23.9%。锁止锁舌和端片预紧对胸部压缩量和小腿胫骨指数均有较大的改善，锁止锁舌的改善效果优于端片预紧，两者同时配置改善效果最优：胸压减小了21.4%，小腿胫骨指数减小了40.8%。考虑到端片预紧成本较高，推荐配置递增限力式安全带以及锁止锁舌的方案。通过仿真优化，优化效果显著，为后续项目的MPDB碰撞性能提升提供了一种有效的优化思路。
1、前言
根据C-NCAP2021版最新要求，将取消原有的64ODB碰撞工况，采用MPDB新碰撞工况：壁障小车质量为1400kg，壁障小车和被撞车辆均以50km/h速度相对运动，以50%的重叠率相对碰撞。
MPDB与ODB工况差异对比见表1，对比2个工况的碰撞具体细节，可以看出碰撞速度、碰撞方式和前排碰撞假人均有不同。碰撞速度和碰撞方式的改变，直接影响整车的变形模式和假人的伤害值指标。而且MPDB的评价指标中，首次采用了Thor假人，新假人对整车加速度响应和伤害敏感程度也不相同，其中胸部因有上下左右四根肋骨，伤害值的敏感程度大大提升了，对车身结构设计和约束系统设计提出了很大的挑战，加大了C-NCAP试验的得分难度。
某車型开发时，前期白车身和约束系统设计均是基于ODB工况进行优化的，为了应对新工况MPDB，需要进行针对性的设计优化。但因为白车身已经开模，设变成本较高，优先考虑通过约束系统的设计优化来提高MPDB的试验得分，从而满足整车安全性能目标。
2、MPDB与ODB工况的差异分析
2.1车身响应差异
从图1和表2中可以看出，MPDB与ODB工况的加速度波形相差很大，第一峰出现较早，8ms就出现了，而且峰值高于ODB峰值，接近15g。最大峰值远远早于ODB，46ms就出现了，而且最大峰值较小，仅39.9g。两工况间的速度波形也差异很大，MPDB工况回弹时刻较早，在66.4ms就开始回弹了，而ODB工况在88.9ms才开始回弹。
2.2假人伤害值差异
如表3，从假人伤害值得分可以看出，MPDB得分难度更大，胸部和小腿得分均有下降，胸部得分下降了56.8%，小腿得分下降了34.9%。
如图2和表4，具体地分析假人胸部伤害值发现：THOR假人相比HybridIII50%假人而言，胸部左右上下肋骨各有一个传感器，假人右上胸部变形量超出高性能限值较多，导致胸部得分仅1.33，低于得分目标3.1，需要具体分析原因，进行胸部优化。同时具体分析假人小腿伤害值发现：左上和右上小腿胫骨指数均超出了高性能限值，特别是右上小腿胫骨指数超出高性能限值较多，导致小腿得分仅1.24，低于得分目标2.5，需要具体分析原因，进行腿部优化。
3、假人伤害值优化
3.1优化方案提出
假人胸部变形量[1]公式如下：
kD=FSb（outer），x+FSb（inner），x+Fairbag，x。结合图3，通过理论分析可以看出，胸部变形量主要受到安全带肩带力，气囊作用力和胸部刚性系数的影响。如图4，通过对胸部变形量和安全带受力曲线的分析发现，胸部变形量峰值出现在65-70ms，安全带肩带力峰值位于60ms，通过观看录像发现气囊与驾驶员头部、胸部接触在55-60ms，所以胸部伤害值在0-60ms区域主要受安全带影响，60-80ms由安全带、气囊共同影响，所以需要优化胸部伤害值，可以通过优化安全带的方式实现。
假人小腿胫骨指数公式如下：
TI=|MR/225|+|FZ/35.9|。通过对小腿胫骨指数公式分析发现，小腿胫骨指数主要受到小腿压缩力和小腿弯矩的影响，结合图5，通过理论分析得出，压缩力和弯矩都受到前围侵入量和假人前移量的影响。在白车身已经开模，更改成本较高的前提条件下，优先考虑通过对约束系统的优化减小假人前移量，而因为气囊主要作用于假人上躯干，对假人前移量的优化作用有限，所以优先考虑优化安全带配置来减小假人前移量。
目前安全带的方案是单预紧限力安全带，配置卷收器预紧和恒定限力，为了优化胸部压缩量，可以将恒定限力改为二级限力，一种先高后低或先低后高的限力式卷收器，配合气囊展开，降低对假人胸部的整体约束力。
同时为了减小假人前移量，配置锁止锁舌和端片预紧都是常用的方案。锁止锁舌包括壳体和夹紧装置，车辆正常行驶时，安全带从壳体中穿过，夹紧装置滑动至放松位置;车辆发生碰撞时，腰带力达到限值，夹紧装置作用，夹紧安全带从而阻断肩带和腰带之间的滑移，限制骨盆的前移量同时减小肩带力。端片预紧包括气体发生器组件和拉紧组件，汽车发生碰撞时，气体发生器点火作用于拉紧组件，通过拉绳向下拉紧锁钩及织带，从而在假人向前运动之前，消除腰带与假人腹部之间的间隙，配合卷收器预紧消除肩带与假人上躯干之间的间隙，从而减小假人前移量。
综上所述，确定安全带5个优化方案如下表5所示：
3.2建立仿真模型
根据C-NCAP要求，运用MADYMO建立某车型MPDB碰撞仿真模型[2]，模型包含假人、前排座椅、前围地板、安全带系统和气囊系统。假人模型为THOR假人，并根据实际参数对假人进行定位。将实车碰撞波形作为模型的加速度场，通过MOTION.JOINT_ACC将左下B柱加速度波形加载到主驾的车体模型上，将右下B柱加速度波形加载到乘客的车体模型上。
3.3假人伤害值优化结果分析
3.3.1限力方式的优化情况
仿真结果如图6所示。图6.1是在三种不同限力方式下的肩带力曲线，从曲线上可以看出，限力器从第20ms开始发生作用，恒定限力安全带CLL的肩带力在60ms左右达到峰值，峰值为5000N左右。递减限力安全带DLL的肩带力在55ms左右达到峰值4800N左右，保持约15ms后开始下降，在75ms左右进入二级限力阶段，肩带力约3800N。递增限力安全带PLL的肩带力在50ms时达到3800N，保持约15ms后开始上升，在70ms时进入二级限力階段，肩带力达到峰值4800N左右。
图6.2-6.4显示了假人头部、颈部、胸部伤害指标的对比情况，可以看出，递减限力式安全带DLL[3]的总体表现要优于其它两种安全带。对于头部加速度、颈部力和胸部压缩量，三种安全带对应曲线的变化趋势基本一致。
如图6.2和表6所示，递增限力式安全带PLL的头部加速度高于恒定限力式安全带CLL，增大了9.5%，而递减限力式安全带DLL的头部加速度明显低于恒定限力式安全带CLL，减小了28.4%。
如图6.3和表6所示，递增限力式安全带PLL的颈部力高于恒定限力式安全带CLL，增大了16.2%，而递减限力式安全带DLL的颈部力明显低于恒定限力式安全带CLL，减小了18.5%。
如图6.4和表6所示，二级限力式安全带的胸部压缩量均低于恒定限力式安全带，递增限力式安全带PLL的胸部压缩量最低，比恒定式减小了23.9%，递减限力式安全带DLL的胸部压缩量也较低，比恒定式减小了13.1%。
综上所述，递减限力式安全带DLL对假人头部和颈部的保护作用优于其它限力形式的安全带，而递增限力式安全带PLL对假人胸部的保护作用优于其它限力形式的安全带。当头部和颈部伤害值相对高性能限值仍有较大余量时，建议优先选用递增限力式安全带PLL，降低假人胸部压缩量，提高总体得分率。当头颈胸部伤害值均需要降低时，建议优先选用递减限力式安全带DLL，降低假人头颈胸部伤害值，提高总体得分率。
针对本文所述车型的仿真结果而言，配置三种限力形式的安全带，头部和颈部伤害值相对高性能限值仍有一定的余量，则优先选用递增限力式安全带PLL，胸部压缩量由51.66mm优化至39.32mm，胸部得分3.3，达到得分目标。
3.3.2锁止锁舌和端片预紧的优化情况
仿真结果如图7所示，从图7.1肩带力曲线可以看出，限力器从第20ms开始发生作用，原始安全带R的肩带力在60ms左右达到峰值，峰值为5000N左右。配置端片预紧器PLP的安全带肩带力提前5ms达到峰值，在55ms左右达到4800N左右，维持45ms。配置锁止锁舌CLT的安全带肩带力明显下降，在50ms左右达到3800N左右，维持45ms。同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧器PLP时，起到综合作用，安全带肩带力在45ms左右达到3800N左右，维持50ms。
从图7.2腰带力曲线可以看出，配有锁止锁舌CLT时，由于阻止了肩部与腰部之间的织带传递[4]，腰带力值明显上升，上升幅度达15.4%。配有端片预紧器PLP时，腰带力25ms左右出现第一峰值，最大峰值明显下降，下降幅度达8.3%。同时配有锁止锁舌CLT和端片预紧器PLP时，起到综合作用，较单独配置CLT时峰值有所下降，相对原始状态腰带峰值上升6.5%。由此可以看出：锁止锁舌CLT阻止了织带的传递，导致腰带力值上升，CLT作用后对假人约束效果明显提升。端片预紧PLP对腰带力值有明显的改善，提前实现对假人的约束。
图7.3和7.4显示了假人胸部和小腿伤害指标的对比情况，可以看出，同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧器PLP的安全带，其总体表现要优于其它三种安全带。
如图7.3和表7所示，配有锁止锁舌CLT时，对假人胸压改善明显，下降幅度高达18.5%，配有端片预紧PLP时，对假人胸压的改善作用相对较小，下降幅度为11.1%，两者同时配置时，对假人胸压改善效果最优，下降幅度高达21.4%。由此得出：锁止锁舌CLT对假人胸压的改善效果优于端片预紧PLP。
如图7.4和表7所示，配有锁止锁舌CLT时，对假人小腿伤害值具有明显的改善效果，下降幅度高达28.9%，配有端片预紧PLP时，对于假人小腿伤害值的改善效果也非常显著，下降幅度高达29.1%，两者同时配置，对于假人小腿伤害值的改善效果最优，下降幅度高达40.8%。由此得出：配有PLP和CLT时，均有效地限制了假人的臀部前移，在侵入量不变的前提下，假人小腿受到的力和弯矩显著下降，有效地优化了假人的小腿伤害指标[5]。
综上所述，同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧PLP对假人胸部和小腿伤害值的优化效果最好，锁止锁舌CLT对胸部压缩量的优化效果要优于端片预紧PLP，锁止锁舌CLT和端片预紧PLP两者对小腿伤害值的优化效果相当。根据伤害值目标选用不同的配置，当需大幅提升时，建议同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧PLP，如果只需小幅提升，则优先推荐配置锁止锁舌CLT，效果更优。
针对本文所述车型的仿真结果而言，当配置锁止锁舌CLT时，胸部压缩量优化至42.08mm，胸部得分2.87，没有达到得分目标，小腿胫骨指数优化至0.7262，小腿得分2.55，达到得分目标。当同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧PLP时，胸部压缩量优化至40.62mm，胸部得分3.1，达到得分目标，小腿胫骨指数优化至0.6048，小腿得分3.09，达到得分目标。
4、总结
某车型开发时，前期白车身和约束系统设计均是基于ODB工况进行优化的，为了应对新工况MPDB，试验摸底发现胸部压缩量和小腿胫骨指数超出高性能限值较多，致使胸部和小腿得分较低不满足目标，相对于ODB工况，胸部得分下降了56.8%，小腿得分下降了34.9%，需要进行优化。
通过理论分析得出，胸部伤害值在0-60ms区域主要受安全带影响，60-80ms由安全带、气囊共同影响，所以需要优化胸部伤害值，可以通过优化安全带的方式实现。通过理论分析得出，小腿胫骨指数主要受到前围侵入量和假人前移量的影响，可以通过优化安全带配置来减小假人前移量。
递减限力式安全带DLL对假人头部和颈部的保护作用优于其它限力形式的安全带，而递增限力式安全带PLL对假人胸部的保护作用优于其它限力形式的安全带。相对于恒定限力式安全带CLL，递减限力式安全带DLL的头部加速度减小了28.4%，颈部力减小了18.5%，胸部压缩量减小了13.1%。相对于恒定限力式安全带CLL，递增限力式安全带PLL的头部加速度增大了9.5%，颈部力增大了16.2%，胸部压缩量减小了23.9%。
同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧PLP对假人胸部和小腿伤害值的优化效果最好，锁止锁舌CLT对胸部压缩量的优化效果要优于端片預紧PLP，锁止锁舌CLT和端片预紧PLP两者对小腿伤害值的优化效果相当。配有锁止锁舌CLT时，胸压减小了18.5%，小腿胫骨指数减小了28.9%;配有端片预紧PLP时，胸压减小了11.1%，小腿胫骨指数减小了29.1%;两者同时配置时，胸压减小了21.4%，小腿胫骨指数减小了40.8%。
针对本文所述车型，配置递增限力式安全带PLL时，胸部得分满足目标;配置锁止锁舌CLT时，小腿得分满足目标，同时优化了胸部得分;同时配置锁止锁舌CLT和端片预紧PLP时，胸部和小腿得分均满足目标。考虑到端片预紧PLP成本较高，推荐配置递增限力式安全带PLL以及锁止锁舌CLT，既能满足安全目标，而且性价比最高。
参考文献：
[1]马铁柱.某车正面碰撞车身安全性能研究[D].吉林大学，2012.
[2]洪亮，葛如海，周海超，刘玺.正面碰撞安全带约束系统保护效果的研究，广西大学学报（自然科学版），第41卷第2期，20l6年4月.
[3]StevenE.M.，ArinO.N.，DavisA.H.，AssessingtheEffectsofLoadLimitingRetractorsonOccupantMotion，IRCOBIConference2015，IRC-15-21，2015.
[4]Kuppa，S.，Saunders，J.，andFessahair，O.，RearSeatOccupantProtectioninFrontalCrashes，EnhancedSafetyofVehiclesConference，05-0212，2005.
[5]葛如海，肖建中，张苏秀.汽车安全带预紧限力系统对前排乘员的保护性研究[J].重庆：重庆理工大学学报（自然科学），2018.