基于THUMS模型的正碰后排乘员损伤分析与约束系统优化

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后排乘员的乘坐环境较为复杂,后排约束系统需兼顾各个年龄段和不同身型乘员的安全性。目前,各国新车评价规程对前排乘员安全性的关注度更高,使得车企在前排配置了更为先进的约束系统,而后排约束系统配置相对简单,且不具备配置安全气囊、护膝板的条件;碰撞试验中后排假人通常为5百分位女性假人和儿童假人(如C-NCAP、Euro-NCAP及J-NCAP),缺乏对中、大型身材乘员安全性的考究,以上这些情况都使得后排乘员安全性面临严峻的挑战。针对这一挑战,本文根据某车型C-NCAP正面100%碰撞试验数据,建立该车后排有限元约束系统模型并验证其有效性;在同一工况及约束系统配置下,将5百分位女性假人分别替换为THUMS 50百分位假人和Hybrid-Ⅲ50百分位假人,以此评估该约束系统对中等身型乘员的保护效能,并对比分析THUMS假人和Hybrid-Ⅲ假人在动力学及损伤响应上的差异。然后,基于THUMS假人探究不同安全带配置参数(普通三点式安全带、限力式安全带、预紧限力式安全带及气囊式安全带)对假人损伤的影响,最后结合多项式代理模型及NSGA-Ⅱ遗传算法搭建优化平台,以加权伤害准则WIC为优化目标,对该约束系统进行参数匹配优化以提高其对中等身型乘员的保护效能。研究结果表明:原车型后排约束系统对50百分位乘员保护效果较差,50百分位的THUMS假人和Hybrid-Ⅲ假人头部都与前排座椅发生二次碰撞,两种假人头部会受到AIS4等级的严重损伤,胸部会受到AIS3等级的重伤,且THUMS假人棘间韧带伸长率为202%,颈部也会受到韧带撕裂的损伤;通过对比分析两种假人的损伤响应,验证了THUMS假人在损伤评价上的适用性和全面性。另外,约束系统参数分析显示预紧限力式安全带对胸颈部保护效果最优,佩戴预紧限力式安全带假人的胸部压缩量(32mm)、棘间韧带伸长率(193%)及黄韧韧带伸长率(48.5%)均为四种配置中对应损伤指标的最小值;普通安全带在约束乘员的同时,使得乘员胸颈部都会受到严重的损伤;气囊式安全带对头部的保护效果最优,其头部HIC15(566)、颅内压力(56.6kPa)、颅内等效应力(4.9kPa)及颅骨等效应力(6.6kPa)均比另外三种配置所对应的损伤指标要小,且能有效的降低肋骨骨折风险。为了提高该后排约束系统对50百分位乘员的约束效能,采用NSGA-Ⅱ遗传算法进行后排约束系统的参数匹配优化,使得假人头部HIC15、颅内压力、颅内等效应力及颅骨等效应力分别降低了62.4%、57.5%、32.8%及35.75%,优化目标加权损伤准则WIC值下降了32%,说明了优化方案的有效性,并验证了优化方案能同时兼顾5百分位乘员和50百分位乘员的安全性。
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