正面碰撞下电动汽车驾驶员腿部伤害优化

基于2021版C-NCAP (China-New Car Assessment Program)，对某款新能源SUV进行正面100%重叠刚性壁障碰撞试验(50FRB)，通过50FRB试验提取驾驶员假人的伤害曲线结果显示假人小腿伤害超标。针对这一问题采用Hyperworks和Primer软件搭建该车型约束系统有限元模型，用LS-DYNA非显性动力学求解器进行运算求解，并将仿真结果与试验结果进行对标。以对标合格的有限元模型为基础，根据分析结果选取优化参数，对安全带限力值，安全带点火时间，假人与座椅发泡之间的摩擦系数，假人与地毯摩擦系数这4个参数采用正交试验设计的方法进行优化，探寻出最优的设计方案。根据优化方案可知，优化后驾驶员假人小腿指数TI (Tibia Index)下降了29.63%，小腿压缩力(Tibia FZ)下降了31.75%。

随着化石能源的消耗量日益增加，为了保护国家的能源安全，我国开始大力推广新能源汽车。以电动汽车为主要代表的新能源汽车逐步替代传统燃油汽车，新能源汽车的各种安全问题如电池包自燃，自动驾驶安全性等一直困扰着消费者[1]。汽车动力提供方式由传统燃油向新能源电池转型，新能源电动汽车碰撞事故频发再次引起人们对汽车碰撞安全的高度重视。由于电动汽车需要搭载质量较大的锂电池模组，直接导致了整车的质量增加，在碰撞发生时对电动汽车车身结构耐撞性和约束系统的乘员保护能力都提出了更加严苛的要求[2]。

在正面碰撞项目开发中驾驶员头部和胸部的伤害评分占比较高，主流的研究成果都是基于胸部和头部的伤害分析，只有很少一部分研究针对腿部伤害，例如江苏大学肖建中对乘员的安全带预紧限力进行了分析和研究，使用Hybrid 系列中50th 假人进行正交优化得出最优乘员保护组合；Nie Bingbing 研究了膝部安全气囊(KAB)在汽车正面碰撞中对乘员保护的作用， 进一步肯定了KAB 的实用性[3]。

正面碰撞给乘员腿部带来的伤害不可忽视，很多乘员的腿部受伤后恢复较慢，严重者甚至落下终身残疾。本文以某款新能源SUV 为例， 针对电动汽车正面约束系统开发项目过程中面临的驾驶员的胫骨指数和小腿压缩力超标问题即该款SUV 的前期试验显示主驾驶胫骨指数(Tibia Index)和小腿压缩力(Tibia FZ)高于2021 版C-NCAP (China-New Car Assessment Program)新车评价规程的高性能值0.4 和2 KN。

通过建立LS-DYNA约束系统CAE 模型，对模型的设计参数使用正交试验设计的方法进行优化，最终寻找更优的设计方案， 并用于后续的项目开发。

2. 约束系统模型建立和验证 2.1. 约束系统模型搭建 基于整车几何数据创建LS-DYNA 约束系统模型，为了减小后续仿真求解的时间，需对模型进行必要的简化。在本文的SUV 正面碰撞主驾约束系统模型中包含了白车身、地毯、制动和加速踏板、转向系统、仪表板、座椅、气囊、安全带和假人[4]。其中白车身模型可进行适当的简化和修改，通常只