台车矩阵与活动之间的交互关系

台车试验涉及白车身试制与内饰件试制的试验。虽然试验对白车身来讲是非破坏性的，但是约束系统在每次试验里都有损耗，仪表板、方向盘、转向柱、安全带、安全气囊都不可以重复使用，因此台车矩阵是样件试制计划和预算估计的另一个重要依据。

台车试验时将白车身、约束系统、内饰件、假人固定在台车平台上，对平台施加一个与实车碰撞相同的碰撞波形，碰撞开始后，用人工点火的方式让气囊系统在希望的那一时刻展开，可以代替实车碰撞考察约束系统的匹配效果，节省实车碰撞的费用和时间（详见第6章内容）。

台车试验时，假定在整车碰撞时控制器里的算法在各种碰撞工况下均能给约束系统提供正确的点火时间，点火控制器算法不在此验证范围之列，因此在台车试验时通常采用人工点火的方式，人为规定约束系统理想的起爆时间，把精力主要放在约束系统的参数调整上，解决约束系统与车体之间的交互耦合作用问题。对人工起爆气囊的时间要求是：乘员上身肢体与气囊接触的时间，应当正好是气袋达到充分展开的那一毫秒。约束系统可调整的参数包括：

（1）气囊外廓包络；

（2）气囊刚度和速度（气体发生器的产气量要求、气囊泄气孔大小、气袋织物的透气性能）；

（3）安全带刚度、限力器阈值调整、安全带预紧器的起爆时间；

（4）方向盘、转向柱的刚度和吸能特性；

（5）座椅的纵向刚度和垂直刚度。

vNF和低速vMF条件下的保护效果都不需要在台车上验证。台车系统试验的主要任务是验证高速碰撞的约束系统保护性能以及在低速碰撞中低伤害风险LRD技术的保护效果。气囊Ⅰ级起爆和Ⅱ级起爆的策略也要在台车试验里加以验证，例如，如果决定用Ⅰ级气囊对32km/h（20mi/h）进行保护，那么就要考证Ⅰ级气囊在25.6km/h（16mi/h）条件下是否力度过强；如果决定用Ⅱ级气囊对32km/h（20mi/h）进行保护，那么就要考证Ⅱ级气囊在56km/h（35mi/h）条件下是否力度过弱。如果觉得用双级气囊应付这么宽泛的保护范围有些吃力，则应考虑是否有必要应用多级气囊。

另外，在设计实车碰撞矩阵时，由于项目预算的限制，表5.14中有些B类和C类的试验不一定要全部进行，可以考虑用台车试验来代替。比较典型的应用是，先用一种尺寸的假人（如50百分位）进行实车碰撞试验，然后用该试验的碰撞减速度波形驱动台车，进行其他尺寸假人（如第5百分位女性和第95百分位男性）的约束系统性能试验。其他的台车替代类别还有：进行不同座椅位置效果的试验，进行有无安全带预紧器效果对比的研究。

如果某个碰撞工况没有进行过实车碰撞，如非对中的柱撞试验，那么就不会有可用的实际波形去驱动台车。如果我们也想验证这种碰撞时约束系统的保护效果，那么可以考虑把该碰撞工况的CAE仿真分析波形作为台车驱动的输入信号进行试验。

由于台车试验过程中不发生车体变形，转向柱、方向盘也没有向内移动，因此台车试验主要的局限性是难以验证车体—约束系统的时空间耦合效应，无法考察空间压缩对乘员伤害的影响。另外，碰撞时的车体姿态对约束系统的作用效果也有重要影响。进行斜角碰撞、偏置碰撞、不偏置柱撞等对称碰撞时，车体要发生远离障碍物方向的摆动，在这个作用下，乘员会在车体内向障碍物的方向偏转。例如，做左侧偏置吸能障碍壁和左侧斜角刚性壁碰撞时，乘员就会往气囊的左侧偏转，这时标准坐姿状态下的气袋包络设计就会失效，如果气袋过小，甚至会让乘员头部滑出气袋之外，造成头部磕碰伤害或者颈部扭转伤害。在非对称碰撞中，左、右前轮的非对称运动会通过转向机反过来带动方向盘转动，如果气袋不是圆形或者不是安装在转向柱中心，也会偏离原来承接乘员头部的姿态，造成保护性能下降。除了横向摆动，碰撞中还经常发生车体向前方的反转运动，因为整车质心的位置一般要高于碰撞力的作用中心。座椅前缘的密度应设计得高于乘坐区的密度，以在碰撞中阻止乘员向前滑行和向下运动（也叫作“下潜”，是对安全带约束非常不利的一种姿态）。碰撞中车体发生翻转运动以后乘员会脱离座椅前缘的约束，使整体姿态更加靠前。以上这些车体碰撞效应在台车里不能真实模拟。另外车体塌陷效应、仪表板向后移动、脚踏板后移等变形影响都没有办法在台车试验里进行评估。近年来也有的台车试验系统增加了前倾系统、斜置功能和脚底板变形系统，模拟偏转、翻滚姿态和内侵变形，缺点是系统过于复杂昂贵。

CAE仿真活动分为整车仿真和约束系统仿真两种。在整车有限元仿真模型中，结合乘员和约束系统、内饰是非常重要的。在这种人—车一体化模型中，可以对车体内侵、内饰变形效应、多种障碍类别影响（如波形影响、偏转效应）、车体—约束系统叠加吸能效应等现象进行直观分析。尽管如此，专门的约束系统优化CAE还是十分必要的。在进行后期约束系统参数优化、多因素交互影响迭代分析时，专门的约束系统模拟软件要比人—车一体化有限元模型快得多。

台车试验可以比整车试验节省费用，但是试验费用仍然很高。在进行台车验证之前最好用CAE工具对计划的约束系统参数调整方案进行预分析，因此要求约束系统CAE仿真范围应当能覆盖所有的台车试验内容。

有些试验条件在台车上也不容易实现，如气囊的高低温性能。以高低温特性表现差异曲线为例（见图5.18），约束系统会有截然不同的表现。从理论上讲，也可以采用调整气体发生器炸药用量的方法，按照气体发生器在高温和低温试验时测得的输出特性曲线特意制作一个可以在室温环境下模仿高温起爆和低温起爆特性的气体发生器，供室温环境下在台车试验里专门模拟约束系统的高低温性能，但是样品制作和需求量会急剧增加试验成本。如果在标准室温状态下，台车试验数据和CAE仿真分析之间已经取得了很好的拟合精度，那么在CAE模型里用改变气体发生器压力的方式来模拟高低温的约束性能是完全可信的。可见，台架试验、台车试验、CAE分析之间是互补和互相支持的关系。

图5.18　气体发生器压力输出随温度的变化

实车碰撞、台车碰撞、CAE模拟的分工关系和信息内容流动见图5.19，在产品开发项目管理过程中可以用来当作协调CAD、CAE试验各方面工作接口的导则。

子系统包括：安全带、气囊、座椅、方向盘、转向柱。

产品设计验证包括6项活动：子约束系统试制与台架验证、约束系统仿真验证、约束系统台车试验验证、整车有限元碰撞仿真验证、整车碰撞验证和样车试制验证，在图5.19中分别用A～F标记，各项活动又分为三大阶段，用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。每项活动在各个阶段的输出内容用“活动−阶段”标注方法表示。以美国208法规系统为例，各个环节的内容如下：

图5.19　实车碰撞、台车试验、CAE验证在三个阶段的交互关系

CAD−Ⅰ：第Ⅰ轮CAD数据，输入碰撞仿真分析环节进行有限元建模。其内容包括车身、底盘、发动机、车轮的整车设计数据。

C−Ⅰ：建立整车碰撞有限元模型。

C−Ⅰ−1：Ⅰ阶段碰撞仿真输出。内容包括与Ⅰ阶段碰撞矩阵内容相适应的碰撞工况分析，检验碰撞波形、车体变形是否与设定目标相符，如果不符，修改结构设计。完成第Ⅰ轮结构修改以后进行第Ⅰ轮试制。为支持表5.19，仿真分析项目的设置如表5.26所示。

表5.26　CAE分析计划

续表

C−Ⅰ−2：约束系统的仿真分析模型可以用多刚体建模，也可以用有限元建模，有时也可以将约束系统和车体建成统一的有限元模型。用什么方式搭建约束系统模型主要取决于具备什么样的乘员模型。如果各类乘员的有限元模型都比较齐备，则将其安装在车体内就会得到非常详尽的综合效应分析结果，例如，车体压缩对乘员的伤害、方向盘后移对约束系统的影响、座椅刚度对乘员姿态的影响、偏置碰撞时乘员对气囊的偏离，这些效应都可以模拟出来。建立这种一体化模型时，除了要求有全系列的乘员模型以外，还要求有子系统的有限元模型，因此在第Ⅰ轮初期分析时很难提供得很详细。最常用的做法是将车体分析和约束系统分析分开，建立两个独立的模型，图5.19就是假设以这种方式工作的。C−Ⅰ−2将有限元车体碰撞的动态响应输出提供给多刚体约束系统模型作为分析输入，对约束系统参数进行初步确认。参数包括安全带刚度、气袋形状、气袋刚度、方向盘与转向柱刚度、座椅刚度、空间布置等要素。

F−1：子系统外特性定义。子系统外特性设计是约束系统的解析设计结果。概念设计阶段解析设计详细过程见第4章内容。

F−2：子系统（安全带、安全带预紧器/限荷器、安全气囊、座椅、仪表板、方向盘/转向柱）的外特性，包括力—位移静刚度特性定义、空间尺寸定义、动态冲击刚度等特性，用于提供约束系统模拟分析的边界条件。如果是前续车型的等同采用件，或者采用车型平台的共用组件模块，则这些特性为已知。

E−Ⅰ：建立约束系统多刚度分析模型，对表5.27所示台车试验矩阵项目进行预分析。

表5.27　试验矩阵

续表

E−Ⅰ−1：用约束系统模拟分析修正概念设计阶段的子系统外特性定义，子系统开始第Ⅰ轮试制。

E−Ⅰ−2：确定各种碰撞工况下的最佳点火时间TTF，在第Ⅰ轮碰撞试验中根据TTF用定时器给约束系统发出点火信号。

F−Ⅰ−1：第Ⅰ轮子系统完成试制以后对外特性进行台架测试，将更精确的外特性参数输入约束系统模拟分析模型中，对约束系统模型进行修正。

F−Ⅰ−2：为第Ⅰ轮碰撞试验提供第Ⅰ轮子系统样件。

F−Ⅰ−3：气体发生器输出、模块盖板设计、折叠方式设计、拉带设计、气袋导向设计均得到确认，为第Ⅰ轮台车试验提供样件。

A−Ⅰ：为第Ⅰ轮碰撞试验提供样车。样车状态手工样件或快速模具样件，虽然工艺性与最终状态有差异，但是材料、几何与设计是完全一致的，焊点的个数、位置、焊点质量也要满足最基本的要求。

B−Ⅰ：第Ⅰ轮实车碰撞试验。现在假设按照表5.21所示的碰撞矩阵执行。

B−Ⅰ−1：观察整车、子结构、子系统在实车碰撞与仿真碰撞之间的差异，对仿真模型的边界条件定义（材料与工艺特性等）进行修正，重新运行仿真碰撞，反复迭代，直到仿真碰撞与实车碰撞响应的一致性满足设计要求。

B−Ⅰ−2：为台车试验提供碰撞波形输入。

B−Ⅰ−3：在有限工况下计算vNF和vMF处的碰撞波形，为传感器算法标定提供输入。

D−Ⅰ：第Ⅰ轮台车试验。

台车试验矩阵以约束系统优化为目标。约束系统的优化次序是：

（1）约束系统空间匹配优化；

（2）制定气囊起爆能量配比和点火阈值策略；

（3）约束系统对多种障碍类别的适应；

（4）约束系统对多种乘员状态的适应；

（5）约束系统的稳健性设计；

（6）在高低温等条件下考察对约束系统极限性能的表现。

第Ⅰ轮台车的试验目的主要是考察约束系统在正面刚性基本碰撞工况中的表现，乘员假人可采用5百分位女性、50百分位男性；如果对应表5.21所示的Ⅰ轮碰撞矩阵，碰撞速度可选13km/h（8mi/h）、19km/h（12mi/h）、26km/h（16mi/h）、32km/h（20mi/h）、35km/h（22mi/h）、40km/h（25mi/h）、48km/h（30mi/h），具体内容可根据表5.21中的项目有选择地进行。

波形复制是指在台车上需要再现某一个实车碰撞工况，这个碰撞波形来源于B−Ⅰ−2。

D−Ⅰ−1：根据仿真模型运算与台车试验之间的响应差异，修正约束系统模型的边界条件定义，重复运行C−Ⅱ模型，使模型精度达到工程标准要求。本车型vEI、vNF和vMF初步确认；约束系统叠加效率分析。

（1）进行生物力学灰区定义，生成Ⅰ轮约束系统灰区策略定义图谱（见表5.20）和起爆逻辑；

（2）生成约束系统配置策略，针对系安全带与不系安全带两种情况，定义对各种尺寸、各种坐姿的乘员在各种碰撞速度下的系统能量分级对策；

（3）制定OOP对策与LRD对策。

D−Ⅰ−2：子系统外特性参数修改建议。

C−Ⅱ：第Ⅱ轮整车碰撞有限元模型，体现了结构更改CAD−Ⅱ−1。

C−Ⅱ−1：CAD−Ⅱ−1更改效果分析及结构优化。

C−Ⅱ−2：考虑了CAD−Ⅱ−1结构更改之后，重新对表5.26计算结构进行更新。在提高分析精度的基础上，观察结构变形及碰撞波形。为台车试验提供更多的关注项目碰撞波形输入，尤其是在整车碰撞矩阵里面不包括的项目。

B−Ⅱ−1：B−Ⅱ试验矩阵参考表5.27。连同C−Ⅱ−2，将所有vNF和vMF处的碰撞波形都提交给传感器进行标定，并完成所有的伤害灰区定义及子系统外特性改进。

B−Ⅱ−2：为台车试验提供修正波形输入。

B−Ⅱ−3：为约束系统仿真提供修正波形输入。

F−Ⅱ−1：通过OOP静态试验；将子系统外特性提供给E−Ⅱ模型。

F−Ⅱ−2：为台车试验D−Ⅱ提供子系统部件。

F−Ⅱ−3：为整车碰撞试验B−Ⅱ提供子系统部件。

D−Ⅱ：第Ⅱ轮台车试验。

在表5.28的基础上，根据B−Ⅱ实车碰撞试验和C−Ⅱ整车仿真结果，进行障碍类别的扩展。将障碍类别扩展到±30°刚性壁、ODB、对中柱撞等类别：

（1）30°FRB：14mi/h、16mi/h、18mi/h、20mi/h、25mi/h。

（2）ODB：12mi/h、15mi/h、18.5mi/h、20mi/h、22mi/h、25mi/h、28mi/h、30mi/h、35mi/h。

（3）CP：12mi/h、14mi/h、16mi/h、18.5mi/h、20mi/h、22mi/h、25mi/h、30mi/h。

在法规规定碰撞条件和关注碰撞工况下计算中间坐姿、常温状态下的乘员伤害，同时考核内饰变形和车体压入变形对乘员伤害的影响。

D−Ⅱ−1：为台车试验D−Ⅱ提供子系统部件。第Ⅱ轮伤害灰区策略修正，在空间几何设计匹配方面冻结设计。起爆强度和灰区策略优化留待在Ⅲ阶段全面验证。

E−Ⅱ−1：根据以下条件修正伤害灰区策略：

（1）检验各种尺寸假人、系与不系安全带、座椅位置、方向盘倾角、坐姿等多种因素组合影响，形成多因素判断点火逻辑定义矩阵。

（2）完成座椅前后位置传感器标定，实行各种起爆策略，例如，5百分位女性乘员用Ⅰ级气囊保护，50百分位男性乘员用Ⅱ级气囊保护；假人靠前时Ⅰ级起爆，假人靠后时Ⅱ级起爆。

E−Ⅱ−2：根据E−Ⅱ仿真修改子系统参数。

C−Ⅲ−2：结合B−Ⅱ−1内容，冻结灰区策略设计和OOP策略设计。

F−Ⅲ−1：完成了在所有vNF和vMF处的传感器点火算法标定；进行传感器灰区与伤害灰区的匹配与校核。进行子系统极限性能静态测试，如测试气体发生器在高低温下的性能偏差，输入E−Ⅲ仿真分析模型中供稳健性检验使用。

E−Ⅲ：第Ⅲ轮约束系统仿真。增加高低温极限等有物理实验难度的边界条件，进行最后的随机性检验。

E−Ⅲ−1：通过了所有伤害灰区边界点的保护效果认证；通过了随机性检验稳定标准。

D−Ⅲ：对伤害灰区—传感器灰区的冲突进行平衡。

B−Ⅲ：所有的碰撞安全性能达标。

安全开发过程中的重大活动节点位置见表5.28。

表5.28　安全开发过程中的重大活动节点位置