JP5391124B2 - 車両衝突シミュレーション方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両衝突シミュレーション方法に関し、特に、スラックを有する状態でシートベルトに拘束された搭乗者の胸部の減速度特性のシミュレーション方法に関する。

従来、車両の設計段階において、車両が衝突した際の搭乗者の挙動を解析するために、車両にダミー人形を搭載し、実際に車両に衝突時と同様の衝撃を加えて、ダミー人形の挙動を測定することが行われていた。この方法では、正確な挙動データが得られる半面、多くのコストと時間が必要となるという問題を有していた。

そのため、力学モデルを用いたシミュレーションが提案されている。そのようなシミュレーション方法としては、例えば、車両のシートに載せられるダミーの力学モデルとダミーをシートに拘束する少なくともシートベルトを含む拘束体の力学モデルとを運動方程式を用いて数式化し、ダミー・スレッド試験を通じて同定された力学モデルのバネ特性を運動方程式に代入するとともに車両に強制減速度波形を入力することにより車両衝突時のダミーの挙動を演算するものがある（特許文献１参照）。

この特許文献１の方法では、ダミーとシートベルト等の拘束体の力学モデルを用いて運動方程式として数式化される。この運動方程式に対して、ダミー・スレッド試験を通じて同定された力学モデルのバネ特性が代入される。さらに、この運動方程式に対して、車両の衝突に対応する強制減速度波形を入力することにより、車両衝突時のダミーの挙動を演算している。

特開２００５−１１５７７０号公報

特許文献１の技術では、運動方程式にシートベルトを含む拘束体の力学モデルが反映されているため、ダミーが拘束体に拘束された状態において車両が衝突した際のダミーの挙動をシミュレートすることができる。しかし、一般的には、車両の搭乗者はシートベルトに完全に拘束された状態で搭乗してはおらず、シートベルトにはスラックと呼ばれる搭乗者とシートベルトウェビング間の弛みが生じている。また、近年では、車両の衝突時にシートベルトのスラックを巻き取るプリテンショナと呼ばれる装置が搭載されたものもある。そのため、特許文献１の技術では、これらの要素が反映されていないため、これらの状況にある際のシミュレートを高精度に行うことは困難である。

上記課題に鑑み、本発明の目的は、車両の衝突時において、スラックを有する状態でシートベルトに拘束された搭乗者の胸部の減速度特性をシミュレーションする技術を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明の車両衝突シミュレーション方法は、車両に搭乗する搭乗者の力学モデルと前記搭乗者を拘束するシートベルトの力学モデルとに基づく運動方程式を作成し、当該運動方程式により前記車両の衝突時における前記搭乗者の減速度特性を解析する車両衝突シミュレーション方法であって、前記シートベルトの力学モデルは前記車両の非衝突時における前記シートベルトと前記搭乗者との間の弛みを含み、前記運動方程式は、前記車両の衝突時において前記弛みが巻き取られる際に前記搭乗者に作用する力を含んでいる。

この構成では、シートベルトの力学モデルにはシートベルトと搭乗者との間のベルトの弛みを含めている。そのため、車両が衝突してからシートベルトが搭乗者に作用するまでの搭乗者の自由運動が考慮された運動方程式を作成することができる。また、運動方程式には車両が衝突した際にシートベルトの弛みが巻き取られる力を含めたことにより、プリテンショナの作動による搭乗者に作用する減速度を含めた運動方程式を作成することができる。これらにより、車両の衝突時に、シートベルトの弛みがある状態で拘束された搭乗者の挙動をシミュレートすることが可能となる。

本発明の車両衝突シミュレーションにおける力学モデルを示す図である。 車両に与える強制減速度の波形の例である。 車両の衝突時における搭乗者の移動距離とシートベルトが搭乗者に加える力の関係を表す図である。 本発明の車両衝突シミュレーションのシミュレーション結果と実測値との比較図である。

以下に図面を用いて、本発明の車両衝突シミュレーション方法の実施形態を説明する。

〔力学モデル〕
図１は、本発明における力学モデルを示す図である。本発明では、車両ｖに搭乗者ｄ（またはダミー人形）がシートベルトにより拘束された状態をバネマスモデルによりモデル化している。また、搭乗者ｄはスラック量δを持った状態でシートベルトに拘束されている。そのため、搭乗者ｄが車両ｖに対してδ移動した時点でシートベルトの拘束力が搭乗者ｄに作用する。なお、このモデルは、搭乗者ｄの胸部の挙動の解析を目的としているため、搭乗者の胸部の１質点でモデル化している。また、図２は本実施形態における車両ｖに加える強制減速度波（車両ｖが衝突した際に車両ｖに加わる減速度）である。本実施形態では、角速度ω，振幅ａ₀の半周期正弦波を用いている。

〔力学モデルの運動方程式〕
以下に、上記モデルを用いた際の運動方程式を説明する。なお、本実施形態において使用する記号は以下の通りである。
ｍ：搭乗者の胸部の質量
ｋ：シートベルトのバネ定数
ｔ₀：シートベルトによる搭乗者の拘束開始時刻
ｘ：地上を基準とする搭乗者の移動量
α：車両を基準とする搭乗者の移動量
Ｘ：車両の移動量
ｖ₀：時刻ｔ＝ｔ₀における車両に対する搭乗者の速度
δ：スラック量（時刻ｔ＝ｔ₀における搭乗者の移動量に等価）
ａ₀：強制減速度波の振幅
ω：強制減速度波の角速度
ω_n：バネマスモデルの固有振動数（（ｋ／ｍ）^1/2に等価）
Ｆ₀：プリテンショナが搭乗者に加える力

先ず、車両ｖに加えられる減速度は強制減速度波に等しいため、

となる。また、式（１）を１回および２回積分するとそれぞれ時刻ｔ₀における車両ｖに対する搭乗者ｄの速度ｖ₀および時刻ｔ＝ｔ₀における搭乗者ｄの移動量、すなわち、スラック量δが得られる。したがって、

となる。

一方、搭乗者ｄは車両ｖが衝突してからシートベルトに拘束されるまでは慣性による自由運動となるが、スラックが消滅した時点（時刻ｔ＝ｔ₀）ではシートベルトによる拘束力およびプリテンショナからの力が作用する。この状態を運動方程式に表すと、

すなわち、搭乗者ｄの減速度は

となる。

ここで、時刻ｔ＝ｔ₀では車両ｖを基準とした搭乗者ｄの移動量αはα＝ｘ＋Ｘ−δと表すことができる。したがって、この式を２回微分することにより、

が得られ、さらに式（５）を式（４）に代入することにより、

が得られる。

ここで、α＝α₁＋α₂とおくと、式（６）は以下の２つの式に分割することができる。

先ず、時刻ｔ＝ｔ₀においてシートベルトが搭乗者ｄに作用し始めることを考慮し、式（７）の微分方程式を解くと、

が得られる。このとき、時刻ｔ＝ｔ₀ではα₁＝０であるため、式（９）から

が得られる。また、時刻ｔ＝ｔ₀ではｄα₁／ｄｔ＝ｖ₀であるため、式（９）から

が得られる。

同様に、式（８）の微分方程式を解くと、

となり、時刻ｔ＝ｔ₀ではα₂＝０であることに基づいて、式（１２）から

が得られる。

したがって、式（５）および（７）から（１３）により、搭乗者ｄの減速度特性として、

が得られる。ここで、ａ₀およびωは車両ｖに加える強制減速度波を規定するパラメータであるため、適宜設定可能なパラメータである。また、ω_nはシートベルトのバネ定数ｋおよび搭乗者ｄの胸部の質量ｍにより決定されるパラメータである。したがって、シートベルトのバネ定数ｋおよびプリテンショナが搭乗者ｄに加える力Ｆ₀が既知となれば、式（１４）により車両ｖの衝突時の搭乗者ｄの減速度特性をシミュレートすることができる。

〔シートベルトのバネ係数の同定方法〕
図３は、車両ｖが衝突した際の搭乗者ｄの移動量（車両ｖに対する相対移動量）とシートベルトに作用する力（シートベルトが搭乗者ｄに作用する力）の関係を模式的に表したグラフである。図３（ａ）はスラックなし、かつ、プリテンショナなし、図３（ｂ）はスラックあり、かつ、プリテンショナなし、図３（ｃ）はスラックあり、かつ、プリテンショナありの状態である。

スラックおよびプリテンショナがない状態で車両ｖに減速度が加えられると、搭乗者ｄに対してすぐにシートベルトの作用が開始されるため、シートベルトに作用する力は搭乗者の移動距離に比例する（図３（ａ）参照）。

一方、スラックがあり、プリテンショナがない場合には、車両ｖに減速度が加えられてから、スラックが０になるまで（搭乗者ｄの移動量がスラック量δになるまで）は、シートベルトは搭乗者ｄを拘束しないため、シートベルトに作用する力は０である。搭乗者ｄの移動量がスラック量δになった後は、シートベルトに作用する力はその後の搭乗者ｄの移動量に比例する（図３（ｂ）参照）。

他方、スラックおよびプリテンショナがある場合には、車両ｖに減速度が加えられてから、スラックが０になるまで（搭乗者ｄの移動量がスラック量δになるまで）は、シートベルトは搭乗者ｄを拘束しないため、シートベルトに作用する力は０である。搭乗者ｄの移動量がスラック量δになった瞬間にプリテンショナの力Ｆ₀が搭乗者に作用するため、シートベルトに作用する力はＦ₀となる。その後は、シートベルトに作用する力は搭乗者ｄの移動量に比例する力とＦ₀との和となる（図３（ｃ）参照）。

図３（ａ）から（ｃ）に示したように、各状態における搭乗者ｄの移動量とシートベルトに作用する力とは線形関係にあり、シートベルトが搭乗者ｄに力を加えている間（搭乗者の移動距離とシートベルトが搭乗者ｄに加えている力とが比例関係にある部分）では、いずれの状態においても同じ傾きになっている。すなわち、この傾きがシートベルトのバネ定数ｋとなる。

したがって、シートベルトのバネ係数ｋはダミー・スレッド試験の測定値に基づいて、搭乗者ｄの移動距離とシートベルトに作用する力との関係をグラフ化し、そのグラフの傾きをシートベルトのバネ係数ｋとして決定することができる。なお、ダミー・スレッド試験ではシートベルトに作用する力を計測しており、その計測値はダミーの胸部に作用する力と異なっているおそれがある。その場合には、シートベルトの装着角度等を考慮して、バネ定数ｋを適宜補正しても構わない。

〔プリテンショナが搭乗者に加える力の同定方法〕
上述したように、スラックおよびプリテンショナがある場合には、スラックが０になるまで、すなわち、搭乗者ｄの移動量がδになるまで（時刻ｔ＜ｔ₀）は、シートベルトは搭乗者に対して全く力を作用させず、スラックが０になった瞬間（ｔ＝ｔ₀）にＦ₀の力が作用している。すなわち、このＦ₀がプリテンショナが搭乗者ｄに加える力である。

したがって、スラックおよびプリテンショナがある状態でダミー・スレッド試験を行い、搭乗者ｄの移動距離とシートベルトに作用する力との関係をグラフ化し、シートベルトが搭乗者ｄに加える力が非零となるとき（ｔ＝ｔ₀）のその値をＦ₀とすることができる。なお、この際、プリテンショナの着火時間を調整することによりｔ₀を変化させ、複数のｔ₀におけるＦ₀を求め、最も適合するＦ₀を求めると特定のプリテンショナの作動状態に依存しないＦ₀が得られるため好ましい。

図４は、ダミー・スレッド試験による実測値と式（１４）により算出したシミュレーション結果である。このグラフでは、横軸を時間、縦軸が搭乗者ｄ（ダミー）の胸部の減速度とし、実測値を点線、シミュレーション結果を実線で表している。図から明らかなように、シミュレーション結果と実測値とは微視的には異なる部分が多いものの、巨視的には減速度の立ち上がりおよび立ち下がり、最大減速度等が略一致しており、本発明のシミュレーション方法の効果が表れている。特に、車両ｖの衝突時に搭乗者ｄに最も影響が大きいと考えられる最大限速度のシミュレーション精度が高いため、本発明のシミュレーション方法の結果に基づけば、搭乗者ｄへの減速度、すなわち、衝撃を小さくするシートベルトの設計を行うことができる。具体的には、様々なプリテンショナの着火時間（すなわち時刻ｔ₀）、プリテンショナが搭乗者ｄに作用する力Ｆ₀に対して式（１４）により搭乗者ｄの減速度を求め、その計算結果から減速度特性が最適となるｔ₀およびＦ₀を求めればよい。さらに、この最適化は強制減速度波を異ならせた状態で行っても構わない。

〔別実施形態〕
フォースリミッタ付きのシートベルトの場合には、式（４）の運動方程式にフォースリミッタが搭乗者ｄに作用する力を加えても構わない。

本発明は、車両の衝突時において、スラックを有する状態でシートベルトに拘束された搭乗者の胸部の減速度特性のシミュレーションに用いることができる。

ｄ：搭乗者
ｖ：車両
δ：スラック量

Claims (1)

1. 車両に搭乗する搭乗者の力学モデルと前記搭乗者を拘束するシートベルトの力学モデルとに基づく運動方程式を作成し、当該運動方程式により前記車両の衝突時における前記搭乗者の減速度特性を解析する車両衝突シミュレーション方法であって、
   前記シートベルトの力学モデルは前記車両の非衝突時における前記シートベルトと前記搭乗者との間の弛みを含み、
   前記運動方程式は、前記車両の衝突時において前記弛みが巻き取られる際に前記搭乗者に作用する力を含む車両衝突シミュレーション方法。

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