(57)【要約】【課題】正面衝突時の乗員減速度とライドダウン効果との関係を明確にするとともにライドダウン効果に基づいてどのような車体前部剛性が乗員保護のために要求されるかをシミュレーションする技術を提供する。【解決手段】力学モデルにおける衝突時における車体前部の座屈特性を非線形ばねとして設定する車体前部特性設定部２１とシートベルトを線形ばね又は非線形ばねとして設定するシートベルト特性設定部２２と、車体前部の座屈特性を表す非線形ばねの特性をパラメータとして変化させながら乗員減速度を演算する乗員減速度演算部３１と、ライドダウン効果指標値を演算するライドダウン効果指標値演算部３２と、乗員減速度の最小値からライドダウン効果に基づく車体前部剛性の設計指針情報を出力する出力部４０とからなるシミュレーション装置。【選択図】        図２
2005291841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と乗員の力学モデルを用いた車両正面衝突時の乗員衝撃シミュレーション方法において、
前記力学モデルにおける衝突時における車体前部の座屈特性を非線形ばねとして設定するとともに前記乗員を座席に拘束しているシートベルトを線形ばね又は非線形ばねとして設定するステップと、前記車体前部の座屈特性を表す非線形ばねの特性をパラメータとして変化させながら乗員減速度を演算するステップと、前記乗員減速度の最小値をもたらす非線形ばね特性からライドダウン効果に基づく車体前部剛性の設計指針情報を出力するステップとからなることを特徴とする乗員衝撃シミュレーション方法。
【請求項２】
前記乗員減速度の演算時に、車体の速度が初速度からゼロに達するまでのライドダウン効果指標値も演算し、前記乗員減速度と前記ライドダウン効果指標値の関係を表す情報を出力することを特徴とする請求項１に記載の乗員衝撃シミュレーション方法。
【請求項３】
車体および乗員の質量をそれぞれ m1，m2、その変位をx1，x2、その速度をv1，v2（v1 = v2 = v0）とし、前記シートベルトのばね力をFBとすると、
前記シートベルトが車体になす仕事：W1が次式で求められ、
【数１】
2005291841.tif 000017
前記ライドダウン効果の指標：Rが次式で求められる、
【数２】
2005291841.tif 000018
ことを特徴とする請求項２に記載の乗員衝撃シミュレーション方法。
【請求項４】
車体と乗員の力学モデルを用いた車両正面衝突時の乗員衝撃シミュレーションを行うために、
前記力学モデルにおける衝突時における車体前部の座屈特性を非線形ばねとして設定するとともに前記乗員を座席に拘束しているシートベルトを線形ばね又は非線形ばねとして設定する機能と、前記車体前部の座屈特性を表す非線形ばねの特性をパラメータとして変化させながら乗員減速度を演算する機能と、前記乗員減速度の最小値をもたらす非線形ばね特性からライドダウン効果に基づく車体前部剛性の設計指針情報を出力する機能とをコンピュータに実行させるプログラム。
【請求項５】
車体と乗員の力学モデルを用いた車両正面衝突時の乗員衝撃シミュレーションを行うシミュレーション装置において、
前記力学モデルにおける衝突時における車体前部の座屈特性を非線形ばねとして設定する車体前部特性設定部と、前記乗員を座席に拘束しているシートベルトを線形ばね又は非線形ばねとして設定するシートベルト特性設定部と、前記車体前部の座屈特性を表す非線形ばねの特性をパラメータとして変化させながら乗員減速度を演算する乗員減速度演算部と、車体の速度が初速度からゼロに達するまでのライドダウン効果指標値を演算するライドダウン効果指標値演算部と、前記乗員減速度の最小値をもたらす非線形ばね特性からライドダウン効果に基づく車体前部剛性の設計指針情報を出力する出力部とからなるシミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車体と乗員の力学モデルを用いた車両正面衝突時の乗員衝撃をシミュレーションする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車事故において乗員の死亡・重傷者数の最も多い形態である車両前面衝突では、車体が潰れることによって車体が減速を開始しても、乗員はシートベルトの緩みがなくなるまで空走し，その張力が発生した時点で減速を始め、乗員がステアリング等に衝突を起こす時，またはシートベルトの伸びが最大になる時に乗員減速度が最大になる。この乗員減速度の最大値は乗員傷害の重要な評価指標のひとつであり，車体減速度の時間履歴によって決まる。また、衝突時の乗員の持つ運動エネルギーが，シートベルトなどの保護装置を介して車体側に移送される比率が大きいほど乗員保護に有利と言われており，これは“ライドダウン効果”と呼ばれており（非特許文献１参照）、このライドダウン効果に基づいた乗員保護装置も提案されている。
【０００３】
例えば、乗員をできるだけ早くベルトで拘束して、車体と乗員胸部との相対速度を０とした（乗員減速度と車体減速度との差を無くした）完全なライドダウン状態を実現するために、衝突検出時にシートを移動させ、それに伴ってベルト結合可動部を第１の加速度発生手段により移動させてシートベルトの拘束を強め、乗員とシートとをできるだけ早く一体化しかつシートベルトのベルト結合可動部側のアンカ（例えばショルダーアンカ）に平均減速度（車体減速度）より大きい減速度を発生させるとともに、可動部が所定量移動したらその移動を第２の加速度発生手段により阻止することにより可動部に逆向きの減速度を発生させて、衝突終期には乗員・車体が一体となって平均的な減速度で減速させることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
このように、ライドダウン効果に基づいた車体設計が進み始めているが、このライドダウン効果を簡単に表す指標値やそのようなライドダウン効果指標値と乗員減速度の関係がいまだ十分に検討されておらず、車体の持つ運動エネルギーと最大変形量を一定とした場合，衝突初期の車体減速度を大きくすればよいことが経験的に知られていることから、一般的な対策として，車体先端の構造部材の形状変更や板厚を増加するなど座屈耐力を高くすることが考慮されているに過ぎない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２５８８９号公報（段落番号００１３〜００１７）
【非特許文献１】Martin, D. E. and Kroell, C. K., 「Vehicle Crush and Occupant Behavior」, SAE paper, No.670034 (1967)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記実状に鑑み、本発明の課題は、正面衝突時の乗員減速度とライドダウン効果との関係を明確にするとともにライドダウン効果に基づいてどのような車体前部剛性が乗員保護のために要求されるかをシミュレーションする技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、車体と乗員の力学モデルを用いた車両正面衝突時の乗員衝撃シミュレーション方法において、本発明では、前記力学モデルにおける衝突時における車体前部の座屈特性を非線形ばねとして設定するとともに前記乗員を座席に拘束しているシートベルトを線形ばね又は非線形ばねとして設定するステップと、前記車体前部の座屈特性を表す非線形ばねの特性をパラメータとして変化させながら乗員減速度を演算するステップと、前記乗員減速度の最小値をもたらす非線形ばね特性からライドダウン効果に基づく車体前部剛性の設計指針情報を出力するステップとからなる。
【０００８】
この方法では、衝突時における車体前部の座屈特性を車体と乗員の力学モデルにおいて非線形ばねとして設定しているので、非線形ばねの特性をパラメータとして変化させながら乗員減速度を演算することで、衝突時の乗員の安全性の観点から好ましい乗員減速度の最小値を求めることができ、その乗員減速度の最小値をもたらす非線形ばね特性からライドダウン効果に基づく車体前部剛性の指針を知ることができ、安全車体設計に寄与することができる。
【０００９】
従来不十分であったライドダウン効果と乗員減速度の関係を明確にするため、本発明の好適な形態の１つとして、前記乗員減速度の演算時に、車体の速度が初速度からゼロに達するまでのライドダウン効果指標値も演算し、前記乗員減速度と前記ライドダウン効果指標値の関係を表す情報を出力するように構成することも提案される。
【００１０】
さらに、より明確でかつ簡単に求めることができるライドダウン効果指標値を出力できるように、本発明の好適な形態では、車体および乗員の質量をそれぞれ m1，m2、その変位をx1，x2、その速度をv1，v2（v1 = v2 = v0）とし、前記シートベルトのばね力をFBとすると、
前記シートベルトが車体になす仕事：W1が次式で求められ、
【数１】
2005291841.tif 000003
前記ライドダウン効果の指標：Rが次式で求められる、
【数２】
2005291841.tif 000004
【００１１】
本発明では、上述した車両正面衝突時の乗員衝撃シミュレーション方法をコンピュータに実行させるプログラムやそのプログラムを記録した媒体も権利の対象とするものである。
【００１２】
本発明では、さらに、上述した車両正面衝突時の乗員衝撃シミュレーション方法を実施するシミュレーション装置も権利の対象としており、そのようなシミュレーション装置は、質点力学モデルにおける衝突時における車体前部の座屈特性を非線形ばねとして設定する車体前部特性設定部と、前記乗員を座席に拘束しているシートベルトを線形ばね又は非線形ばねとして設定するシートベルト特性設定部と、前記車体前部の座屈特性を表す非線形ばねの特性をパラメータとして変化させながら乗員減速度を演算する乗員減速度演算部と、車体の速度が初速度からゼロに達するまでのライドダウン効果指標値を演算するライドダウン効果指標値演算部と、前記乗員減速度の最小値をもたらす非線形ばね特性からライドダウン効果に基づく車体前部剛性の設計指針情報を出力する出力部とから構成されている。当然ながら、このようなシミュレーション装置も上述したシミュレーション方法で述べたすべての実施態様を備えるとともに、それらの作用効果を得ることが可能である。
本発明によるその他の特徴及び利点は、以下図面を用いた実施形態の説明により明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず、本発明による、車体と乗員の力学モデルを用いた車両正面衝突時の乗員衝撃シミュレーション技術の基本原理をここでは車体と乗員の２質点力学モデルで説明する。
図１に剛体壁との正面衝突（以下，正突）を想定した車体と乗員の２質点力学モデルが示されている。車体および乗員の質量はそれぞれ m1，m2とし，その変位をx1，x2，速度をv1，v2とする。衝突時における車体前部の座屈特性をばねAとして設定し、シートベルトを１つのばねBで置き換えると、車体と乗員のそれぞれの運動方程式は次式となる。
【数３】
2005291841.tif 000005
ここで，FAは車体前部のばねAによって生じる耐力、FBはシートベルトのばねBによる力である．通常シートベルトは非線形なばね特性を持つが、ここでは線形と仮定する。そのばね定数をkとすれば、
【数４】
2005291841.tif 000006
となる．また，初期条件は車体が壁面に衝突を開始した時刻をt = 0として、そのときの車体および乗員の位置をx1 = 0，x2 = 0とし，速度はv1 = v2 = v0とする。
【００１４】
次に，FBが車体になす仕事W1と乗員になす仕事W2は次式で与えられる。
【数５】
2005291841.tif 000007
FBがなす仕事WBはW1とW2の和で与えられるので、
【数６】
2005291841.tif 000008
となり、次式を得る。
【数７】
2005291841.tif 000009
一方、式(2)にv2を乗じて時間積分すると
【数８】
2005291841.tif 000010
であるから、次の関係が成り立つ。
【数９】
2005291841.tif 000011
ここで、FBが車体になす仕事W1は、乗員の運動エネルギーの一部がシートベルトを介して車体に移送されるエネルギーと等価である。したがって，車体の速度が初速度v0からゼロに達するまでの ライドダウン効果の指標Rは、以下のように表される。
【数１０】
2005291841.tif 000012
ここで，車体の速度がv1 = 0に達する時刻tx1hでの車体最大変位量をx1hとし，
そのときの乗員の速度及び，変位量をv2x1h，x2x1hとする。また，最大変位後の車体の後方への跳ね返りは微小であり無視できるものとする。よって、ライドダウン効果を上げるためには式(10)中のEk + EPを最小にすれば良いことになる。
【００１５】
図２に、車両正面衝突時の乗員衝撃シミュレーション技術の基本原理を用いたシミュレーション装置の一例の模式的構成が示されている。このシミュレーション装置は、実質的には、ＣＰＵを中核部材として、種々の動作を行うための機能部をハードウエア又はソフトウエアあるいはその両方で構築しているが、その基本構成要素は、シミュレーションの対象をモデル化して解法可能な数式に置き換えるモデリング・数式化手段１０と、モデリング・数式化手段１０によって設定された計算式を解くための初期条件やパラメータ値を設定するシミュレーション条件設定手段２０と、計算式を解いて解を得るソルバー部３０と、ソルバー部３０によって求められた解を用いてグラフ化やイメージ化を行ってプリンタやモニタに出力する出力部４０である。
【００１６】
モデリング・数式化手段１０には、図１で示したような２質点力学モデルの運動方程式とそのモデルにおけるばねがなす仕事の式を設定する２質点力学モデル設定部１１が実装され、シミュレーション条件設定手段２０には、車体前部の座屈特性を非線形ばねとして設定する車体前部特性設定部２１や前記乗員を座席に拘束しているシートベルトを線形ばね又は非線形ばねとして設定するシートベルト特性設定部２２が実装されており、ソルバー部３０には、前記車体前部の座屈特性を表す非線形ばねの特性をパラメータとして変化させながら乗員減速度を演算する乗員減速度演算部３１や車体の速度が初速度からゼロに達するまでの前述したライドダウン効果指標値を演算するライドダウン効果指標値演算部３２が実装されている。これにより、出力部４０において乗員減速度最小値やこの乗員減速度最小値とライドダウン効果指標値との関係などを車体前部の種々の座屈特性に応じて求め、理解しやすいようにグラフ化やイメージ化することが可能となる。これにより、この出力結果から、車体設計者はライドダウン効果に基づく車体前部剛性の設計指針情報を得ることができる。
【００１７】
このシミュレーション装置におけるシミュレーションの典型例は以下のようにして行われるが、ここでは、正面衝突時の乗員保護で重要な評価指標のひとつが，乗員の胸部最大減速度であることに鑑み、また前述したように力学モデルは乗員を１質点としているので、質点m2の減速度を胸部減速度におきかえてライドダウン効果指標値Rとの関係が求められる。シミュレーション条件は、一般的な軽自動車および乗員の質量としてm1 = 825kg，m2 = 75kgとし、シートベルトのばね定数はk = 200kN/mとしている。これらの条件のもと、車体前部のばねAによって生じる耐力FAをパラメータとして変化させる。
耐力FAを設定する際には，
【数１１】
2005291841.tif 000013
と仮定して，座屈による吸収エネルギーの総和が、
【数１２】
2005291841.tif 000014
を満たすようにするとともに、車体の最大変位量は x1h = 0.5mとしている。
【００１８】
このシミュレーションでは車体先端における構造部材の座屈耐力が重要であることから、車体前部の座屈特性を表すばねAを非線形ばねとして、
【数１３】
2005291841.tif 000015
と定義し，図３に示すλが異なる特性でシミュレーションが行われ、その際aは式(14)を満たすように決定されている。なお、λは値を小さくするほど、初期の座屈耐力が大きくなり矩形に近づくことになる。
【００１９】
上述のように設定されたシミュレーション条件に基づいて導き出された解に基づいて出力部４０から出力された計算結果が図４に示されている。この計算結果から、λ= -100のように車体の初期減速度が大きく矩形波に近づくほど、乗員減速度は早期に立ち上がり最大値は小さくなることが理解できる。
【００２０】
さらに，詳しく乗員と車体との動きを観察するために，λ=  5，- 10，- 100における車体と乗員の時間応答が図５に示されている。このうち、λ= 5は車体速度がゼロに達する時間がもっとも早くなる条件である。シートベルトのばねBは、車体前部のばねAより十分軟らかいため、車体が停止したとき乗員は慣性によって前方へ投げ出される過程にある。その結果、車体と乗員との速度差が大きくなる。これに伴って，乗員の車室内変位x2 ？ x1の最大値は大きくなり、乗員減速度の最大値も高くなる。一方、λ= -10の場合、車体速度がゼロに達する時間がλ= 5に比べて遅いため、車体と乗員との速度差は小さくなり、乗員の最大室内変位も小さくなる。また，乗員減速度の最大値も低くなる。次に，λ= -100では、さらに車体と乗員との速度差が小さくなるため、最も低い最大乗員減速度を示している。
【００２１】
乗員の減速度を矩形波よりもさらに軽減する車体減速度波形として，衝突初期の減速度が急激に立ち上がった後に低減速度になり、車体が停止するまでその減速度を持続する波形が良いとされているが（前述の非特許文献１参照）、低減速度になる時刻が乗員減速度にどのような影響を与えるのかについての詳細な解析は不明であった。このため、このシミュレーション装置において、車体前部の座屈耐力FAの初期立ち上がりの傾きにおける具体的な数値として車体前部の潰れ領域が少ない軽自動車の特性を考慮して次式を採用するとともに、
【数１４】
2005291841.tif 000016
さらに、荷重落込み時の車体変位量x1rdを0.2，0.23, 0.25, 0.27, 0.28, 0.30mに設定し，図６に示す形態RD1〜RD6をとるように設定されている。なお、図中のRD0は荷重の落込みがなく、x1rd = 0.12mでフラットになるものとしている。このようなシミュレーション条件での計算結果が図７に示されている。この図７より、x1rdが大きくなるほど衝突初期で乗員減速度の立ち上がりは大きくなるとともに車体減速度の持続時間が長くなること、及び最大乗員減速度は一様に小さくはならず，RD3で最小値をとることが理解できる。
【００２２】
図8にRD1,  RD3,  RD5の車体と乗員の時間応答が示されている。これによると，RD1は車体速度がゼロに達する時間が乗員のそれとほぼ同じになる。RD3では車体が停止するよりも前に乗員の速度がゼロに達し、かつ乗員の最大室内変位は最小の値をとる。RD5はRD3と同様に車体が停止するよりも前に乗員の速度がゼロに達するにもかかわらず、最大室内変位はRD3より大きな値となる。
【００２３】
このような現象を解釈するために、図9に示すような、最大乗員減速度αpeak、式(10)中の車体速度がゼロになった時の乗員の運動エネルギーEkおよびシートベルトの位置エネルギーEpとライドダウン効果指標値Rとの関係を示すグラフが出力される。ライドダウン効果指標値Rと最大乗員減速度αpeakとの間には，線形な関係が見られず極小値が存在する。よって，このような領域においてはライドダウン効果の指標が高くても乗員保護に有利であるとは限らないことが理解できる。
【００２４】
次に、ライドダウン効果指標値Rと乗員の運動エネルギーEkおよびシートベルトの位置エネルギーEpとの関係についてみると、Rの増加に伴いRD5まで○印のEkは増加傾向を、□印のEpは減少傾向を示している。これは図8に示されているように，乗員は車体が停止した時には既に最大変位量x2hを経てベルトの復元力で負の速度を持つためである。また，αpeakはRD2からRD4の間でゆるやかに変化して極小値を形成し、その位置はEkとEpが等しくなる付近に存在すると想定することが可能である。RD6では車体速度がゼロになった時の乗員の車室内変位x2x1h - x1hが負の値を示しており、現実にはあり得ないが、乗員が座席よりも後方に戻されてしまうことである。
【００２５】
以上のシミュレーション結果を図１０に示す乗員の車室内の変位x2 ？ x1の時間履歴を用いて説明する。時刻t = 0で衝突が開始されると乗員は慣性力で前方に投げ出されるが、シートベルトのばね力で減速され、車室内変位が最大を示した後に座席位置（x2 - x1= 0）まで引き戻される。さらに後方へ移動して車室内変位が負となるが、これは乗員が座席より後方まで移動していることを意味しており、現実には起こらない。車体が停止する時刻tx1hは，同図でPhase 1からPhase 3の任意時刻に設定可能である。
【００２６】
Phase 1は，乗員が前方へ投げ出されている途中で車体が停止する条件であり，式(15)の非線形ばねを用いて図４から図６に示した領域にほぼ相当する。一般的に車体のばね特性は、シートベルトのばね特性よりも硬いため車体が先に停止する。このため、衝突初期以降に軟らかくなる非線形ばねを用いて車体停止時刻を遅らせるほど、車体停止後の乗員の運動エネルギーが減少し最終的な乗員減速度も改善する。
【００２７】
Phase 2は、乗員が車室内変位の最大値を過ぎて後方へ引き戻される途中で車体が停止する条件である。この領域は図６から図９で検討したRD2からRD5に相当する。ここでは，乗員減速度の最大値はRD3あたりで極小値を示し乗員保護の観点からはもっとも望ましい条件と言える。つまり、ここでは、乗員減速度とライドダウン効果指標値との間にはもはや線形関係は成立しない。
【００２８】
以上の説明から明らかなように、本発明によるシミュレーション技術を用いることにより、乗員保護の観点から重要である乗員減速度を最小とする車体前部の座屈特性を把握することが可能となり、これにより車体前部剛性に関する有用な設計指針情報を車体設計者に与えることができる。
【００２９】
上記実施形態の説明では車体と乗員の力学モデルとして２質点力学モデルが採用されていたが、本発明は２質点力学モデルに限定されるわけではなく、もちろん３質点力学モデルやそれ以上の数の質点力学モデルを採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に用いられた車体と乗員の２質点力学モデルを示す模式図
【図２】本発明によるシミュレータ装置の機能ブロック図
【図３】非線形ばねとしての車体前部の座屈特性を示すグラフ
【図４】座屈特性を表す非線形ばねの特性をパラメータとして変化させながら演算出力された正面衝突時の乗員と車体の減速度を示すグラフ
【図５】座屈特性を表す非線形ばねの特性をパラメータとして変化させながら演算出力された正面衝突時の乗員と車体の減速度と速度と変位を示すグラフ
【図６】車体前部の種々の座屈特性を示すグラフ
【図７】図６に示された座屈特性における正面衝突時の乗員と車体の減速度を示すグラフ
【図８】代表的な座屈特性における正面衝突時の乗員と車体の減速度と速度と変位を示すグラフ
【図９】ライドダウン効果指標値に対する乗員減速度及び乗員エネルギーの関係を示すグラフ
【図１０】正面衝突時の乗員の車内での経時的な変位を示すグラフ
【符号の説明】
【００３１】
１０：モデリング・数式化手段
１１：２質点力学モデル設定部
２０：シミュレーション条件設定手段
２１：車体前部特性設定部
２２：シートベルト特性設定部
３０：ソルバー部
３１：乗員減速度演算部
３２：ライドダウン効果指標値演算部
４０：出力部
【図１】
2005291841.tif 000019
【図２】
2005291841.tif 000020
【図３】
2005291841.tif 000021
【図４】
2005291841.tif 000022
【図５】
2005291841.tif 000023
【図６】
2005291841.tif 000024
【図７】
2005291841.tif 000025
【図８】
2005291841.tif 000026
【図９】
2005291841.tif 000027
【図１０】
2005291841.tif 000028