葛如海，賀文平，應(yīng) 龍

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

側(cè)面碰撞雙氣室氣囊的性能優(yōu)化研究

葛如海，賀文平，應(yīng) 龍

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為了增強(qiáng)側(cè)面安全氣囊對乘員的保護(hù)效果，減輕側(cè)面碰撞中乘員的損傷，搭建了車輛側(cè)面碰撞PSM子結(jié)構(gòu)模型，并通過試驗(yàn)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。首先建立了駕駛員側(cè)雙氣室側(cè)氣囊模型，驗(yàn)證雙氣室氣囊相對單級氣囊的優(yōu)越性，并進(jìn)一步研究駕駛員側(cè)和車體側(cè)兩個(gè)氣室的氣體發(fā)生器質(zhì)量流率、泄氣孔大小對雙氣室氣囊保護(hù)效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：雙氣室氣囊能有效提高對乘員的保護(hù)作用，減少乘員傷亡；氣囊泄氣孔大小對乘員傷害影響最大。這一研究為側(cè)氣囊的開發(fā)提供了新思路。

汽車被動安全；側(cè)面碰撞；側(cè)面氣囊；雙氣室；乘員損傷；參數(shù)分析；正交優(yōu)化

Abstract: To improve the protection effect for occupant of side airbag and reduce the passenger’s injury in side crash, vehicle side impact PSM substructure model was established and verified by test. The simulating model of double-chamber airbag was built to analyze that how the mass flow rate and frustrated hole size of the driver side and body side air chambers effect the protection for passenger. Results show that the double-chamber bag can effectively improve the occupant protection, and the frustrated hole size on driver side chamber is the biggest influence on occupant injury and death. This study offers a new way for the development of side airbags and foundation.

Keywords: automotive passive safety; side impact; side airbags; double chamber; occupant injury; parameter analysis; orthogonal optimization

我國的城市道路交通路況錯(cuò)綜復(fù)雜，汽車側(cè)面碰撞事故發(fā)生的幾率較高。由于車輛側(cè)面變形緩沖吸能空間小，當(dāng)車身側(cè)圍承受來自側(cè)面的撞擊力時(shí)，車體擠壓車內(nèi)乘員，容易造成乘員損傷。與正面碰撞相比，側(cè)面碰撞引發(fā)乘員致死、致傷的概率更大[1]。

事故分析顯示：汽車發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，乘員與車門、車窗及外部物體的撞擊是導(dǎo)致乘員死亡的主要原因之一，占側(cè)面碰撞死因的60%[2-4]。汽車側(cè)氣囊系統(tǒng)作為一種重要的保護(hù)措施，在側(cè)面碰撞發(fā)生時(shí)會從車座椅飾蓋下瞬間彈出并快速充氣膨脹，將乘員與車門等堅(jiān)硬物體隔開，從而有效地保護(hù)乘員。

目前，國內(nèi)外關(guān)于側(cè)面安全氣囊的研究已經(jīng)趨于成熟。付艷[5]認(rèn)為對氣囊的氣袋、飾蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化可使氣囊的保護(hù)效果最佳，白雪飛[6]分析了不同疊袋方式對假人的保護(hù)效果的影響。這些研究目前集中于單級氣囊，而在通過建立雙氣室氣囊來保護(hù)乘員的胸部和骨盆[7]的研究中，采用上下劃分氣囊的方式。目前，還未有將氣囊在碰撞方向上劃分為兩層氣室的研究成果報(bào)道?；诖?，本文將采用CATIA、Hypermesh和MADYMO等軟件對駕駛員側(cè)胸腹式雙氣室氣囊進(jìn)行仿真建模研究。

1 側(cè)碰乘員約束系統(tǒng)仿真模型

充分利用實(shí)車側(cè)面碰撞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，建立車輛側(cè)面碰撞PSM子結(jié)構(gòu)乘員約束系統(tǒng)仿真模型。

1.1 汽車側(cè)碰試驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)提取

試驗(yàn)按照C-NCAP要求進(jìn)行。移動臺車前端加裝可變形吸能壁障沖擊試驗(yàn)車輛駕駛員側(cè)。移動壁障行駛方向與試驗(yàn)車輛垂直，移動壁障中心線對準(zhǔn)試驗(yàn)車輛R點(diǎn)，碰撞速度為50 km/h[8]。在建立PSM子結(jié)構(gòu)模型時(shí)，除需采集實(shí)車碰撞假人傷害數(shù)據(jù)和假人傷害部位相對應(yīng)車體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動情況外，還需要在汽車座椅、汽車門檻等位置布置傳感器用于測量運(yùn)動情況。

假人上肋骨、中肋骨、下肋骨、骨盆和趾骨等傷害感應(yīng)位置以及車門內(nèi)板相關(guān)位置均布置了傳感器。在撞擊側(cè)車門內(nèi)板布置了8個(gè)傳感器， B柱內(nèi)板布置有4個(gè)傳感器，分別布置在頂端、中部、底部和最底部。試驗(yàn)前需要對假人和座椅的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量來確定仿真模型中假人的坐姿，主要有假人H點(diǎn)位置、靠背角、骨盆水平夾角、大小腿間夾角以及上臂膀和軀干的夾角等。

1.2 車體結(jié)構(gòu)建模

汽車側(cè)面車體結(jié)構(gòu)包括駕駛員側(cè)A柱、B柱、C柱、B柱內(nèi)飾、前門內(nèi)板以及前門內(nèi)飾板等。側(cè)碰過程中對乘員傷害影響較大的是車門的傾入速度[9]，仿真模型中車門的運(yùn)動以實(shí)車試驗(yàn)中獲得的車門內(nèi)板的加速度波形作為輸入。建模時(shí)，先獲得車門內(nèi)板運(yùn)動初始PSM模型，在車門內(nèi)板傳感器所在位置，分別輸入所測得的位移-時(shí)間函數(shù)進(jìn)行PSM scaling計(jì)算。B柱內(nèi)板和B柱內(nèi)飾板的PSM建模方法同車門內(nèi)板、車門內(nèi)飾板建模方法。其余車體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動不考慮車體變形，采用B柱頂端傳感器測得的加速度波形，和B柱頂端一起運(yùn)動。

1.3 座椅和地板建模

座椅是乘員約束系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的子系統(tǒng)，由頭枕、靠背、側(cè)翼和座墊組成。按照試驗(yàn)中測得的座椅運(yùn)動加速度波形處理座椅的運(yùn)動。對地板可以直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并賦予座椅加速度運(yùn)動波形。

1.4 假人的定位和模型接觸的定義

仿真模擬前需對假人進(jìn)行定位。本文基于試驗(yàn)測得的座椅和假人相關(guān)數(shù)據(jù)對假人進(jìn)行定位，保證仿真模型中假人坐姿和試驗(yàn)中假人坐姿高度一致。

在建立側(cè)碰PSM子結(jié)構(gòu)仿真模型時(shí)涉及到的接觸主要有：假人與簾式氣囊的接觸、假人與側(cè)氣囊的接觸、假人與座椅的接觸、假人與門內(nèi)飾板的接觸、側(cè)氣囊與門內(nèi)飾板的接觸、簾式氣囊與前后窗以及B柱的接觸等。

2 側(cè)碰乘員約束系統(tǒng)仿真模型的驗(yàn)證

汽車側(cè)碰PSM子結(jié)構(gòu)仿真模型建立后，對模型進(jìn)行驗(yàn)證。對模型的驗(yàn)證主要從假人的運(yùn)動響應(yīng)以及假人傷害值兩個(gè)方面進(jìn)行[10]。MADYMO側(cè)碰模型的驗(yàn)證需遵循接觸時(shí)刻先后的原則，即按接觸時(shí)刻先后順序。力和加速度信號需要滿足“起始時(shí)刻、形狀、峰值、峰值時(shí)刻及脈寬”等基本特征[8]。模型驗(yàn)證之后才可進(jìn)行氣囊模塊參數(shù)、點(diǎn)火時(shí)間等參數(shù)的優(yōu)化分析。

圖1為不同時(shí)刻實(shí)車試驗(yàn)中假人運(yùn)動響應(yīng)和MADYMO仿真模擬假人運(yùn)動響應(yīng)的對比。

圖2～6為部分試驗(yàn)得到的假人傷害值響應(yīng)和MADYMO仿真假人傷害值響應(yīng)對比。

圖1 實(shí)車試驗(yàn)和仿真模擬的假人運(yùn)動響應(yīng)對比

圖2 頭部Y向加速度

圖3 頭部合成加速度

圖4 中肋骨Y向壓縮量

圖5 髖部合成加速度

圖6 后部腹Y向受力

乘員在側(cè)面碰撞中的傷害指標(biāo)一般有:頭部傷害準(zhǔn)則(HIC)、胸部損傷評價(jià)指標(biāo)(TTI)、胸部黏性傷害指標(biāo)(VC)、胸部肋骨變形量(RDC)、腹部受力傷害指標(biāo)(APF)、盆骨趾骨受力傷害評價(jià)指標(biāo)(PSPF)[11]。表1為試驗(yàn)和仿真的假人傷害指標(biāo)對比。從表中可以看出：除T12受力Fy以及T12力矩Mx外，其他關(guān)鍵傷害指標(biāo)值的誤差都能控制在10%以內(nèi)。由于在最終的碰撞傷害綜合評價(jià)指標(biāo)中T12受力和T12力矩不作為目標(biāo)函數(shù)的選取變量，因此仿真模型滿足對標(biāo)要求。

表1 模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比

綜上，無論是假人運(yùn)動響應(yīng)對比還是假人傷害值響應(yīng)對比，汽車側(cè)碰PSM子結(jié)構(gòu)仿真模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果都能較準(zhǔn)確地吻合。這表明建立的側(cè)碰PSM子結(jié)構(gòu)仿真模型能部分代替實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行后續(xù)側(cè)面約束系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 雙氣室側(cè)氣囊仿真建模

3.1 雙氣室氣囊的幾何設(shè)計(jì)

在氣囊的設(shè)計(jì)中一般首先按照車體結(jié)構(gòu)以及多假人、多工況的要求確定保護(hù)區(qū)域[12]：依據(jù) 50百分位和95百分位假人保護(hù)區(qū)域進(jìn)行氣袋幾何設(shè)計(jì)，保證覆蓋面積全面，讓氣囊能發(fā)揮出最佳性能來保護(hù)駕駛員胸部和腹部，使假人不受侵入車門的傷害。如果氣袋展開后覆蓋面積不全，最終將降低氣囊性能。

根據(jù)氣囊與假人的接觸面積劃分保護(hù)區(qū)域的包絡(luò)線進(jìn)行氣袋外形尺寸的設(shè)計(jì)，氣袋充滿后保證尺寸要求如下：

高度：至少覆蓋假人腹部和胸部上部，約等于650 mm。

寬度：至少覆蓋假人胸部寬度，約等于450 mm。

厚度：最厚處約120 mm。

3.2 氣囊有限元模型的建立

本文研究的氣囊由駕駛員側(cè)氣室氣室、車門側(cè)氣室兩部分組成，2個(gè)氣室共用1個(gè)內(nèi)側(cè)面，外側(cè)面上分別有泄氣孔。2個(gè)氣室不連通，分別由2個(gè)氣體發(fā)生器控制。

氣囊采用三角形膜單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元尺寸選取為10 mm，最小單元尺寸控制在2 mm。利用Hypermesh劃分網(wǎng)格時(shí)，先畫出氣囊的折疊線，然后沿氣囊的折疊線位置進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以減少由此產(chǎn)生的初始應(yīng)力與應(yīng)變[13]。網(wǎng)格劃分后采用Oasys Suite 12.0 Primer12_x64對氣囊進(jìn)行折疊(見圖7)，然后使用Hypermesh對折疊好的氣囊進(jìn)行彎曲。對本文建立的氣囊模型共進(jìn)行了7次折疊。

圖7 氣囊的折疊

3.3單、雙氣室氣囊模型的保護(hù)效果對比

在建立氣囊模型過程中，首先建立了帶有駕駛員側(cè)氣室和車體側(cè)氣室的雙氣室模型，模擬2個(gè)氣體發(fā)生器分別控制2個(gè)氣室的情況。該模型中氣室與氣室之間沒有交換區(qū)域，2個(gè)氣室通過共用中間面來連接，有獨(dú)立的泄氣孔。為了研究雙氣室氣囊和單氣室氣囊的保護(hù)效果，將建好的雙氣室氣囊的中間面刪除，形成了只有1個(gè)氣室的側(cè)氣囊，并對其設(shè)定2個(gè)氣體發(fā)生器。

在單氣室氣囊和雙氣室氣囊的仿真模型建立之后，對單氣室氣囊和雙氣室氣囊單獨(dú)作靜態(tài)起爆仿真，然后分別放入側(cè)碰子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型中進(jìn)行運(yùn)算。在運(yùn)算結(jié)果的Peak文件中可以找到相應(yīng)的假人傷害響應(yīng)值。通過對比兩種狀態(tài)下假人的傷害響應(yīng)值來探討雙氣室是否具有一定的優(yōu)越性。表2是單氣室氣囊和雙氣室氣囊保護(hù)下的假人傷害值對比，雙氣室氣囊保護(hù)下的假人傷害值相對于單氣室氣囊有明顯的下降。

表2 單、雙氣室氣囊模型假人傷害響應(yīng)值對比

單氣室氣囊和雙氣室氣囊仿真模型保護(hù)下的假人腹部響應(yīng)值見圖8～12。

圖8 中肋骨Y向位移

圖9 下肋骨Y向位移

圖10 上肋骨Y向加速度

圖11 中肋骨Y向加速度

圖12 下肋骨Y向加速度

從圖8～12可以看出：不論是胸部的Y向加速度還是胸部的Y向位移，雙氣室氣囊保護(hù)下的假人胸部加速度峰值和位移峰值都小于采用單氣室氣囊保護(hù)的情況。

通過上、中、下肋骨的Y向加速度對比可以看出：在單腔氣囊保護(hù)下，假人的胸部加速度出現(xiàn)了兩次峰值，分別出現(xiàn)在45 ms和65 ms左右。45 ms時(shí)刻，假人向氣囊側(cè)運(yùn)動，氣囊對假人開始產(chǎn)生明顯的緩沖作用，假人胸部開始減速；65 ms時(shí)刻，假人的胸部再次減速，此時(shí)的減速度主要由車門提供。這說明此時(shí)的氣囊壓縮量達(dá)到最大或者氣囊發(fā)生了擊穿現(xiàn)象。而在雙腔氣囊的保護(hù)下，假人胸部加速度的變化一直處在比較平穩(wěn)的狀態(tài)，低于高性能限值。因此，雙氣室氣囊具有明顯的優(yōu)越性。

4 雙氣室氣囊參數(shù)優(yōu)化

4.1 氣囊匹配實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

雙氣室氣囊相對于單氣室氣囊增加了1個(gè)氣體發(fā)生器，對乘員傷害影響比較敏感的氣囊參數(shù)依次為氣體發(fā)生器質(zhì)量流、排氣孔大小、織物滲透率等[10]。本文的參數(shù)優(yōu)化主要探討在2個(gè)氣室?guī)缀涡螤钕嗤那闆r下，2個(gè)氣室的質(zhì)量流率、氣囊泄氣孔大小同時(shí)變化時(shí)，如何通過優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到使假人傷害指標(biāo)值最小的目的。氣體發(fā)生器質(zhì)量流量和駕駛員側(cè)氣室泄氣孔大小參數(shù)值及設(shè)計(jì)水平如表3 所示。水平1根據(jù)汽車側(cè)面碰撞仿真的經(jīng)驗(yàn)值來選取，氣室1為車體側(cè)氣室，氣室2為駕駛員側(cè)氣室。

表3 設(shè)計(jì)變量參數(shù)水平

本文采用假人的傷害值加權(quán)后的綜合傷害評估值WIC[13]作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(1)

其中WIC作為目標(biāo)響應(yīng)綜合傷害評估值，其值越低，氣囊對乘員的保護(hù)性能越好。

4.2 側(cè)面安全氣囊設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)3因素3水平正交試驗(yàn)表構(gòu)造9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，見表4。

由正交試驗(yàn)得到的9組響應(yīng)值見表5。

表4 雙氣室氣囊正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表5 正交試驗(yàn)的響應(yīng)值

由響應(yīng)值可以看出：在氣室1氣體發(fā)生器質(zhì)量流量系數(shù)為 1.0,氣室2氣體發(fā)生器質(zhì)量流量系數(shù)為 1.0、氣室2泄氣孔直徑為36 mm時(shí)，WIC值最小，乘員保護(hù)效果最好。按照CNCAP標(biāo)準(zhǔn)[6]，假人側(cè)面碰撞胸部得分從原始模型的2.76分增加為3.53分。

表6給出了初始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的假人傷害響應(yīng)值的對比?？梢钥闯觯簝?yōu)化設(shè)計(jì)后的胸部變形指標(biāo)降低了12.5%,年限指標(biāo)降低了16%，腹部變形指標(biāo)降低了20%，達(dá)到法規(guī)要求。頭部損傷指標(biāo)和胸部黏性指標(biāo)相比初始設(shè)計(jì)明顯降低，骨盆損傷指標(biāo)滿足法規(guī)要求。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)已達(dá)到要求。

表6 初始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)響應(yīng)值

5 結(jié)束語

本文建立了側(cè)碰子結(jié)構(gòu)仿真模型，分析了單氣室氣囊和雙氣室氣囊的不同保護(hù)效果。研究結(jié)果表明：雙氣室氣囊相對于單氣室氣囊而言能對假人提供更好的保護(hù)效果，雙氣室氣囊在側(cè)面碰撞過程中能起到兩級緩沖作用，最大化地吸收假人在側(cè)碰中的能量。采用雙氣室氣囊還能避免側(cè)面碰撞過程中的氣囊擊穿現(xiàn)象，防止因單氣室氣囊擊穿導(dǎo)致的氣囊在擊穿后無法對假人起到緩沖作用的情況出現(xiàn)。

本文還通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，使側(cè)面碰撞乘員約束系統(tǒng)的可靠性滿足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，胸部壓縮量的分布范圍為13～17 mm，黏性指標(biāo)的分布范圍為0.072～0.113 m/s，腹部力約為1.17～1.73 kN，恥骨力約為1.98～2.21 kN，WIC約為0.28～0.34，滿足可靠性設(shè)計(jì)的要求。

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(責(zé)任編輯楊黎麗)

ResearchonSideCrashDouble-ChamberAirbagDevelopmentandExperimentOptimization

GE Ruhai，HE Wenping，YING Long

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

2017-01-18

中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (2013M541607)

葛如海(1957—)，男，江蘇如皋人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事汽車主、被動安全研究，E-mail：grh@ujs.edu.cn； 賀文平(1991—)，男，湖北隨州人，碩士研究生，主要從事側(cè)面碰撞乘員約束系統(tǒng)研究，E-mail：hewenping2000@126.com。

葛如海，賀文平，應(yīng)龍.側(cè)面碰撞雙氣室氣囊的性能優(yōu)化研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(9):1-7.

formatGE Ruhai，HE Wenping，YING Long.Research on Side Crash Double-Chamber Airbag Development and Experiment Optimization[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):1-7.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.001

U461

A

1674-8425(2017)09-0001-07