膝部安全氣囊仿真與優化

欒海，田國紅，程海東

1.遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧錦州 121000；2.嵐圖汽車科技有限公司，湖北武漢 430051

0 引言

對于乘員下肢的損傷，71%發生在汽車前碰撞事故中[1]，下肢損傷會導致生理機能喪失甚至殘疾，給受傷人員帶來長期的身心傷害以及沉重的經濟負擔，因此引起人們越來越多的重視。膝部安全氣囊(knee air bag，KAB)可以分散集中撞擊力，減少骨折情況發生，從而降低膝部傷害風險。

20世紀70年代，荷蘭應用科學研究組織(TNO)開發了多剛體動力學分析軟件MADYMO，擁有機械假人數學模型，提供安全帶及安全氣囊的模擬[2]，目前大多應用計算機仿真軟件MADYMO搭建乘員約束系統模型，探究膝部安全氣囊對下肢的影響。李麗等[3]利用MADYMO軟件搭建車體-膝部安全氣囊模型，通過正交試驗設計對其進行優化，優化后的膝部安全氣囊降低了乘員加權傷害指標。王含玉等[4]在MADYMO軟件搭建客車膝部安全氣囊正面碰撞約束系統模型，采用多目標遺傳算法對其進行參數優化，研究表明，膝部安全氣囊不僅能對大腿起到較好的保護效果，而且能減小頭、胸部損傷值。

上述文獻在進行優化參數選取時，是根據膝部安全氣囊的特點和實際情況，并沒有進行靈敏度分析，可能導致膝部安全氣囊優化效果無法達到最佳，且在對乘員腿部受力分析時，只有對大腿所受合力的分析，沒有對大腿X、Y、Z方向的具體受力分析。本文針對中國新車評價規程(C-NCAP)中正面100%重疊剛性壁障碰撞(FRB)的要求，利用CATIA、Hyperworks和MADYMO等軟件建立了駕駛員側正碰約束系統，對有無膝部安全氣囊正碰約束系統模型各部位受力情況進行精細化分析，結合實車試驗數據進行靈敏度分析、正交試驗設計和極差分析，然后進一步優化，探究膝部安全氣囊對乘員頭部和胸部的影響以及對下肢的保護情況。

1 駕駛員側正碰約束系統的建模及驗證

根據相關的仿真理論搭建駕駛員側正面碰撞約束系統模型，由正碰車體(安全座椅、轉向系統、風擋玻璃、方向盤、儀表板、護膝板、地板等車體組成部分)膝部安全氣囊、“混合型”安全帶和正碰假人等組成。C-NCAP中規定使用HybridⅢ50%假人模型，軟件MADYMO的假人庫中導出的假人模型是經過驗證后的有效模型，本文進行正面碰撞仿真時選取MADYMO假人庫中的橢球型假人。C-NCAP中還規定正面100%FRB碰撞工況下模擬試驗環境中車速為50 km/h，因此需給正碰車體模型和假人模型定義50 km/h的初速度[5]。

采用三維設計軟件CATIA設計膝部安全氣囊的CAD模型，在前處理軟件Hypermesh中劃分網格，在仿真軟件MADYMO中設置各參數，最后對膝部安全氣囊進行試驗驗證[6]。在搭建完成膝部安全氣囊仿真模型之后，通過對仿真模型輸出的動畫和隨時間變化曲線與實車試驗測試數據進行比較，通常認為仿真結果與實車試驗結果重合度達到85%以上為有效[7]。膝部安全氣囊有效性驗證試驗包括氣囊靜態起爆試驗和氣囊動態沖擊試驗，因此兩種試驗理論和方法比較成熟，在此將不詳細說明。

上述方法是建立帶有膝部安全氣囊的前部碰撞約束系統模型。如果要構建沒有膝部安全氣囊的前部碰撞約束系統，只需要去掉上述膝部安全氣囊模型以及膝部安全氣囊加載的約束和邊界條件即可，膝部安全氣囊約束系統模型如圖1所示。

圖1 膝部安全氣囊約束系統模型

2 駕駛員側正碰約束系統的仿真分析

本文研究膝部安全氣囊的初衷是輔助其他被動安全裝置來保護乘員的下肢，由于車輛事故中因頭部和胸部受傷而死亡的人數較多，且C-NCAP中頭部和胸部的分數占比相對較高，所以另選取了假人的頭部和胸部進行研究。圖2為有無KAB的正面碰撞約束系統仿真輸出對比曲線。

由圖2可以看出，發生正碰時含有膝部安全氣囊中假人模型腿部初始接觸從原來的護膝板更改為膝部安全氣囊，這提早了假人腿部發生接觸的時間；假人的大腿受力曲線達到首次峰值時間提前；假人的大腿力受力值小，且隨時間變化更為平緩，這是因為發生碰撞時膝部安全氣囊在展開的過程中能夠阻攔護膝板與假人的腿部直接接觸而造成的擠壓，對正面碰撞產生的力進行緩沖，從而減小大腿X方向受力；當發生正面碰撞時，身體由于慣性向前運動，此時腿部向前移動與展開的膝部安全氣囊發生接觸，抵擋了碰撞時產生的部分力，這種緩沖作用會降低頭部和胸部合成加速度峰值，并且到達峰值的時間延緩3 ms左右，膝部安全氣囊所具有的緩沖效果有利于駕駛員側正面氣囊的充分展開，那么兩者聯合可為假人提供更佳的保護效果。

3 乘員約束系統參數優化

通過靈敏度分析，確定了對約束系統影響較大的3個參數：膝部安全氣囊的排氣孔直徑比A(優化后前比)、起爆時間B以及質量流率比C(優化后前比)。對其進行正交試驗設計來優化約束系統，選取加權傷害指標[8](weighted injury criterion，WIC)作為試驗指標。

在正交試驗中，如果對每個因素選擇多水平試驗可提高優化效果，但增加因素水平數的同時會使試驗次數呈幾何倍數增長，因此各因素將選取3個水平進行試驗，正交試驗因素水平見表1。若忽略各因素的交互作用，認為各因素對約束系統的影響是獨立的，也就是說只需9次試驗就可體現出33次試驗的所有信息[9]，表2為正交試驗。選取WIC用來評判約束系統的綜合保護效果，其數值越低保護效果越好。

表1 正交試驗因素水平

表2 正交試驗

(1)

在MADYMO軟件中調整表1和表2中對含有膝部安全氣囊的正碰約束系模型相關參數進行正交試驗，為確定各因素最佳水平，選擇各因素之間的最佳水平組合，有必要對含有膝部安全氣囊的正碰約束系統模型正交試驗得到的結果進行極差分析，詳見表3。

表3 極差分析

在表3中，Kj表示每次試驗各因素在第j個水平的結果之和，j取1、2、3，kj代表Kj的均值。將假人的WIC值作為評價指標，其中極差值RA>RC>RB，則這3個參數影響假人WIC值的主次順序分別為膝部安全氣囊排氣孔直徑比A、質量流率比C、起爆時間B。將對這3個參數不同水平下假人WIC的平均值進行比較，確定A2B1C2為最優水平組合。為了驗證膝部安全氣囊正碰約束系統的優化效果，有必要研究所確定的最佳水平組合的假人相關損傷指數和假人身體各部分的時程曲線。

圖3 假人傷害曲線優化前后對比

4 結束語

伴隨著國內膝部安全氣囊的普及應用，也會有越來越多對膝部安全氣囊的約束系統的研究。根據已有的正碰整車模型和膝部安全氣囊的有關試驗數據，搭建駕駛員側正面碰撞整車模型、假人和膝部安全氣囊的仿真模型，并通過正交試驗設計進行模型優化。通過輸出曲線可以直接反映出膝部安全氣囊對乘員身體各個部位尤其是腿部的保護效果。該研究為膝部安全氣囊對汽車正面碰撞時乘員安全性的提升提供了科學依據。