基于數據分析的某車型側面安全氣囊的深度優化

商恩義 鞠春賢 蔣斌慶 王剛

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車工程技術研究中心）

1 前言

《歐洲新車評價規程（Euro-NCAP）》（2013版）中規定了側面撞柱試驗，并給出了相關試驗要求。但2013年Euro-NCAP官網發布的22款車型試驗結果中，側面撞柱試驗的胸部評價無一滿分[1]，其中肋骨變形量是主要失分點。目前，我國沒有相關法規規定側面撞柱試驗，《中國新車評價規程（C-NCAP）》（2012版）和GB 20071中也只規定了側面碰撞試驗。

對同一款車而言，側面碰撞中整個碰撞側車門變形侵入，而側面撞柱只是與柱狀壁障接觸，其兩側部分變形侵入，因而側面撞柱試驗中假人傷害更嚴重[2～4]。因此，在側面安全氣囊（SAB）開發時，在保證側面碰撞安全性的基礎上必須再進行深度優化，以提高側面撞柱試驗中的評分。目前SAB的開發方法主要是仿真試驗和側面臺車模擬試驗，但仿真結果難以體現約束系統的細小改變，可信度較低，而側面臺車模擬試驗結果又與實際情況偏離較多。因此，當需要通過微調SAB來提高其在側面撞柱試驗中的保護效果時，很難再依賴仿真或臺車試驗進行優化。在這種情況下，可通過對碰撞過程中假人試驗數據的綜合分析確認各約束系統的細微影響，為此，本文基于試驗數據的分析，對某車型側面安全氣囊的優化方法進行了研究。

2 ES-2假人胸骨架結構及傳感器布置

Euro-NCAP中規定側面撞柱試驗時，在駕駛員側放置ES-2假人，試驗車輛以29 km/h速度與直徑為254 mm的剛性柱進行呈90°角側面碰撞，評價部位包括假人頭部、胸部、腹部和骨盆[5，6]等。

為收集前排假人各部位在碰撞過程中的受力、變形等信息，需要在假人身上布置大量傳感器，假人結構及主要傳感器位置如圖1所示[7]，定義假人坐標系左、右為y向，向右為正[8]。

圖1中，肋骨變形傳感器與肋骨加速度傳感器共同反映肋骨受力情況；背板傳感器處于假人后背位置，外側罩有尼龍護板，背板力Fy反映假人上半身與座椅間的左、右相對運動關系；T12傳感器位于胸部與腹部之間，T12-Fy反映假人上半身與下半身的左、右相對運動關系；腹部力是通過假人側面的3個條形力傳感器測量，取3個傳感器測量結果之和對腹部力進行評價。

3 某車型側面撞柱試驗中側氣囊保護效果分析

某車型SAB開發后，按照《中國新車評價規程（C-NCAP）》（2012版）的要求進行了側面碰撞試驗，并按照E-NCAP的要求進行了側面撞柱試驗。兩試驗結果中，假人頭部和髖部試驗結果均較好，胸部和腹部試驗結果對比見表1。

表1 側面碰撞試驗與側面撞柱試驗中假人胸部和腹部試驗結果對比

由表1可知，側面碰撞試驗中各部位評分均為滿分，且各測量值均低于高性能限值的50%。而側面撞柱試驗結果較差，雖然腹部評分為滿分，但胸部只有0.63分，因此SAB需要進一步優化。

3.1 基于肋骨變形量分析

側面撞柱試驗中假人胸部失分主要原因是肋骨變形量偏大，其中上肋骨變形量最大。假人上、中、下3根肋骨變形量曲線如圖2所示。

由圖2可看出，在碰撞50 ms時，3根肋骨的變形量均為25 mm左右，并且前50 ms內3條曲線具有同步性，表明SAB對3根肋骨的保護效果一致，但肋骨變形量超過了高性能限值（22 mm），表明SAB的保護效果并不理想。在碰撞約50 ms后，下肋骨的變形緩解，但上肋骨和中肋骨先后有突變上升趨勢，其中上肋骨突變最明顯，最大變形達到38.8 mm，表明隨門內飾板的不斷侵入，上肋骨對應的氣囊處發生觸底。

3.2 基于肋骨加速度分析

在側面碰撞過程中，假人肋骨加速度曲線是假人肋骨空間運動的反映，但在碰撞初期，在假人未發生明顯移動的情況下，肋骨加速度曲線的變化反映了肋骨相對胸椎的運動情況，進而也反映了該加速度傳感器所在肋骨的受力情況，即當假人與SAB接觸時，如果SAB依然處于展開階段，SAB將對假人肋骨造成沖擊。在SAB的沖擊下，肋骨加速度曲線將產生一個尖峰，且尖峰的上升過程較快，近似垂直上升，因此，該尖峰與橫坐標所圍成的圖形可近似看作直角三角形；當假人與SAB接觸時，如果SAB已完全展開，SAB將平緩地泄荷吸能。在SAB泄荷吸能作用下，假人肋骨加速度曲線也將產生一個波峰，但波峰上升的過程相對較慢，該波峰與橫坐標所圍成的形狀可近似看作等腰三角形。因此，在假人未發生明顯移動的情況下，為分析肋骨變形量產生的主要原因，可借助肋骨加速度曲線所形成的三角形形狀進行分析，即當肋骨加速度曲線的第1個峰近似成直角三角形時，若下肋骨變形量偏大，則應提前SAB點火時間來優化SAB，避免SAB充氣過程中與假人側面發生接觸；當肋骨加速度曲線的第1個峰近似等腰三角形時，若下肋骨變形量偏大，則應從降低三角形高度，即降低SAB剛度來優化SAB；當肋骨加速度曲線在碰撞后期出現峰尖時，則視為氣囊發生觸底。當氣囊發生觸底造成肋骨變形量偏大時，應提高氣囊剛度來優化SAB。

對于側面撞柱試驗中3根肋骨變形量均偏大的情況，通過肋骨加速度曲線來分析導致肋骨變形量偏大的原因。側面撞柱試驗中假人上、中、下3根肋骨加速度曲線如圖3所示。

由圖3可看出，不考慮安全帶預緊作用在碰撞17 ms左右產生的負向加速度，加速度曲線前端可視為直角三角形，表明氣囊在充氣過程中與假人側面發生碰撞，且碰撞強度較高，導致三角形的“高”也較長，最高達83g。對于上肋骨和中肋骨加速度曲線，在碰撞50 ms左右出現了第2個峰尖，屬于異常，是氣囊觸底產生；而上肋骨第2個峰尖較高，達88g，即氣囊觸底嚴重。

綜合分析3根肋骨加速度曲線可知，碰撞前期，SAB充氣過程中假人與氣囊發生接觸；碰撞后期，假人上肋骨位置對應的氣囊觸底嚴重。

3.3 基于腹部力分析

該車型初步設計的SAB具有對乘員胸部側面和腹部側面共同保護的功能。側面撞柱試驗后，假人側面腹部力曲線如圖4所示。

圖4中，在碰撞約20～30 ms內，腹部力上升明顯；在約30～50 ms內，假人腹部力上升趨勢變緩；在約50 ms后，腹部力開始減小。整個碰撞過程中，假人腹部力的最大幅值為555 N，僅約為高性能限值的1/2。結合圖3中肋骨加速度曲線來分析腹部受力情況，在碰撞約30～50 ms內是安全氣囊泄荷吸能階段，假人側面均得到了較好保護；碰撞約50 ms后，上肋骨對應氣囊發生觸底，上肋骨與門內飾板間的撞擊力突然增大，則腹部受車門內飾板的撞擊強度得到明顯緩解。

4 優化方案

對該車型試驗中假人肋骨變形量、肋骨加速度曲線、腹部受力等分析表明，在當前SAB配置下，碰撞過程中門內飾板侵入造成的沖擊主要由假人上肋骨部位承受。因此，對SAB的深度優化應從兩方面考慮:一是提高SAB胸部保護剛度，平均上、中、下肋骨變形程度。目前情況下，因假人與SAB接觸時SAB正處于充氣過程，因此中、下肋骨的最大變形量達27.29 mm，已經高于高性能限值，但如果通過提前氣囊點火時間來降低這2根肋骨的變形量，則碰撞后期氣囊觸底將更加嚴重，因此不能將提前氣囊點火時間作為優化方案。另外，降低氣囊剛度的方法也不可取，因當前的氣囊在碰撞過程中已經發生觸底，上肋骨的變形量因發生觸底而異常偏高，所以為降低上肋骨的變形量，氣囊的剛度不但不能降低，反而還需要提高。在這種情況下，在優化后的SAB作用下，肋骨的最大變形量不會低于27 mm，故3根肋骨的最大變形量目標應為30 mm。二是增大腹部分擔撞擊力的比重，以均衡胸部側面和腹部側面受力損傷，使腹部在不失分的情況下所承擔的力越大越好，即略低于腹部力高性能限值（1 kN）為最佳。

無論何種優化方案，前提是在C-NCAP側面碰撞試驗中假人損傷無明顯加重，至少確保當前側面碰撞中得分不會降低，即氣囊的優化要在不降低中國星級評價等級的情況下進行。

在提高SAB剛度（提高假人與SAB接觸時的撞擊強度）以及直接提高假人腹部受力的情況下，都會導致側面碰撞試驗中假人局部傷害增加。但由表1可知，該車型在按照C-NCAP中的要求進行試驗時，假人胸部和腹部各傷害值均較小，遠低于高性能限值的1/2，因此，僅適當提高當前SAB剛度，即使假人某些部位的傷害會有所增加，但對C-NCAP的評價不會產生影響。

提高SAB的剛度可以從以下幾方面著手:提高氣體發生器產生量；減小氣囊排氣孔尺寸；減小氣袋體積。因氣體發生器為標準系列產品，通過調換發生器以得到理想氣囊剛度較難，且深度優化階段更不能輕易變更；另外，當前氣囊的排氣孔尺寸已較小，且位置處于氣袋下端，加之碰撞過程中門板侵入后的分隔作用，所以通過減小排氣孔尺寸來解決上肋骨位置氣囊觸底情況較難；減小氣袋體積以提高整個SAB的剛度相對較易，但要犧牲某些部位的保護功能。綜合考慮各因素，最終確定優化方向為縮短氣袋長度，即減小SAB對腹部的保護作用，讓腹部下端與侵入的門內飾板直接發生撞擊，同時提高氣囊剛度，增大氣囊在碰撞過程中對乘員胸部側面的推力。結合當前SAB與腹部的對應位置，最終確定優化方案為將SAB下端縮短80 mm。

5 優化后SAB的保護效果分析

5.1 優化后SAB在側面撞柱試驗中的保護效果

根據SAB優化方案加工出樣件，優化前、后樣件對比結果見圖5。經測量，優化后SAB容積為14.8 L，比優化前（15.5 L）減小0.7 L。對優化后的SAB保護效果進行了仿真試驗驗證，結果表明，SAB減小0.7 L后對假人的保護效果沒有任何變化。對優化后的SAB進行了實車側面撞柱試驗，試驗結果見表2。

表2 SAB優化后側面撞柱試驗中前排假人胸部和腹部試驗結果

由表2可知，3根肋骨變形量均約為28 mm，低于30 mm的目標值，滿足要求。胸部得分由優化前的0.63分提高到2.46分，提高了1.83分，達到目標值；腹部力由優化前的0.555 kN提高到0.995 kN，雖然提高明顯，但低于1 kN，未造成失分。

SAB優化后側面撞柱試驗中假人上、中、下肋骨變形量如圖6所示，優化前、后側面撞柱試驗中腹部力曲線對比結果如圖7所示。

由圖6可看出，3條曲線整體變化趨勢及幅值都較接近，表明碰撞過程中3根肋骨所受撞擊力得到了平衡。但需要注意的是，上肋骨變形量曲線在60 ms后出現了第2個峰，說明此次試驗中SAB在上肋骨位置依然發生了觸底，但氣囊觸底產生的第2個峰值略低于氣囊作用階段產生的第1個峰值。該結果表明，如果氣囊剛度再提高一些，則氣囊作用下的上肋骨變形量就會增加，高于當前值；如果氣囊剛度再低一些，則氣囊觸底造成的上肋骨變形量就會增加，也會高于當前值，即當前的SAB剛度比較合適。

由圖7可看出，SAB優化后的側面撞柱試驗中，腹部力在整個碰撞階段均高于優化前試驗結果，尤其在SAB作用階段，所承擔抗撞擊作用得到明顯提升。雖然在60 ms后因保護腹部的氣囊下端被剪短了80 mm，氣囊發生觸底，導致腹部力異常上升，但并未造成失分。

由上述可知，3根肋骨變形量曲線彼此接近，腹部作用力提升至臨界失分點，表明整個側面受力達到了較好的平衡，氣囊優化基本達到最佳狀態。

5.2 SAB優化后對側面碰撞結果的影響

SAB優化前、后側面碰撞試驗中假人胸部和腹部試驗結果對比見表3。

表3 SAB優化前、后側面碰撞試驗中假人胸部和腹部試驗結果對比

由表3可知，SAB優化后側面碰撞試驗結果較好，與SAB優化前的側面碰撞試驗結果相比，腹部力提高了0.17 kN，同時下肋骨變形量增大，上肋骨變形量減小，與SAB優化前、后側面撞柱試驗結果相一致。但需要強調的是，雖然SAB優化后假人有些部位的傷害有所增加，但仍遠低于相應部位的高性能限值，對試驗結果的評價沒有產生影響。

6 結束語

在試驗數據分析基礎上，通過對某車型SAB的深度優化研究得出如下結論:

a.在對約束系統進行深度優化時，與仿真和臺車試驗相比，數據分析方法更具有靈活性和可信度；

b.在針對肋骨變形量進行優化時，應該在協調肋骨加速度形狀基礎上平衡3根肋骨變形量，使3根肋骨的變形量盡可能接近，且不存在氣囊觸底導致傷害加重情況；另外，均衡假人胸部側面與腹部側面所分擔的撞擊力，以使乘員側面損傷綜合評價得分最高。

1 European New Car Assessment Program:Pole Side Impact Testing Protocol(version5.2,November 2011)[S/OL].http//www.euroncap.com:1～2.

2 Euro NCAP Rating Review Report from the Rating Group(January 2012)[S/OL].http//www.euroncap.com:11～12.

3 European New Car Assessment Program(Euro-NCAP)Offi?cial Web[S/OL].(2013-11-01).http//www.euroncap.com

4 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.汽車側面碰撞的乘員保護,GB 20071—2006.北京:中國標準出版社，2006.

5 中國汽車技術研究中心(天津).C-NCAP管理規則（2012年版）[S/OL].(2013-06-20).http//www.c-ncap.org.

6 劉靜波.某轎車側面碰撞被動安全性仿真分析與試驗研究:[學位論文].長春:吉林大學，2012.

7 Humanetics Innovative Solutions,User’s Manual for Euro?SID-250tf percentile side impact Crash Test Dummy(Janu?ary 2007)[S/OL].Web:www.humaneticsatd.com:15～16.

8 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).SAE J211-1:Instrumentation for Impact Test-Part1-Electron?ic Instrumentation,REV.MAR95[S].USA SAE,2003.