安全氣囊參數對離位兒童損傷影響研究

張學榮　許長龍　劉秋（江蘇大學，鎮江 212013）

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安全氣囊參數對離位兒童損傷影響研究

張學榮許長龍劉秋
（江蘇大學，鎮江 212013）

【摘要】以某汽車乘員側安全氣囊為研究對象，采用計算流體動力學方法在MADYMO軟件中建立了安全氣囊仿真模型。根據FMVSS 208法規中關于離位兒童乘員保護的要求，建立了3歲兒童離位仿真模型，并通過氣囊靜態起爆試驗、線性沖擊試驗及三歲兒童離位試驗驗證了所建仿真模型的有效性。采用該模型研究了安全氣囊參數對離位兒童損傷的影響。結果表明，排氣孔大小、氣體發生器產氣量、織布滲透率以及起爆角度等氣囊參數對離位兒童的損傷影響較為顯著。

主題詞：安全氣囊離位兒童損傷仿真

1　前言

汽車乘員的離位狀態（out of position）是指不系安全帶的情況下，乘員的乘坐位置比較靠前或者在碰撞發生時由于慣性力向前運動，在安全氣囊未完全展開的情況下與氣囊發生接觸的乘坐狀態［1］。安全氣囊在車輛發生碰撞時對于50百分位處于正常乘坐位置的成年男性具有較好的保護效果，能夠顯著減少乘員的傷害，但是對于離位兒童以及5百分位成年女性來說，由于其身材較小，乘坐位置靠近安全氣囊，在氣囊展開過程中，會因氣囊內部壓力較大而對離位乘員造成致命傷害［2，3］。

本文采用計算機仿真與試驗相結合的方法，研究乘員側安全氣囊排氣孔大小、氣體發生器產氣量、織布滲透率、起爆角度等氣囊參數對離位兒童乘員的損傷影響。

2　仿真模型的建立及試驗驗證

2.1氣囊仿真模型的建立

氣囊仿真模型的建立主要包括氣袋有限元模型的建立及充氣過程的模擬。其中氣袋有限元模型是對實際氣囊物理特性的模擬，包括氣囊幾何模型、折疊方式和材料參數的設定；充氣過程的模擬是定義氣室的充氣方式以及氣體發生器的參數，確保氣囊展開過程與試驗相一致。

為準確模擬氣囊的起爆過程，選用真實折疊法建立氣囊模型，折疊工具為MADYMO軟件中的Folder工具［4］。因乘員側安全氣囊（Passenger Airbag）展開后的形狀是三維立體形狀，使用Folder軟件折疊前必須獲得平面網格，所以需要對其進行部分展平處理。將二維模型導入Hypermesh軟件中進行網格逐片重建，然后合并相互連接的對應節點，生成一個部分折疊的氣囊網格模型，如圖1所示。將部分展平的氣囊網格導入folder折疊工具中，由于折疊步驟多，折疊過程中為了減小網格單元的變形程度選擇了薄折疊和較小的折疊間隙，圖2為折疊完成的氣囊形狀。但該氣囊有限元模型不能直接作為仿真計算的初始網格，因為氣囊在折疊過程中將發生不可避免的形變，從而造成氣囊內部應力和能量的不平衡，因此在氣囊展開之前需要對折疊氣囊進行松弛，松弛后得到的網格可作為初始網格。

按照軟件MADYMO的計算要求，除設置氣囊的初始網格外，還需要設置參考網格。為此，在Hypermesh軟件建立氣囊的有限元模型作為參考網格的模具，將已經折疊完成的氣囊放在此模具中充氣展開，充氣結束后，若氣囊與模具貼合，則此時的單元網格即可作為乘員側安全氣囊的最終參考網格。

氣囊的真實充氣過程是一個流體動力學過程，通過計算流體力學（CFD）可以對其充氣過程進行精確模擬［5］。本文基于CFD模擬氣囊氣體流動，將氣囊模型體積離散化分為30×30×50（分別為柵格不同方向的單元數）個單元，在 MADYMO軟件中通過ANTI_THROUGH_FLOW命令防止互不連通的氣囊層之間出現不應有的氣體交換，從而模擬出氣囊內部氣體的實際流動過程。

2.2線性沖擊模型的建立

通過對臺架進行實地測量，得到臺架的幾何尺寸和定點參數以及沖擊平板的質量參數，建立線性沖擊試驗仿真模型，模擬氣囊展開后與沖擊平板的接觸過程，如圖3所示。

2.3離位兒童仿真模型的建立

離位兒童仿真模型主要包括乘員艙模型及假人模型。將汽車廠家提供的乘員艙CAD模型導入Hypermesh建立乘員艙網格模型，生成的節點和單元導入MADYMO軟件得到乘員艙有限元模型。FMVSS 208法規中要求乘員離位試驗使用Hybrid III假人，由于假人試驗設備的限制，臺車試驗中使用的是3歲兒童P3假人。為了便于仿真模型的驗證，本文使用P3假人建立離位兒童仿真模型，待模型驗證成功后用Hybrid III 3歲兒童假人替換P3假人，同時調整假人坐姿，離位兒童仿真模型如圖4所示。

2.4仿真模型試驗驗證

2.4.1氣囊仿真模型

2.4.1.1安全氣囊靜態起爆試驗

在離位兒童損傷仿真研究中，對氣囊系統的仿真模型要求較高，必須保證乘員側安全氣囊的靜態展開過程及最終的展開形狀與試驗相一致，通過氣囊靜態起爆試驗可驗證仿真模型的準確性。氣囊靜態起爆試驗主要用來考察安全氣囊的展開包形以及完全展開的時刻是否符合設計要求，并以此為依據，在產品開發過程中對氣囊的氣袋包形和充氣特性進行優化設計［6，7］。圖5為氣囊展開過程的仿真結果與試驗錄像對比。

由圖5可看出，氣囊仿真模型的展開過程以及最終的展開形狀與試驗結果有較好的一致性，說明該氣囊仿真模型的運動學特性與試驗結果較接近。

2.4.1.2線性沖擊試驗

氣囊仿真模型的動力學特性主要通過線性沖擊試驗驗證，線性沖擊試驗臺架如圖6所示。

以氣囊的起爆時刻作為仿真的初始時刻，沖擊平板與安全氣囊在不同時刻的運動仿真與試驗對比結果如圖7所示。由圖7可看出，氣囊的展開過程以及沖擊平板與氣囊的相對運動過程能夠很好地吻合。沖擊平板的減速度時間歷程曲線對比如圖8所示，由圖8可看出，試驗與仿真在起始時刻、峰值大小、峰值出現時刻等方面具有較好的一致性，說明該氣囊仿真模型的動力學特性與試驗比較接近。

2.4.23歲離位兒童仿真模型

靜態離位試驗模型的調試較復雜，影響因素較多，除氣囊模塊本身、假人離位姿態以外，儀表板剛度、座椅剛度等因素對模型的準確性也有一定影響［8，9］，因此要綜合驗證仿真模型與試驗的一致性。仿真模型有效性驗證主要包括假人運動姿態驗證及動力學響應驗證。仿真與試驗的兒童假人運動姿態對比結果如圖9所示，由圖9可看出，仿真假人與試驗假人運動姿態較為一致。

仿真與試驗的兒童假人加速度時間歷程曲線對比結果如圖10所示，由圖10可看出，通過仿真得到的加速度時間歷程曲線與通過試驗所得相應曲線吻合較好，曲線脈寬、升降趨勢以及達到峰值時刻具有較好的一致性。

由上述分析可知，所建立的仿真模型能夠較準確地反映實際物理情況，而且模型的穩定性也較好。因此，該模型可用來進行兒童乘員離位損傷的研究。

3　　氣囊參數影響分析

3.1氣囊排氣孔大小對離位兒童損傷影響

在Hybrid III 3歲離位兒童仿真模型（排氣孔直徑為50 mm）基礎上，改變排氣孔的大小，分別選取排氣孔直徑為40 mm、45 mm、50 mm、55 mm和60 mm，經過仿真計算后輸出假人的傷害值。FMVSS 208法規規定的3歲離位兒童損傷閥值見表1。

表1　FMVSS 208法規中3歲離位兒童損傷閥值

圖11為不同排氣孔大小對兒童損傷影響結果。由圖11可看出，當排氣孔直徑增大時，HIC15、T3 ms和Nij顯著減小；Chest-D沒有明顯變化規律，但是都遠小于法規規定的損傷上限。因此可以得出，當增大排氣孔直徑時，氣囊內部的泄氣速度變快，有利于兒童的離位保護。

3.2氣體發生器產氣量對離位兒童損傷影響

在原有氣體發生器的基礎上，通過減少或增加產氣量的百分比（-30%、-20%、-10%、10%、20%），仿真分析氣體發生器產氣量對離位兒童損傷的影響。圖12為仿真環境下不同產氣量對離位兒童損傷的影響結果，由圖12可看出，隨氣體發生器產氣量的增加，兒童假人的HIC15、T3 ms均提高；隨氣體發生器產氣量的減少，氣囊的內部壓力減小，兒童乘員的綜合損傷減小。因此，產氣量越少對兒童的離位保護越好。但是當產氣量減少20%時，氣囊氣袋將無法完全展開，不能夠對成年乘員起到很好的保護作用，在車輛碰撞時會導致嚴重的碰撞傷害。

3.3氣囊織物滲透率對離位兒童損傷影響

氣囊織物滲透率的大小決定氣囊展開的可靠性和穩定性。為研究織物滲透率對離位兒童損傷的影響，在MADYMO軟件中設定PERMEABILITY.MODEL1透氣性系數分別為0.025、0.030、0.035、0.040和0.045，并進行相應的仿真計算。圖13為仿真環境下不同織物滲透率對離位兒童的損傷影響結果，由圖13可看出，當織物滲透率增大時，氣體泄氣量增加，氣囊內部壓力減小，對兒童假人的沖擊作用力減少，從而使兒童假人的HIC15、T3 ms以及頸部的軸向力降低。因此，當增大織布滲透率時，氣囊的泄氣速度變快，離位兒童綜合損傷減小。

3.4氣囊起爆角度對離位兒童損傷影響

氣囊的起爆角度決定了氣囊展開初期的沖擊方向，其對離位兒童的損傷會有一定影響。圖14為仿真環境下不同起爆角度對離位兒童的損傷影響結果。由圖14可看出，當氣囊的起爆角度≤90°時，兒童假人的HIC15滿足法規要求，但是Nij明顯增加。原因是氣囊的起爆角度過大，氣囊沖擊到擋風玻璃并通過擋風玻璃與假人頭部之間的間隙沖擊出來，巨大沖擊力對乘員頸部造成較大損傷。當氣囊的起爆角度為60°時，氣囊對假人造成的傷害最大，此時氣囊的沖擊方向即為假人的頭部方向，氣囊直接沖擊到假人的頭部，從而對假人造成巨大傷害。當起爆角度逐漸偏離60°時，假人的傷害值逐漸減小，在起爆角度為80°時，假人傷害值達到最小。所以針對兒童的乘坐位置，可以通過調節氣囊的起爆角度來提高對兒童的離位保護。

4　　結束語

根據FMVSS 208法規建立了3歲兒童離位仿真模型，并通過相關試驗驗證了仿真模型的有效性，在仿真環境中研究了排氣孔大小、氣體發生器產氣量、織布滲透率以及起爆角度等氣囊參數對離位兒童損傷的影響。結果表明，當增大安全氣囊排氣孔直徑或增大織布滲透率時，氣囊內部的泄氣速度變快，有利于兒童的離位保護；產氣量越少對離位兒童的保護越好，但是當產氣量小到一定程度時，氣囊氣袋無法完全展開，不能夠對成年乘員起到很好的保護作用；安全氣囊的起爆角度對離位兒童損傷影響較大，當起爆角度為60°時，氣囊對兒童乘員造成的傷害最大，可以通過調節氣囊的起爆角度來提高兒童的離位保護。

參考文獻

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（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年2月1日。

中圖分類號：U463.85

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）06-0053-05

Research on the Effect of Airbag Parameters on the Injury of Out-of-Position Children

Zhang Xuerong，Xu Changlong，Liu Qiu
（Jiangsu university，Zhenjiang 212013）

【Abstract】With a passenger airbag as research object，an airbag simulation model is established in MADYMO with computational fluent dynamics method.According to the requirements of FMVSS 208 regulations on the protection of outof-position（OOP）child occupant，a three-year old OOP children simulation model is established，which is verified through airbag static deployment test，linear impact test and three-year-old children OOP test.The influence of airbag parameters on injuries of OOP children occupant is analyzed.The simulation results show that the effect of airbag parameters including air vent size，gas mass of inflator，fabric permeability and deployment angle on OOP children damage is more significant.

Key words:Airbag，Out-of-position children，Injury，Simulation