校車主動式安全氣囊控制參數分析

葛如海，趙　越，應　龍

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇鎮江212013)

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校車主動式安全氣囊控制參數分析

葛如海，趙越，應龍

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇鎮江212013)

摘要：為彌補校車現有乘員約束系統的不足，利用經臺車試驗驗證的MADYMO校車乘員約束系統模型，建立主動式安全氣囊的仿真模型。根據氣囊的工作原理，分析拉帶長度、排氣孔面積、氣體質量流率、氣囊安裝位置等氣囊參數對6歲兒童乘員傷害值的影響。仿真結果表明：有氣囊保護時乘員頭頸損傷值降低，但胸部保護效果不明顯。排氣孔面積變化最大可使6歲兒童乘員綜合評價指標WICS(Weighted Injury Criteria for School)降低21.3%，氣囊安裝位置變化可使WICS最大降低11.5%。上部、中部、下部拉帶可使WICS最大降低值分別為2.52%、2.23%和1.58%，氣體質量流率可使WICS最大降低2.23%。由于氣囊安裝位置與排氣孔面積對乘員的影響最為顯著，氣囊參數的調整可明顯改善6歲兒童乘員傷害值，實現校車對6歲兒童更好的保護。

關鍵詞：校車；乘員約束系統；兒童；安全氣囊；參數分析

0引言

據不完全統計[1]，2010年至2014年這五年內，全國共發生校車事故43起，其中八成有致死傷害，死亡人數達到153人。目前，我國大部分校車配備了GB14166《機動車成年乘員用安全帶和約束系統》中規定的兩點式腰帶安全帶，這對于兒童乘員的保護是遠遠不夠的。李志剛等[2]研究表明，現有的校車兩點式安全帶不能為兒童乘員提供全面有效的保護，兒童乘員頸部在校車正面碰撞過程中易發生嚴重傷害。胡國武[3]研究發現，在汽車低速碰撞時，三點式兒童安全帶約束系統對兒童保護比較好，但在高速碰撞時三點式將對兒童產生很大傷害，特別是胸部變形嚴重，隨著汽車碰撞速度增加兒童損傷也隨之增大。美國交通研究中心的Elias團隊[4-5]指出:三點式安全帶有助于降低乘員傷害，但錯誤使用反而會使乘員傷害水平更加嚴重。而且由于年齡小和自我保護意識不足，大部分兒童佩戴安全帶率不高，在發生緊急制動或者正面碰撞時，兒童將由于身體巨大的慣性作用向前移動，撞擊到前排座椅或者車體其他部件而造成傷害[6]。為彌補現有校車乘員約束系統的不足，引入安全氣囊對兒童進行保護。

很多公司都是在汽車前排座椅靠背安裝氣囊，碰撞時點爆，實現對后排乘員的保護，也有在車輛頂棚嵌入安全氣囊裝置，裝于前排后排乘員前側，碰撞發生時展開保護乘員[7-11]。Elias等[5]在校車座椅臺車試驗時使用了一種氣囊式安全腰帶，可在碰撞時從腰帶中彈射出氣囊，在乘員和前排座椅靠背之間形成氣墊，能夠對乘員頭部提供支撐，降低頸部傷害。這些氣囊都是碰撞時點爆充氣展開的。然而對于前排副駕駛位置的離位兒童，安全氣囊起爆時的巨大沖擊力會對兒童的頭部造成巨大傷害，輕則面部擦傷，重則窒息、頸椎骨折甚至死亡[12]。

為降低校車前排座椅安裝的安全氣囊快速釋放對兒童乘員的沖擊傷害，提出了一種校車主動式兒童安全氣囊系統[13]，該氣囊是常開式的，這是校車乘員約束系統方面研究的首次嘗試[14]通過安全氣囊的排氣節流阻尼吸收碰撞能量，降低兒童乘員在正面碰撞中的損傷，目前僅對12歲兒童損傷進行了研究。因此需要針對6歲兒童設計校車主動式安全氣囊，并對相關控制參數進行仿真分析，研究其對6歲兒童的保護效果，以便為今后校車乘員約束系統的開發提供參考。

圖1　校車正面碰撞模型Fig.1　School bus frontal crash model

1校車6歲兒童乘員約束系統模型

1.1校車原始約束系統模型

建立校車車內環境模型包括座椅、地板等，根據臺車試驗測量數據調入假人，調整假人位置，為假人建立兩點式安全帶模型，將臺車試驗相關數據作為模型輸入，得到初始仿真模型如圖1所示。

該校車模型已經經過臺車驗證[14]，試驗中6歲兒童HIC15(Head Injury Criteria)為159，胸部3 ms合成加速度T3ms為18.2 g。臺車試驗和仿真模型的乘員部分傷害指標對比曲線如圖2所示。

由圖2可知仿真曲線與試驗曲線在起始時刻、峰值與峰值出現時刻基本吻合。

(a) 6歲假人頭部合成加速度

(b) 6歲假人胸部合成加速度

(c) 6歲假人安全帶力

1.2校車主動式安全氣囊

1.氣囊織袋; 2.進氣控制閥; 3.泄氣控制閥; 4.卷簧; 5.盒體; 6.氣體壓力傳感器; 7.控制器ECU; 8.車速傳感器; 9.總開關; 10.壓力分布傳感器; 11.供氣系統圖3　校車安全氣囊系統圖Fig.3　System configuration of school bus airbag

校車兒童主動式安全氣囊系統由儲氣裝置、控制系統、進氣閥、泄氣閥和氣袋組成[13]，如圖3所示。

主動式氣囊的工作原理：校車啟動后，車速傳感器檢測到校車達到規定車速，且壓力分布傳感器識別到座椅上有乘員時，ECU(Electronic Control Unit)發出指令，打開進氣閥，氣囊充氣，充氣完成后進氣閥關閉，在行駛過程中氣囊保持展開狀態，為兒童乘員提供全時保護。當碰撞發生時ECU根據車速傳感器監測到的碰撞程度確定泄氣閥開啟時間和程度。兒童乘員與氣囊發生二次碰撞后，ECU根據氣袋內氣體壓力傳感器監測到的達到預設閾值的氣囊內壓打開泄氣閥，通過排氣閾值時，泄氣閥開啟，通過排氣孔的排氣節流阻尼吸收碰撞能量，降低乘員傷害。

該主動式安全氣囊可以通過氣囊安裝位置、氣體質量流率、排氣孔面積(因為該氣囊材料無透氣性，所以不考慮織物泄氣性)、排氣孔個數、排氣孔位置、排氣孔開啟氣囊腔壓力、拉帶長度等參數的調整控制兒童損傷。在12歲假人氣囊的研究結論基礎上，選用拉帶長度、排氣孔面積、氣體質量流率、氣囊安裝位置等研究其對6歲兒童乘員損傷影響。

1.3校車主動式安全氣囊模型

使12歲兒童得到很好保護的氣囊上部分要保證在碰撞時能完全包裹住乘員頭部上端，不碰到前排座椅靠背，兒童胸腹處對應氣囊較突出[15]，筆者根據前面研究的可實現對12歲兒童較優保護的氣囊參數，利用三維軟件CATIA建出能兼顧6歲兒童保護的初始氣囊模型，使用Hypermesh進行網格劃分，網格為三角形膜單元，在網格繪制過程中檢查了雅格比、翹曲、單元尺寸等保證了網格的質量。將氣囊網格的節點和單元信息導入MADYMO校車模型中進行仿真，利用固定鉸將氣囊安裝在前排座椅靠背與其同步運動，并用SUPPORT將氣囊背面節點與前排座椅固定。定義氣囊與座椅靠背的接觸時，因為氣囊與座椅均為有限元，計算耗時長，用多剛體平面簡化座椅靠背，使用CONTACT.MB_FE定義多剛體靠背與氣囊接觸，假人頭、頸、胸、腹、大腿、膝蓋等與氣囊的接觸。仿真時長為200 ms，步長為1.0×10-5。校車主動式安全氣囊模型如圖4所示。初始氣囊模型和無氣囊仿真模型的6歲兒童乘員損傷值對比如表1所示。氣囊模型碰撞仿真過程如圖5所示。

(a) 側視圖　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 軸視圖

項目參數無氣囊仿真模型氣囊模型標準變化率/%HybridⅢ型6歲假人頭部傷害評價指標HIC15157.4124.9500-19.8胸部3ms合成加速度T3ms/g17.217.530+1.7頸部傷害評價指標Nij1.3860.6921-50.1左大腿軸向力FFCL/N82474910000-9.1右大腿軸向力FFCR/N81065510000-19.1

(a) 50 ms(b) 100 ms(c) 150 ms

圖5校車氣囊模型仿真過程

Fig.5School bus airbag model simulation process

從表1可以看出6兒童乘員在校車前排座椅添加氣囊后頭部傷害評價指標HIC15會降低19.8%，胸部3 ms合成加速度T3ms基本沒變化，頸部傷害評價指標Nij降低值達到50.1%，左、右大腿軸向力FFCL、FFCR均有所降低，說明添加主動式安全氣囊能進一步保護頭部，對頸部的保護效果最有效，但對胸部保護效果不明顯。但是相較于試驗中的頭胸損傷數據，氣囊模型的HIC15降低21.4%，T3ms降低3.8%。

2校車新型氣囊參數對6歲兒童損傷的影響

根據新型安全氣囊工作原理，對氣囊上拉帶長度、中拉帶長度、下拉帶長度、排氣孔面積、氣體質量流率、氣囊安裝位置等6個氣囊參數進行仿真分析，研究它們對6歲兒童乘員損傷的影響。

使用頭部傷害評價指標HIC15，頸部傷害評價指標Nij，胸部3 ms合成加速度T3ms，大腿傷害指標FFC(Femur Force Criteria)，以及在WIC基礎上添加了頸部傷害的完全傷害評價指標WICS，綜合考慮碰撞中頭部、頸部、胸部以及大腿損傷對兒童乘員總體傷害的影響[2,17-18]，公式如下：

式中，HIC的限值為500，T3ms限值為30 g，大腿軸向力限值為10 kN。在任意時刻，Nij不能大于1。

2.1上部拉帶

上部拉帶的設計原值為235 mm,在原值基礎上選取6組值進行計算，不同拉帶長度下6歲兒童傷害情況如表2所示。從表2中可以看出，上部拉帶長度變小時，6歲乘員的T3ms和Nij降低，左右大腿軸向力升高。

表2　上部拉帶長度變化對6歲乘員損傷影響

2.2中部拉帶

中部拉帶的設計原值為290 mm,同樣在原值基礎上在計算6組長度下6歲兒童傷害值如表3所示。從表3中可以看出，中部拉帶長度變小時，6歲乘員的T3ms基本呈下降趨勢，左右大腿軸向力升高，HIC15基本呈上升趨勢。

表3　中部拉帶長度對6歲乘員損傷影響

2.3下部拉帶

下部拉帶在原值340 mm基礎上另外計算6組拉帶長度的6歲兒童損傷如表4所示。從表4中可以看出，腹部拉帶長度變小時,6歲乘員的T3ms和Nij先增高后降低，左右大腿軸向力基本呈升高趨勢，HIC15基本成增大趨勢。

表4　下部拉帶長度對6歲乘員損傷影響

2.4排氣孔面積

排氣孔面積影響氣囊泄氣的快慢，本文將排氣孔面積設為原值的-20%到+100%，以20%遞增。不同排氣孔面積下乘員傷害情況如表5所示。從表5中可知，排氣孔面積增大時，6歲乘員的T3ms、Nij、HIC15和WICS都顯著下降，但是左右大腿軸向力升高。

表5　排氣孔面積對6歲乘員損傷影響

2.5氣體質量流率

校車兒童安全氣囊碰撞前已經充氣完成，所以氣體質量流率主要影響氣囊的充氣量和氣囊的初始壓力值，本文研究氣體質量流率的-25%、-15%、+15%、+25%、+35%對乘員損傷情況如表6所示。從表6中可以看出，氣體質量流率增大時,6歲乘員的T3ms有上升趨勢，Nij有下降趨勢，HIC15降低變化明顯，WICS降低。

表6　氣體質量流率對6歲乘員損傷影響

2.6氣囊安裝位置

氣囊的位置也會影響乘員損傷，氣囊安裝點在氣囊盒體中心處，此點位于氣囊安裝面中心曲線上，距完全展開氣囊下邊界垂直距離為0.182 m，氣囊最初的位置在安裝點距離前排坐墊上表面0.395 m， 0.375 m，0.355 m，0.345 m，0.34 m，0.335 m處的氣囊對應的6歲兒童傷害值如表7所示。從表7中可以看出，氣囊安裝位置降低時,6歲乘員的Nij、HIC15和WICS降低，變化顯著。Nij下降了44%，HIC15下降了14.7%，WICS下降了11.5%。

表7　氣囊位置對6歲乘員損傷影響

3參數靈敏度分析

為了更直觀的看出各參數對綜合評價指標WICS的影響,對氣囊各參數變化下的乘員綜合評價指標進行靈敏度分析。靈敏度公式如下：

靈敏度越大說明該參數變化對校車6歲兒童乘員傷害影響越大。所得氣囊各參數變化對應的綜合評價指標WICS的影響如圖6所示。

圖6　氣囊各參數變化對應的綜合評價指標WICS靈敏度分析

由圖6分析得出氣囊安裝位置變化和排氣孔面積變化對降低6歲兒童乘員綜合評價指標WICS影響較大，最大降低率分別為11.5%和21.3%，拉帶長度變化以及氣體質量流率變化對6歲兒童乘員傷害影響相對較小，上部、中部拉帶及氣體質量流率變化影響差不多，最大降低率分別為2.52%、2.23%和2.23%。下部拉帶長度變化影響相對較小，最大降低率為1.58%。

4討論

主動式安全氣囊相較于兩點式安全帶對6歲兒童的保護可以使HIC15降低19.8%，Nij降低50.1%，特別是使頸部傷害降低到國家標準之下，但是胸部保護效果卻不明顯，而陳珣等[16]對主動式安全氣囊對12歲兒童的保護研究中頭頸傷害都有明顯改善，對減少胸部傷害也有一定效果。安全氣囊參數中氣體質量流率、排氣孔面積、氣囊安裝位置等對12歲兒童WICS影響較大。但是對于6歲兒童氣囊排氣孔面積、氣囊安裝位置對WICS影響較顯著，氣體質量流率影響較小。并且在該氣囊保護下兒童各傷害指標均在國家標準范圍內，能有效保障6歲兒童生命，減少各部位損傷。

5結論

依據校車新型兒童安全氣囊工作原理建立了氣囊模型，并導入經過臺車驗證過的校車模型中進行仿真計算，針對6歲兒童乘員計算氣囊上部、中部、下部拉帶長度，排氣孔面積，氣體質量流率，氣囊安裝位置等6個氣囊參數對6歲乘員損傷的影響。得出以下結論：

①帶有初始氣囊的校車模型，乘員頭、頸損傷值降低，氣囊起作用，比只有兩點式安全帶的校車仿真模型能有效改善頸部和頭部損傷。

②氣囊上部、中部、下部拉帶長度，排氣孔面積，氣體質量流率，氣囊安裝位置等6個氣囊參數對6歲乘員損傷有影響。其中排氣孔面積增大和氣囊安裝位置下降能使HIC15和Nij顯著降低，可使Nij顯著降低的參數還有上部拉帶長度。排氣孔面積增大可明顯降低T3ms，其他參數影響較弱。

③排氣孔面積和氣囊安裝位置對6歲兒童乘員綜合評價指標WICS影響顯著，分別使6歲兒童乘員WICS最大降低21.3%和11.5%，可選取排氣孔面積、氣囊安裝位置、上部拉帶長度和氣體質量流率等四個參數進行正交優化。

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(責任編輯梁健)

收稿日期：2016-01-10；

修訂日期：2016-05-23

基金項目：中國博士后科學基金項目(2013M541607)

通訊作者：葛如海(1957—)，男，江蘇如皋人，江蘇大學教授，博士生導師；E-mail：grh@ujs.edu.cn。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0666

中圖分類號:X913.4

文獻標識碼:A

文章編號：1001-7445(2016)03-0666-08

Analysis of the new airbag control parameters for children in school bus

GE Ru-hai， ZHAO Yue，YING Long

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

Abstract:In order to compensate the deficiencies of the current school bus occupant restraint system, the active airbag simulation model is established for the school bus occupant restraint system built with MADYMO which has been validated through sled test. The airbag parameters of the airbag tether length, the vent area, the mass flow rate of the gas generator, the airbag position on the injury of the 6-year-old child occupant are analyzed based on the operational principle of the airbag. Simulation results show that: Injury of head and neck of occupant is decreased by the active airbag, but injury of chest has no notable change. The maximum decline rate of 6-year-old child comprehensive evaluation WICS (Weighted Injury Criteria for School) is 21.3% with different vent areas. With different airbag positions, the maximum decline rate of WICS is 11.5%. The maximum decline rates of WICS are as follows: 2.52%, 2.23% and 1.58% by changing the length of the upper tether, the middle tether and the lower tether, respectively. The maximum decline rate of WICS is 2.23% with the different mass flow of the gas. Because the influence of the airbag installation position and the vent area on the injury of the 6-year-old child occupant is the most significant, the injury of child occupant can be obviously improved through the prior adjustment of these parameters of the school bus to protect the 6-year-old children.

Key words:school bus; occupant restraint system; children; airbag; parameter analysis

引文格式：葛如海，趙越，應龍.校車主動式安全氣囊控制參數分析[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(3)：666-673.