側面碰撞雙氣室氣囊的性能優化研究

葛如海，賀文平，應 龍

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

側面碰撞雙氣室氣囊的性能優化研究

葛如海，賀文平，應 龍

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

為了增強側面安全氣囊對乘員的保護效果，減輕側面碰撞中乘員的損傷，搭建了車輛側面碰撞PSM子結構模型，并通過試驗對模型進行驗證。首先建立了駕駛員側雙氣室側氣囊模型，驗證雙氣室氣囊相對單級氣囊的優越性，并進一步研究駕駛員側和車體側兩個氣室的氣體發生器質量流率、泄氣孔大小對雙氣室氣囊保護效果的影響。試驗結果表明：雙氣室氣囊能有效提高對乘員的保護作用，減少乘員傷亡；氣囊泄氣孔大小對乘員傷害影響最大。這一研究為側氣囊的開發提供了新思路。

汽車被動安全；側面碰撞；側面氣囊；雙氣室；乘員損傷；參數分析；正交優化

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綜復雜，汽車側面碰撞事故發生的幾率較高。由于車輛側面變形緩沖吸能空間小，當車身側圍承受來自側面的撞擊力時，車體擠壓車內乘員，容易造成乘員損傷。與正面碰撞相比，側面碰撞引發乘員致死、致傷的概率更大[1]。

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

目前，國內外關于側面安全氣囊的研究已經趨于成熟。付艷[5]認為對氣囊的氣袋、飾蓋結構的設計和優化可使氣囊的保護效果最佳，白雪飛[6]分析了不同疊袋方式對假人的保護效果的影響。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道。基于此，本文將采用CATIA、Hypermesh和MADYMO等軟件對駕駛員側胸腹式雙氣室氣囊進行仿真建模研究。

1 側碰乘員約束系統仿真模型

充分利用實車側面碰撞試驗的數據，建立車輛側面碰撞PSM子結構乘員約束系統仿真模型。

1.1 汽車側碰試驗及相關數據提取

試驗按照C-NCAP要求進行。移動臺車前端加裝可變形吸能壁障沖擊試驗車輛駕駛員側。移動壁障行駛方向與試驗車輛垂直，移動壁障中心線對準試驗車輛R點，碰撞速度為50 km/h[8]。在建立PSM子結構模型時，除需采集實車碰撞假人傷害數據和假人傷害部位相對應車體結構的運動情況外，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動情況。

假人上肋骨、中肋骨、下肋骨、骨盆和趾骨等傷害感應位置以及車門內板相關位置均布置了傳感器。在撞擊側車門內板布置了8個傳感器， B柱內板布置有4個傳感器，分別布置在頂端、中部、底部和最底部。試驗前需要對假人和座椅的相關數據進行測量來確定仿真模型中假人的坐姿，主要有假人H點位置、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 車體結構建模

汽車側面車體結構包括駕駛員側A柱、B柱、C柱、B柱內飾、前門內板以及前門內飾板等。側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動以實車試驗中獲得的車門內板的加速度波形作為輸入。建模時，先獲得車門內板運動初始PSM模型，在車門內板傳感器所在位置，分別輸入所測得的位移-時間函數進行PSM scaling計算。B柱內板和B柱內飾板的PSM建模方法同車門內板、車門內飾板建模方法。其余車體結構的運動不考慮車體變形，采用B柱頂端傳感器測得的加速度波形，和B柱頂端一起運動。

1.3 座椅和地板建模

座椅是乘員約束系統中一個非常重要的子系統，由頭枕、靠背、側翼和座墊組成。按照試驗中測得的座椅運動加速度波形處理座椅的運動。對地板可以直接進行網格劃分，并賦予座椅加速度運動波形。

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行定位。本文基于試驗測得的座椅和假人相關數據對假人進行定位，保證仿真模型中假人坐姿和試驗中假人坐姿高度一致。

在建立側碰PSM子結構仿真模型時涉及到的接觸主要有：假人與簾式氣囊的接觸、假人與側氣囊的接觸、假人與座椅的接觸、假人與門內飾板的接觸、側氣囊與門內飾板的接觸、簾式氣囊與前后窗以及B柱的接觸等。

2 側碰乘員約束系統仿真模型的驗證

汽車側碰PSM子結構仿真模型建立后，對模型進行驗證。對模型的驗證主要從假人的運動響應以及假人傷害值兩個方面進行[10]。MADYMO側碰模型的驗證需遵循接觸時刻先后的原則，即按接觸時刻先后順序。力和加速度信號需要滿足“起始時刻、形狀、峰值、峰值時刻及脈寬”等基本特征[8]。模型驗證之后才可進行氣囊模塊參數、點火時間等參數的優化分析。

圖1為不同時刻實車試驗中假人運動響應和MADYMO仿真模擬假人運動響應的對比。

圖2～6為部分試驗得到的假人傷害值響應和MADYMO仿真假人傷害值響應對比。

圖1 實車試驗和仿真模擬的假人運動響應對比

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

乘員在側面碰撞中的傷害指標一般有:頭部傷害準則(HIC)、胸部損傷評價指標(TTI)、胸部黏性傷害指標(VC)、胸部肋骨變形量(RDC)、腹部受力傷害指標(APF)、盆骨趾骨受力傷害評價指標(PSPF)[11]。表1為試驗和仿真的假人傷害指標對比。從表中可以看出：除T12受力Fy以及T12力矩Mx外，其他關鍵傷害指標值的誤差都能控制在10%以內。由于在最終的碰撞傷害綜合評價指標中T12受力和T12力矩不作為目標函數的選取變量，因此仿真模型滿足對標要求。

表1 模型計算結果和試驗結果對比

綜上，無論是假人運動響應對比還是假人傷害值響應對比，汽車側碰PSM子結構仿真模型計算結果與實車試驗結果都能較準確地吻合。這表明建立的側碰PSM子結構仿真模型能部分代替實車試驗進行后續側面約束系統的優化設計。

3 雙氣室側氣囊仿真建模

3.1 雙氣室氣囊的幾何設計

在氣囊的設計中一般首先按照車體結構以及多假人、多工況的要求確定保護區域[12]：依據 50百分位和95百分位假人保護區域進行氣袋幾何設計，保證覆蓋面積全面，讓氣囊能發揮出最佳性能來保護駕駛員胸部和腹部，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。

根據氣囊與假人的接觸面積劃分保護區域的包絡線進行氣袋外形尺寸的設計，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氣室氣室、車門側氣室兩部分組成，2個氣室共用1個內側面，外側面上分別有泄氣孔。2個氣室不連通，分別由2個氣體發生器控制。

氣囊采用三角形膜單元劃分網格，單元尺寸選取為10 mm，最小單元尺寸控制在2 mm。利用Hypermesh劃分網格時，先畫出氣囊的折疊線，然后沿氣囊的折疊線位置進行網格劃分，以減少由此產生的初始應力與應變[13]。網格劃分后采用Oasys Suite 12.0 Primer12_x64對氣囊進行折疊(見圖7)，然后使用Hypermesh對折疊好的氣囊進行彎曲。對本文建立的氣囊模型共進行了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氣室和車體側氣室的雙氣室模型，模擬2個氣體發生器分別控制2個氣室的情況。該模型中氣室與氣室之間沒有交換區域，2個氣室通過共用中間面來連接，有獨立的泄氣孔。為了研究雙氣室氣囊和單氣室氣囊的保護效果，將建好的雙氣室氣囊的中間面刪除，形成了只有1個氣室的側氣囊，并對其設定2個氣體發生器。

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作靜態起爆仿真，然后分別放入側碰子結構系統模型中進行運算。在運算結果的Peak文件中可以找到相應的假人傷害響應值。通過對比兩種狀態下假人的傷害響應值來探討雙氣室是否具有一定的優越性。表2是單氣室氣囊和雙氣室氣囊保護下的假人傷害值對比，雙氣室氣囊保護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值對比

單氣室氣囊和雙氣室氣囊仿真模型保護下的假人腹部響應值見圖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：在單腔氣囊保護下，假人的胸部加速度出現了兩次峰值，分別出現在45 ms和65 ms左右。45 ms時刻，假人向氣囊側運動，氣囊對假人開始產生明顯的緩沖作用，假人胸部開始減速；65 ms時刻，假人的胸部再次減速，此時的減速度主要由車門提供。這說明此時的氣囊壓縮量達到最大或者氣囊發生了擊穿現象。而在雙腔氣囊的保護下，假人胸部加速度的變化一直處在比較平穩的狀態，低于高性能限值。因此，雙氣室氣囊具有明顯的優越性。

4 雙氣室氣囊參數優化

4.1 氣囊匹配實驗設計

雙氣室氣囊相對于單氣室氣囊增加了1個氣體發生器，對乘員傷害影響比較敏感的氣囊參數依次為氣體發生器質量流、排氣孔大小、織物滲透率等[10]。本文的參數優化主要探討在2個氣室幾何形狀相同的情況下，2個氣室的質量流率、氣囊泄氣孔大小同時變化時，如何通過優化設計以達到使假人傷害指標值最小的目的。氣體發生器質量流量和駕駛員側氣室泄氣孔大小參數值及設計水平如表3 所示。水平1根據汽車側面碰撞仿真的經驗值來選取，氣室1為車體側氣室，氣室2為駕駛員側氣室。

表3 設計變量參數水平

本文采用假人的傷害值加權后的綜合傷害評估值WIC[13]作為優化的目標函數，數學表達式如下：

(1)

其中WIC作為目標響應綜合傷害評估值，其值越低，氣囊對乘員的保護性能越好。

4.2 側面安全氣囊設計參數的優化

根據3因素3水平正交試驗表構造9個試驗點，見表4。

由正交試驗得到的9組響應值見表5。

表4 雙氣室氣囊正交試驗設計

表5 正交試驗的響應值

由響應值可以看出：在氣室1氣體發生器質量流量系數為 1.0,氣室2氣體發生器質量流量系數為 1.0、氣室2泄氣孔直徑為36 mm時，WIC值最小，乘員保護效果最好。按照CNCAP標準[6]，假人側面碰撞胸部得分從原始模型的2.76分增加為3.53分。

表6給出了初始設計與優化設計的假人傷害響應值的對比。可以看出：優化設計后的胸部變形指標降低了12.5%,年限指標降低了16%，腹部變形指標降低了20%，達到法規要求。頭部損傷指標和胸部黏性指標相比初始設計明顯降低，骨盆損傷指標滿足法規要求。因此，優化設計已達到要求。

表6 初始設計與優化設計響應值

5 結束語

本文建立了側碰子結構仿真模型，分析了單氣室氣囊和雙氣室氣囊的不同保護效果。研究結果表明：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效果，雙氣室氣囊在側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碰中的能量。采用雙氣室氣囊還能避免側面碰撞過程中的氣囊擊穿現象，防止因單氣室氣囊擊穿導致的氣囊在擊穿后無法對假人起到緩沖作用的情況出現。

本文還通過正交試驗設計，使側面碰撞乘員約束系統的可靠性滿足設計要求。優化設計之后，胸部壓縮量的分布范圍為13～17 mm，黏性指標的分布范圍為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，滿足可靠性設計的要求。

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(責任編輯楊黎麗)

ResearchonSideCrashDouble-ChamberAirbagDevelopmentandExperimentOptimization

GE Ruhai，HE Wenping，YING Long

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

2017-01-18

中國博士后科學基金資助項目 (2013M541607)

葛如海(1957—)，男，江蘇如皋人，教授，博士生導師，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，主要從事側面碰撞乘員約束系統研究，E-mail：hewenping2000@126.com。

葛如海，賀文平，應龍.側面碰撞雙氣室氣囊的性能優化研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，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