正面碰撞前后雙氣室氣囊的設計與優化*

葛如海，顧瑤芝，蔡朝陽，黃可鑫，陳宇航

（1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013； 2.硅湖職業技術學院，昆山 215332）

前言

正面碰撞是最常見的碰撞形式，死亡人數最多［1］，前排乘員顯然更加危險［2］?，F有的研究中大多針對第50百分位的男性假人進行研究，對95百分位的大體型男性假人的研究較少，然而這種大體型的假人容易擊穿安全氣囊而與轉向盤發生碰撞，因此本文中設計一個新型的氣囊，并進行最優參數匹配，提升了對大體型假人的保護效果。

1 正面碰撞仿真模型的建立與驗證

以某A級車駕駛室的實際尺寸為基礎，采用MADYMO軟件，建立正面碰撞仿真模型，如圖1所示［3］。

將實車碰撞中采集的B柱下方的X向加速度波形（圖2）輸入到模型中。Y，Z向的加速度一般很小，且對假人的傷害值影響不大，予以忽略不計。

圖1 正面碰撞MADYMO模型

圖2 車輛X方向加速度

圖3 正面碰撞模型中假人傷害與碰撞試驗傷害響應的對比

按照實車試驗中假人的位置調整模型中假人的H點坐標、骨盆角和假人姿態等。模型的驗證主要通過原模型計算后與實車碰撞曲線進行對比，經過對原模型的不斷調整，逐漸提高模型與試驗的吻合度，最終使誤差控制在15%以內［4］。依次將加速度和力的時間歷程曲線進行驗證，主要對曲線的起始時刻、峰值時刻、峰值和曲線形狀等基本特征進行比較［5］。圖3為仿真與碰撞試驗中傷害響應的對比。仿真與試驗結果對比及誤差如表1所示。

表1 仿真與試驗結果對比及誤差

2 安裝雙氣室氣囊的模型仿真

將前面已驗證的正面碰撞模型中的氣囊替換為創新設計的前后雙氣室氣囊進行仿真，并用CNCAP法規驗證其保護性能。

2.1 氣囊設計

根據已有的氣囊尺寸確定雙氣室氣囊的具體尺寸與形狀，雙氣室氣囊與傳統單氣室氣囊結構對比如圖4所示。與傳統的單氣室氣囊相比，本文中所設計的雙氣室氣囊有前后兩個氣室，均設有排氣孔。雙氣室氣囊的具體尺寸與形狀確定后，采用CATIA建立幾何模型，將建立的雙氣囊幾何模型導入HYPERMESH中進行網格劃分，如圖5所示。在網格劃分完之后須進行網格質量檢查，對不合格單元進行適當調整。

圖4 雙氣室氣囊與傳統單氣室氣囊結構對比

圖5 氣囊網格圖

進一步采用Oasys Suite Primer對氣囊進行折疊，如圖6所示。而后在MADYMO軟件中進行氣囊仿真。氣囊采用雙氣體發生器分別對前后氣囊進行充氣，主要通過控制氣體質量流率和溫度變化率來控制氣囊的充氣展開過程。氣囊展開模式采用的是均勻壓力法［6-7］。模型中所輸入的溫度和質量流率的時間歷程如圖7所示。

2.2 仿真分析

為檢驗所設計的氣囊的性能，對建立的模型進行碰撞仿真，得到該工況下對乘員保護的各項數據。結合C-NCAP碰撞法規，使用50百分位的男性假人驗證雙氣室氣囊的保護效果。假人傷害指標對比見表2。由表可見：頭部的HIC值、3 ms合成加速度、頸部剪切力、頸部張力、胸部肋骨黏性指數、大腿壓縮力、膝蓋滑動位移和小腿壓縮力明顯低于CNCAP規定的高性能限值指標；頸部伸張彎矩、胸部壓縮變形量和脛骨指數則介于高性能值與低性能值之間。因此總體來說裝有前后雙氣室氣囊的正面碰撞模型符合C-NCAP的要求，可作為基礎模型進行后續仿真［8］。

3 兩種氣囊模型的保護效果對比

圖6 氣囊折疊圖

圖7 質量流率與溫度函數曲線

將95百分位男性假人導入前面建好的單氣室氣囊模型和前后雙氣室氣囊模型，在車速為50 km／h條件下分別進行碰撞仿真，對95百分位假人的運動形態和傷害值進行對比，結果如圖8和表3所示。

表2 假人傷害與C-NCAP指標對比

圖8 95百分位運動假人形態對比

從圖8可見，碰撞開始后95百分位的男性假人向爆開的氣囊擠壓，但由于慣性力過大，假人頭部穿透了單氣囊，與堅硬的轉向盤直接碰撞。而換上雙氣室氣囊后，同一運動形態下，假人頭部在通過第一個氣囊緩沖后到達小氣囊進行了二次緩沖，頭部沒有撞到轉向盤，說明所設計的雙氣囊能有效地防止大體型假人穿透氣囊造成傷害。

由表3可以看出，改進后的雙氣囊與單氣囊相比，著重保護頭部，頭部和頸部的傷害值明顯降低，同時胸部的傷害值也略有降低，大腿和小腿的損傷幾乎沒有變化。因此，下面主要針對假人的頭部和頸部進行優化，旨在尋找最優的參數匹配，實現對大體型假人最優的保護效果。

表3 兩種氣囊模型假人傷害值對比

4 優化研究

乘員約束系統優化目標是找到一種設計方案，能為乘員提供最佳的保護［9］。本節中對氣囊系統參數進行優化。

4.1 設計變量篩選

從假人損傷值的評價指標中，選取安全氣囊兩個排氣孔直徑、安全氣囊點火時間、安全氣囊兩個氣室的質量流率、兩個氣囊的拉帶長度共7個因素對第95百分位男性假人正面碰撞的模型進行靈敏度分析。每個因素上下浮動20%，構成7個因素的大值和小值，共14個編號，如表4所示。在MADYMO中計算出損傷值，通過靈敏度分析，確定影響WIC的主要因素，結果如圖9所示。

根據圖9最終選定安全氣囊點火時間、小氣囊排氣孔直徑、大氣囊質量流率、大氣囊排氣孔直徑、小氣囊質量流率5個因素進行優化。

表4 參數的選取及變化范圍

圖9 參數靈敏度分析圖

加權傷害指標WIC作為優化的目標函數，利用正交試驗方法對雙氣囊的設計參數進行優化［10］。WIC的表達式為

式中：HIC36為頭部傷害值；C3ms為胸部3 ms加速度值；Ccomp為胸部壓縮量，mm；FL和FR分別為左右大腿骨最大軸向壓縮力，kN。

4.2 正交試驗

根據五因素三水平正交試驗表［11］構造18個試驗點，得出其各響應值并計算極差值，見表5和表6。

表5 因素水平表

表中Ki為每一列上因素取水平i時所得結果的平均值，R為極差。

表6 正交試驗表

4.3 結果分析

從極差值上可以看出，RE＞RA＞RC＞RD＞RB，即前后雙氣囊的5個因素對約束系統整體性能影響的主次順序為氣囊點火時間、大氣囊的質量流率、大氣囊排氣孔直徑、小氣囊排氣孔直徑和小氣囊質量流率。根據均值選取各因素的最優水平值，其最優組合為A3B2C1D2E2，由于正交試驗中沒有該組合，需要對最優組合進行仿真。優化前后假人傷害值及其變化率見表7，優化后的雙氣室氣囊與傳統單氣室氣囊的保護效果對比見表8。

表7 優化前后假人傷害值及其變化率

表8 單雙氣囊假人傷害值及其變化率

由表7可知，優化后頭部HIC值減少了18.1%，胸部壓縮量減小了3.8%，胸部3 ms加速度雖然略有增大，但是也滿足法規要求，傷害指標WIC減小了10.2%。由表8可知，優化后的雙氣室氣囊較傳統的單氣室氣囊WIC值降低了30.7%。因此前后雙氣囊對頭胸部位保護得到有效提升，提高了約束系統性能，達到了優化效果。

5 結論

建立某A級車100%正面碰撞駕駛員側的仿真模型，并進行了模型驗證。針對現有氣囊對大體型乘員的保護效果較差的問題，創建了一個新型的雙氣室安全氣囊，旨在更好地保護大體型假人免受因穿透氣囊造成的傷害。設計正交試驗優化氣囊參數，找到了氣囊的最優匹配參數。結果表明，在大氣囊質量流率縮放系數為1.2，小氣囊質量流率縮放系數為1，大氣囊排氣孔直徑為20 mm，小氣囊排氣孔直徑為10 mm，氣囊點火時間為22 ms時，乘員綜合傷害最小。