汽車正面碰撞駕駛員安全氣囊仿真與優化＊

姜強，段敏，孫宇菲

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

前言

駕駛員安全氣囊是汽車被動安全輔助裝置[1-2]，當發生正面碰撞時，駕駛員安全氣囊在駕駛員與車內飾之間瞬間展開，駕駛員頭部因慣性與灌滿氣體的氣囊接觸，駕駛員頭部達到緩沖，起到保護作用。通過建立和優化標準的正面碰撞模型，并通過汽車實際碰撞試驗數據進行驗證，模擬駕駛員的防護效果，對駕駛員安全氣囊的結構進行優化。

1 駕駛員安全氣囊建模與驗證

本文采用MADYMO 軟件里自帶的駕駛員安全氣囊模型，通過MEM3 單元進行網格劃分。使用MADYMO 軟件中的FOLDER 模塊，對未折疊的簾式氣囊進行折疊，建立FE_MODEL，通過MADYMO 軟件對氣袋材料、氣囊類型、氣囊外界環境溫度、氣壓、氣體成分等進行定義。最后通過AIRBAG_CHAMBER 定義氣體發生器。將建立好的駕駛員安全氣囊模型進行仿真計算。

圖1 是建立的駕駛員安全氣囊仿真模型靜態起爆時，氣囊體積變化與實驗對比。可以看出，駕駛員安全氣囊仿真模型和試驗展開過程體積變化比較吻合，驗證了駕駛員安全氣囊模型展開時間、形狀的有效性。通過靜態起爆實驗，模擬值與實驗值基本一致，可以進行下一步研究。

2 駕駛員約束系統建模與驗證

基于MADYMO 軟件，建立正面碰撞車體需要利用PSM子結構思想，建立好的正面碰撞車體能夠模擬碰撞后的變形情況。采用上文已驗證的氣囊模型，從MADYMO 軟件中提取50 百分位Hybrid Ⅲ 型男性假人。上述已驗證駕駛員安全氣囊模型與車身和假人模型相匹配，建立約束系統模型。

圖2 駕駛員約束系統模型

圖3 是仿真與實驗假人頭部合成加速度曲線對比。由圖可知，兩條曲線趨勢大體相同，峰值數值比較接近，吻合程度遠大于85%，所以該模型是有效的。

圖3 仿真與實驗假人頭部合成加速度曲線對比自

3 駕駛員安全氣囊參數優化

利用正交實驗的極差分析法對安全氣囊相關參數進行優化[4]。本文針對氣袋直徑、排氣孔直徑、質量流量三個因素進行分析研究。通過三個參數進行正交試驗，運用極差分析法對結果進行優化，確定最佳約束系統參數。將排氣孔直徑、質量流量、氣袋直徑分別記為X、Y、Z。排氣孔直徑分別設為34mm、36mm、38mm；質量流率分別設為0.85、0.95、1.05；氣袋直徑分別設為675mm、690mm、715mm。在適當的范圍內，三個因素中每一個都有三個層次，進行正交試驗。共有9 個實驗可以反映實驗的所有信息，測得的HIC 值分別是692.85、710.63、876.17、778.64、655.32、439.58、687.38、405.81、423.39。

頭部傷害指標簡稱HIC[5]，HIC 是一個無量綱的物理量，計算公式如下（1），MADYMO 軟件每次仿真結束之后可以直接輸出該物理量。

式中，t1、t2是任意的兩個時間點，a(t)為合成加速度，通常用重力加速度G 的倍數來表示。

表1 HIC 極差分析

由表1 HIC 值極差分析得出，RY＜RZ＜RX，說明三個因素中，主要影響因素是排氣孔直徑，其次是氣袋直徑之后是質量流率。又因為KX3＜KX2＜KX1、KY3＜KY2＜KY1、KZ1＜KZ2＜KZ3，所以HIC 的因素優水平是X3Y3Z1。

圖4 優化前后假人頭部和成加速度仿真對比

圖4 是假人頭部合成加速度曲線試驗和優化前后 CAE仿真對比，由圖可以看出，假人頭部峰值加速度曲線的優化效果。法規中高低性能限值分別對應500 與700，優化前HIC值為541.86，優化后HIC 值為382.74。可以看出優化后的HIC 值達到C-NCAP 法規最大性能限值標準。

4 結論

汽車駕駛員安全氣囊在汽車被動安全領域是非常重要的。基于MADYMO 軟件建立約束系統模型，通過正交試驗的極差分析法對模型進行優化。通過仿真曲線可以看出優化后的駕駛員安全氣囊對頭部具有良好的保護效果，所研究的方法具有一定的理論基礎和實踐意義