側面多腔室氣囊的設計與優化研究*

葛如海，陳宇航，洪 亮，蔡朝陽，崔義忠

（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

側面碰撞是僅次于正面碰撞的碰撞類型。汽車在發生側面碰撞時所產生的能量主要由門檻梁、防撞桿和B柱等側面結構以及側面氣囊、側氣簾等約束系統吸收。頭部傷害是側面碰撞造成死亡的最主要傷害形式，胸腹部傷害次之，同時也是最主要的致殘傷害形式［1-2］。配備側面氣囊（SAB）是側面碰撞中對乘員的一種有效保護方式。當發生側面碰撞時，側面氣囊通過排氣來吸收側面碰撞產生的能量，減少乘員吸收能量，以達到保護乘員的目的［3］。目前國內外對于側面安全氣囊的研究已趨于成熟，但大多集中在單腔室氣囊的研究上。本文中針對某車型的側面氣囊對乘員保護效果不佳的現象，重新設計了一種側面多腔室安全氣囊，對新型氣囊進行了建模仿真與參數優化。

1 側面碰撞PSM模型的建立與驗證

1.1 側面碰撞PSM子結構模型的建立與驗證

PSM子結構法是MADYMO軟件提供的一種側面碰撞仿真的簡化方法。使用該方法可將整車有限元碰撞模型計算得到的運動作為邊界條件，建立包括車門、內飾、座椅和約束系統等直接影響乘員傷害的部件在內的子結構模型［4］。利用PSM方法，基于碰撞試驗，建立某車型包括地板、車門、座椅、側氣囊、側氣簾和假人在內的子結構模型，見圖1。

圖1 側面碰撞PSM子結構模型

依據試驗中假人的位置坐標，調整模型中假人的H點坐標和假人姿態。獲取車門內板與內飾板和B柱內板與內飾板的初始PSM模型后，將實車試驗中采集到的車門內板和B柱內板的位移-時間函數進行PSM scaling計算。并將座椅與地板同時賦予座椅Y向加速度波形，完成PSM子結構模型建立。座椅Y向加速度波形見圖2。

圖2 座椅Y向加速度波形

將建好的模型在MADYMO中提交運算，并從假人的運動響應和假人的傷害值兩個方面對所建模型對標。假人的運動響應驗證要遵循“從下至上”的原則，即先下肢、髖部、腹部和胸部，最后驗證頭部運動響應情況［5］。圖3為試驗與仿真中假人的運動姿態對比，圖4為試驗與仿真中假人各部位傷害響應曲線與實車試驗曲線對比，表1為仿真值與試驗數據的誤差。

圖3 試驗與仿真中各時刻假人運動姿態

由圖4和表1可知，仿真中假人的運動狀態與實車試驗中的運動狀態基本吻合，假人各部位響應曲線與試驗曲線對比后滿足起始時刻、形狀、峰值、峰值時刻和脈寬等誤差要求［6］，仿真結果與試驗結果誤差均在15%以內，故該模型可用于后續研究。

1.2 原有約束系統乘員損傷分析

參照中國汽車技術研究中心發布的2015年版C-NCAP管理規則，原約束系統中假人的頭部、胸部、腹部和髖部的損傷值均低于標準規定的高性能限值，但胸部壓縮變形量、恥骨力與其高性能限值較為接近，且腹部力數值大于高性能限值，無法在評價中得到滿分。

圖5為原約束系統中假人髖部加速度、胸部加速度和壓縮量曲線。

表1 實車試驗結果與仿真值對比

圖5 原約束系統中假人部分傷害值曲線

由圖5可以看出，在15 ms左右，氣囊與假人胸部發生接觸，使假人產生較小的Y向加速度，20-50 ms期間氣囊處于排氣過程，假人的胸部加速度由排氣中的氣囊提供，其數值處于較低的穩定狀態，50 ms后氣囊達到體積最小值，假人胸部加速度由車門內飾提供，在54 ms左右出現加速度峰值。該峰值數值較大，判斷氣囊可能發生擊穿現象［7］。在29 ms左右側面內飾與髖部發生接觸，髖部產生加速度，此后胸部和髖部加速度數值逐漸增大，在43 ms左右達到峰值。

原有氣囊重點保護乘員胸部，而保護腹部部分碰撞方向上尺寸不足，且沒有與髖部接觸的部分。假人最先與氣囊接觸的部位是胸部，髖部并未與氣囊或內飾接觸而產生加速度，而該時刻氣囊已造成肋骨的壓縮，故在后續的侵入過程中可能造成肋骨壓縮量過大。

2 多腔室側面氣囊的設計與仿真

文獻［8］中通過臺車試驗對側撞工況下駕駛位乘員損傷因素進行量化分析，得出在一定的碰撞速度下，使側面碰撞結構對于乘員具有一定的髖部提前量，能有效提高乘員安全等級的結論。綜合所研究的側氣囊出現的擊穿現象，結合已有研究，決定對氣囊結構進行重新設計。

將新型側面氣囊設計成多腔室結構，氣囊上下分兩腔室，分別對胸部及其以上部分和腹部及其以下部分進行保護，上腔室又分成靠近乘員側腔室A與靠近車門內飾側腔室B，兩個腔室各設有獨立的內拉帶以控制氣囊碰撞方向上的尺寸。氣囊的3個腔室互不連通，且各有一個排氣孔，用于控制氣囊的泄氣率?？刂魄皇褹的氣體流率在較低水平，在碰撞初期令假人接觸到腔室A時不產生過大的加速度?？刂魄皇褺的氣體流率與泄氣率，使腔室A與腔室B先后泄氣完成，形成二級緩沖來降低肋骨壓縮量，減小加速度。腔室C用于保護腹部及以下部位。新型氣囊結構簡圖見圖6。

圖6 新型氣囊結構簡圖

2.1 多腔室氣囊設計

氣囊的幾何設計要保證其X向與Z向長度滿足ES-Ⅱ假人各部位保護要求［9］，并用拉帶約束其Y向尺寸在合理范圍內。最終確定的氣囊幾何參數為高度630 mm，寬度315 mm，厚度180 mm，按照尺寸要求在CATIA中進行造型設計，見圖7。

圖7 氣囊幾何造型設計

幾何設計后將模型導入Hypermesh中進行網格劃分。為能更好地模擬氣囊展開時的特性，采用三角形膜單元進行網格劃分，單元尺寸選取為10 mm。注意檢查網格質量，使其最小尺寸不小于2 mm。劃分網格后將模型導入OASYSPRIMER軟件中進行氣囊折疊。氣囊折疊前后如圖8和圖9所示。

圖8 氣囊折疊前

圖9 氣囊折疊后

2.2 多腔室氣囊仿真分析

在MADYMO中進行氣囊仿真，使用均勻壓力法模擬氣囊的展開。分別在3個腔室中各定義一個氣體發生器來模擬多導管充氣方式。氣體發生器流率采用Tank試驗中測得的氣體質量流率曲線。對氣體質量流率函數曲線添加FUNC_USAGE.2D命令，并使用Y_SCALE定義質量流率縮放系數來制造不同氣體流率。氣體發生器質量流率和溫度隨時間變化的函數曲線如圖10和圖11所示。

圖10 氣體發生器質量流率

圖11 溫度函數曲線

原有氣囊與新型氣囊的展開狀況對比見圖12。

圖12 原有氣囊（左）與新型氣囊（右）展開狀況對比

利用C-NCAP的規定指標來評價新型多腔室氣囊的保護效果。兩種氣囊模型下假人損傷統計見表2，與C-NCAP規定指標比對，各指標數值均低于高性能限值。

表2 不同氣囊模型下假人傷害對比

從表2可看出，腹部力變化較大，這是因為相比原有氣囊，多腔室氣囊對腹部進行有針對性的腔室設計，從而保障了假人在碰撞過程中不直接與車門內飾接觸，減少了損傷。值得一提的是，頭部傷害指標HIC36在使用新型氣囊的情況下減小了11%，因為新型氣囊在尺寸上保證了碰撞方向上的厚度，在不增加胸腹部傷害的同時起到了將假人向非碰撞側推離的效果，降低了頭部與氣簾接觸的劇烈程度。綜上所述，可見多腔室氣囊對側面碰撞中的乘員具有良好的保護效果。

3 基于正交試驗的多腔室氣囊參數優化

文獻［10］中根據已有研究提出了側面碰撞除頭部外的綜合傷害指標C：

式中：CRDC為胸部壓縮變形量；VVC為黏性指數；FAPF為腹部力；FPSPF為恥骨力。C越小，說明約束系統對乘員的保護效果越好。

參考該綜合傷害指標C，基于正交試驗對所設計的多腔室氣囊進行優化［11］，同時考察頭部傷害評價指標HIC36，以保證在優化胸腹部傷害的同時降低對頭部傷害的影響。

本文中所研究氣囊采用單氣體發生器多導管的方式控制各腔室的氣體質量流率，各腔室均有一個排氣孔，故選擇各腔室的氣體流率和排氣孔直徑為設計變量，進行6因素5水平的正交試驗，各設計變量不同水平的選取和正交試驗結果分別如表3和表4所示。表3中：x1，x2，x3分別為A，B，C 3個腔室的氣體發生器質量流率縮放系數；x4，x5，x6分別為A，B，C 3個腔室的排氣孔直徑。表4中：Ki為各因素取水平i時傷害指標C的均值；R為該因素K值的極差。

表3 設計變量參數水平

由表4可知，氣囊各腔室排氣孔大小對氣囊保護效果的影響普遍大于氣體流率的影響。各試驗組的頭部傷害值均在高性能限值以下且變化趨勢不明顯。根據各平均值選擇參數最優組合為x1＝0.6，x2＝0.8，x3＝0.9，x4＝40 mm，x5＝35mm，x6＝40mm，對該組合進行仿真，統計原有氣囊和新型氣囊優化前后假人傷害值，相關數據見表5。

由表5可知，氣囊優化后使假人 CRDC下降14.80%，VVC下降 7.69%，FAPF下降 21.51%，FPSPF下降11.62%，綜合傷害指標下降14.77%；與原氣囊相比，則 CRDC下降 20.95%，VVC下降20.0%，FAPF下降 55.49%，FPSPF下降 18.97%，綜合傷害指標下降31.35%，有效增強了多腔室氣囊的保護性能。

4 結束語

以國內某款車型為對象，建立了側面碰撞PSM子結構模型并完成模型驗證。研究發現，該車型側面氣囊在碰撞過程中發生擊穿，對下胸部和腹部保護效果不佳。為此重新設計了一種多腔室側面氣囊，它具有各腔室氣體流率、泄氣率獨立控制和對胸部二級緩沖的功能。采用正交試驗對所設計氣囊進行了優化。結果表明，多腔室氣囊對乘員有良好的保護效果，參數優化后的氣囊令綜合傷害指標比優化前下降14.77%，比原氣囊下降31.35%，有效增強了側面氣囊的保護效果。

表4 正交試驗結果

表5 不同氣囊模型下假人傷害對比