校車主動式安全氣囊包形對兒童乘員保護效果的研究

陳 珣，張美娟，王 瑩

（無錫職業技術學院汽車與交通學院，江蘇無錫 214121）

0 引言

根據現行國家標準《專用校車安全技術條件》[1]規定，校車乘員約束系統由前后排座椅、2 點式安全帶和扶手組成。對于約束系統的保護效果，國內外學者開展了一系列研究。McGeehan 等[2]通過對美國校車兒童傷害情況進行統計分析，得知兒童頭部和頸部更容易受到損傷，且10～14 歲兒童受傷比例最高；李志剛等[3]研究表明，采用現有校車乘員約束系統，兒童乘員頸部在正面碰撞過程中易發生嚴重傷害，可使用3 點式安全帶降低頸部傷害風險；Elias 等[4-5]通過整車和臺車碰撞試驗指出，座椅靠背高度、座椅剛度、座椅間距會影響乘員傷害水平，且使用3 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；韓勇等[6]發現，在校車乘員約束系統中使用3 點式安全帶會對乘員胸部帶來較大傷害，且肩帶高度的不匹配將會增加兒童頸部的損傷風險。

由以上研究可知，使用2 點式安全帶與3 點式安全帶進行兒童乘員約束效果均不理想。此外，實際乘車兒童常處于離位狀態，安全帶佩戴率較低[7]。為提高校車乘員約束系統對兒童乘員的保護效果和主動性，將安全氣囊引入現有校車乘員約束系統，提出一種新型常開式的主動式校車安全氣囊。以某校車乘員約束系統正面碰撞仿真模型為基礎，基于12 歲兒童模型建立主動式安全氣囊模型，并對12 歲兒童進行防護效果仿真分析，探索設計出合適的安全氣囊包形。

1 校車主動式安全氣囊設計思路

1.1 設計概念

與傳統點爆充氣式安全氣囊相比，校車主動式安全氣囊為常開式，即在車輛起步后，有乘員乘坐位置的安全氣囊充氣打開，且在整個行車過程中保持充滿氣體的狀態。該氣囊安裝于前排座椅靠背背面的盒體中，當乘員落座車輛啟動達到一定車速后，氣囊緩慢充氣面向后排乘員展開，限制乘員離位活動，能有效約束后排兒童乘員的乘坐姿勢，并能在兒童乘員周圍形成柔軟的吸能緩沖保護層，實現碰撞、緊急制動等工況下對校車兒童乘員的全方位保護。當校車停車時，駕駛員可操作關閉氣囊，氣囊泄氣由卷簧自動收回，方便乘員上下車。校車上安裝氣泵，通過管路為車上的所有主動式氣囊充氣。座椅座墊中安裝壓力感應裝置，檢測乘員質量，根據乘員體重控制氣囊的充氣壓力及排氣閥開度，以達到對不同體型乘員都能提供最佳保護的目標。

1.2 正向設計開發流程

以某小學校車乘員約束系統臺車試驗數據為基礎，利用MADYMO（Mathematical Dynamic Model，多剛體動力學軟件）建立校車乘員正面碰撞仿真模型，完成模型驗證，如圖1 所示。在此基礎上，建立主動式安全氣囊模型。圖2 為校車主動式安全氣囊正向開發過程，主要內容包括：①校車主動式安全氣囊幾何設計；②校車主動式安全氣囊有限元模型及MADYMO 仿真模型的建立；③校車主動式安全氣囊乘員傷害仿真分析與包形判斷選擇。

2 校車主動式安全氣囊幾何包形模型的建立

采用CATIA V5 進行校車主動式安全氣囊的幾何造型設計，所有幾何尺寸均與已建立的某小學校車乘員約束系統模型相匹配。

2.1 兒童乘員幾何模型的選用

因小學校車座椅不可調，所以在座位上，12 歲兒童占據最大空間，為保證氣囊可保護所有乘員且同時不壓迫乘員，以12歲兒童為基準進行包形設計。在臺車試驗和校車兒童乘員約束系統模型中[8-9]，均采用Hybrid Ⅲ型5 百分位女性假人模擬我國12 歲平均身材兒童，該假人尺寸根據美國女性統計數據得到，故在使用CATIA 進行包形設計時，使用其中的Human builder 模塊建立美國5%女性人體模型，模擬我國12 歲兒童。

2.2 氣囊幾何模型的建立

（1）乘員坐姿。氣囊展開時應與乘員坐姿相適應，既能約束乘員位置正確，又保證乘員的舒適性。在CATIA 中調整人體模型位置及各關節角度，使其處于舒適坐姿，根據人體模型的多種坐姿輪廓，初步建立氣囊的幾何模型。

圖1 校車兒童乘員約束系統模型

圖2 校車主動式安全氣囊的正向開發流程

（2）氣囊的保護范圍。由臺車實驗和MADYMO 仿真模型可知，使用現有的校車乘員約束系統時，5 百分位女性假人的頭部與前排座椅靠背碰撞，頭部和頸部的傷害水平較高，因而所設計氣囊應對乘員頭部和頸部起到有效保護。而5 百分位女性假人胸部在碰撞時不會與前排座椅靠背發生碰撞，若添加安全氣囊，雖能吸收一部分胸部運動動能，但有可能增加胸部二次碰撞傷害風險，所以可建立保護范圍包含胸部和不含胸部的氣囊進行傷害對比分析。

（3）氣囊充氣變形。氣囊充氣后會發生邊緣變薄、中間鼓脹變形，氣囊到人體的距離及保護范圍會發生一定變化，可使用拉帶限制其變形，以滿足其保護效果以及乘員的舒適性要求。

綜合考慮以上因素，建立多個氣囊幾何模型（圖3）。

3 安全氣囊有限元模型及MADYMO 仿真模型的建立

3.1 安全氣囊有限元模型的建立

將CATIA 中建立的氣囊幾何模型導入Hypermesh 中，采用三角形膜單元進行網格劃分。考慮到拉帶布置問題，氣囊與人體接觸主面和靠背固定面的網格劃分需平整。劃分網格時，在氣囊左右兩側相同位置各留一直徑相等的不封閉孔洞作為氣囊排氣孔，用于后面MADYMO建模。氣囊有限元網格模型如圖4 所示。

3.2 氣囊MADYMO 仿真模型的建立

圖3 校車兒童乘員約束系統模型

將氣囊有限元模型導入校車乘員正面碰撞MADYMO 仿真模型中，調整氣囊位置，使之與前排座椅靠背相固定。根據氣囊包形的不同，采用拉帶控制氣囊充氣后的形狀，調整氣囊的厚度以及到人體各部位的距離，建立4 個保護范圍不同的安全氣囊MADYMO模型（圖5），4 個氣囊頂點高度相同，至下部長度依次增加，保護范圍逐步擴大。

為比較4 個氣囊對乘員的碰撞保護效果，對氣囊織物屬性、氣囊充氣壓力以及排氣孔開啟壓力均采用相同設置。碰撞開始前對氣囊進行預充氣，充氣結束后加載臺車實驗實際碰撞加速度場，假人向前運動撞擊壓縮氣囊，當氣囊內部壓力上升達到排氣孔開啟壓力時，排氣孔開啟，氣囊泄氣，進一步吸收乘員動能。

圖4 安全氣囊有限元網格模型

4 安全氣囊包形保護效果比較分析

4.1 頭部氣囊保護范圍對乘員傷害的影響

1、2 號氣囊到假人面部距離相同，1 號氣囊保護范圍為乘員頭部和頸部，2 號比1 號略長，下端保護至人體肩部。仿真時2個氣囊均保證假人頭部不與前排座椅靠背發生碰撞。經過MADYMO 碰撞仿真分析，得到乘員傷害指標（表1），乘員運動姿態如圖6 所示，乘員各部位傷害曲線如圖7 所示。

根據表1、圖6、圖7 可知，2 號氣囊與1 號氣囊相比，頭部傷害評價指標HIC15 低37.3%，頸部傷害評價指標Nij低63.5%，2 號氣囊對乘員頭部和頸部的保護效果明顯優于1 號氣囊，對胸部和腿部的保護效果則沒有顯著差異。這是由于2 號氣囊對乘員肩部有所支撐，降低了乘員頭部和胸部的相對運動幅度，減少了乘員頸部傷害，同時肩部可以與頭部共同接觸氣囊，分擔頭部的能量耗散，降低頭部傷害。

表1 1 號2 號氣囊乘員傷害指標

圖5 安全氣囊MADYMO 模型

圖6 1 號、2 號氣囊假人運動姿態

圖7 1 號、2 號氣囊假人各部位傷害曲線

4.2 胸腹部氣囊對乘員傷害的影響

2、3、4 號氣囊的上頂點高度一致，氣囊到乘員面部、頸部、胸部的距離相同，通過MADYMO 正面碰撞模擬仿真，得到乘員運動姿態（圖8）、傷害指標（表2）及傷害曲線（圖9）。由圖8 可知，3 個氣囊都在55 ms 左右的時刻與乘員面部發生接觸。2 號氣囊下端與乘員上胸部平齊，當發生碰撞時，氣囊下端可對乘員肩部起到支撐，肩部以下無氣囊接觸；3 號氣囊下端保護范圍涵蓋整個胸部，碰撞時除頭頸部外，胸部大部分面積都與氣囊發生接觸；4號氣囊下端一直到乘員大腿表面，整個氣囊保護范圍涵蓋了乘員的頭部頸部胸部及腹部，與3 號氣囊相比，碰撞時胸部及上腹部會與氣囊發生接觸。

圖8 2、3、4 號氣囊對假人的保護范圍

圖9 2、3、4 號氣囊假人各部位傷害曲線

表2 2、3、4 號氣囊乘員傷害指標對比

由表2 和圖9 可知，3 個氣囊碰撞模型中，乘員的頭部傷害指標HIC 和腿部傷害指標大腿軸向力FFC 相差不大，對乘員的頭部和腿部保護效果基本一致。而乘員胸部傷害指標T3ms和頸部傷害指標Nij差距較為顯著，2 號氣囊和3 號氣囊胸部傷害T3ms比4 號分別高高15.4%和8%，頸部傷害Nij分別高19.6%和18.6%。3 個氣囊對乘員的保護效果：4 號＞3 號＞2 號。由于4 號氣囊與乘員軀干接面積最大，相同剛度下，乘員受到氣囊的支撐力最大，胸部運動速度下降快，減速度變化更平穩（圖9b），胸部向前下方的運動量相對2 號和3 號更少，氣囊的支承效果更好。氣囊對胸部運動的有效阻止，使得乘員頭胸運動一致性得到提高，頸部剪切力和頸部彎矩下降（圖9c、圖9e），提高了氣囊對乘員的頸部保護效果。總體而言，4 號氣囊對乘員的保護效果最好，選取該包形為最優包形。

4.3 最優包形與原乘員約束系統乘員傷害對比分析

原乘員約束系統與最優4 號包形對乘員傷害指標如表3 所示。由表3 可知，與原僅使用安全帶相比，增加新型主動式安全氣囊后，乘員的頭部和頸部傷害有明顯改善，分別下降77.3%和83.2%；胸部傷害下降7.1%，腿部傷害下降不大，所有傷害指標值均明顯低于傷害極限，對乘員保護效果顯著。

表3 原乘員約束系統與4 號包形乘員傷害指標

5 結論

（1）校車主動式安全氣囊，可以顯著提高12 歲兒童乘員的頭部和頸部保護效果，對胸部保護效果也有所提升。

（2）校車主動式安全氣囊的設計，應減小頭部與胸部的相對運動，以提高對乘員頸部的保護效果。

（3）校車主動式安全氣囊在上頂點高度相同的情況下，向下對乘員的保護范圍越大，對乘員的保護效果越好。保護范圍包含乘員的頭部、頸部、胸部和腹部的氣囊，對12 歲兒童乘員的保護效果最優。