校車主動式安全氣囊包形參數(shù)優(yōu)化設計*

陳珣，王瑩

校車主動式安全氣囊包形參數(shù)優(yōu)化設計*

陳珣，王瑩

（無錫職業(yè)技術學院，江蘇 無錫 214121）

為提高校車乘員約束系統(tǒng)在正面碰撞中對兒童乘員的保護效果，提出一種新型主動式校車兒童安全氣囊。在經(jīng)臺車試驗驗證的某校車乘員約束系統(tǒng)12歲乘員正面碰撞MADYMO仿真模型的基礎上，建立主動式安全氣囊的仿真模型。通過調(diào)整氣囊內(nèi)拉帶的長度來改變氣囊形狀，分析拉帶長度對乘員保護效果的影響，并進行正交試驗，得到最優(yōu)包形。與原始約束系統(tǒng)相比，優(yōu)化包形后的氣囊使12歲乘員的頭部、胸部和頸部傷害分別下降85.7%，14%以及86.2%，完全傷害評價WICs下降了63.3%，保護效果顯著改善。

校車；安全氣囊；包形；參數(shù)優(yōu)化

引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，自2010年到2018年，全國共發(fā)生有乘員傷亡的校車事故175起，共造成969人受傷，266人死亡，[1]校車安全問題愈發(fā)引起社會關注。根據(jù)國標《專用校車安全技術條件》[2]，目前，校車在車內(nèi)對乘員的約束系統(tǒng)主要為兩點式安全帶和前后排座椅。

但李志剛等[3]研究發(fā)現(xiàn)，使用兩點式安全帶，在正面碰撞中，兒童乘員頸部容易遭受嚴重傷害。胡國武[4]研究表明，三點式兒童安全帶約束系統(tǒng)在低速碰撞時對兒童的保護較好，但在高速碰撞時反而傷害增大。

為了提升校車乘員約束系統(tǒng)對兒童乘員保護的主動性和保護效果，在原校車兒童乘員約束系統(tǒng)的基礎上增加一常開式校車安全氣囊，通過氣囊的排氣節(jié)流阻尼來吸收碰撞能量，降低兒童乘員的傷害。[5]

本文以某校車乘員約束系統(tǒng)的正面碰撞仿真模型為基礎，建立了主動式安全氣囊模型，并以12歲兒童乘員傷害水平為目標，對包形參數(shù)進行仿真優(yōu)化，確定出合適的安全氣囊包形參數(shù)。

1 校車12歲兒童乘員約束系統(tǒng)模型

1.1 原校車12歲兒童乘員約束系統(tǒng)模型

根據(jù)標準[6]，采用Hybrid Ⅲ第5百分位女性假人模擬12歲兒童乘員，進行了校車乘員約束系統(tǒng)正面碰撞的臺車試驗。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，采用多剛體動力學軟件（mathematical dynamic model，MADYMO）建立包括地板、前后排座椅、Hybrid Ⅲ第5百分位女性多剛體假人及兩點式安全帶在內(nèi)的校車12歲兒童乘員正面碰撞仿真模型，如圖1所示，并驗證了其有效性。仿真模型與臺車試驗結果如表1所示。

圖1 校車兒童乘員約束系統(tǒng)模型

表1 仿真模型與臺車試驗結果對比

1.2 校車主動式安全氣囊概念設計

傳統(tǒng)氣囊碰撞后瞬間點爆充氣展開，其起爆時的巨大沖擊會對離位兒童的頭部和頸部造成重大傷害。為降低氣囊起爆沖擊傷害并限制兒童離位，現(xiàn)提出一種常開式校車主動式安全氣囊裝置[5]。該校車主動式安全氣囊安裝于前排座椅靠背背面的盒體中，車輛檢測到有乘員落座且達到規(guī)定車速時，氣囊充氣向后排展開，限制兒童乘員離位活動，有效約束后排兒童乘員的乘坐姿勢，并在兒童乘員周圍形成吸能緩沖保護層，實現(xiàn)碰撞、緊急制動等工況下對校車兒童乘員的保護。當校車停車時，駕駛員可關閉氣囊，氣囊泄氣自動收回，方便乘員上下車。

1.3 校車主動式安全氣囊模型的建立

由于小學校車座椅不可調(diào)，所以在座位上，12歲兒童占據(jù)空間最大，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CATIA的Human builder模塊中調(diào)用美國5%女性人體模型，模擬我國12歲兒童乘員，并調(diào)整人體模型位置及各關節(jié)角度，使其處于舒適坐姿，根據(jù)人體模型的多種坐姿輪廓，初步建立氣囊的幾何模型。12歲兒童乘員的重點保護部位為頭部、頸部和胸部，但考慮到氣囊保護應兼顧小體型6歲兒童，且能對小體型兒童起到防離位下潛的功能，所以在乘員膝部也應有氣囊。最終確定氣囊包形為一種橫置柱形，假人的保護范圍為頭部、頸部、胸部和腿部。將氣囊?guī)缀文Ｐ瓦M行有限元網(wǎng)格劃分并導入建立好的MADYMO模型中，調(diào)整氣囊位置，與前排座椅靠背相固定，在氣囊內(nèi)部與假人頭部、上胸部、下胸部以及膝部高度相對位置各建立一根拉帶控制氣囊膨脹厚度，如圖2所示。

圖2 校車兒童安全氣囊模型

2 針對12歲乘員安全氣囊優(yōu)化參數(shù)選取

2.1 優(yōu)化目標的確定

以加權傷害準則（weighted injury criteria，WIC）為優(yōu)化目標，因第5百分位女性假人頸部在校車正面碰撞中最易受損，在原有加權傷害準則WIC中增加頸部Nij，并根據(jù)國標[6]調(diào)整假人HIC15，T3ms的評價上限[7]，該損傷準則表達式為：

公式1中：HIC15為頭部傷害指標，Nij為頸部傷害指標，T3ms為胸部3ms合成加速度的值（單位g），F(xiàn)FCL和FFCR分別為左右大腿軸向力（單位N）。

2.2 優(yōu)化參數(shù)靈敏度分析

以氣囊拉帶長度作為氣囊包形調(diào)整的設計參數(shù)。為了減少參數(shù)數(shù)量，找出對氣囊包形影響較大的拉帶，就四根拉帶對校車第5百分位女性假人的傷害指標的影響進行靈敏度分析，研究它們對第5百分位女性假人傷害的影響。仿真計算時，依次改變A、B、C、D四根拉帶其中一根的長度，其他拉帶保持原長不變。共進行8組運算，數(shù)值安排如表2所示：

表2 靈敏度分析設計表

根據(jù)以上試驗安排，模擬仿真計算所得乘員傷害指標如表3所示，其中0號為基礎模型。

表3 靈敏度試驗乘員傷害指標

拉帶影響氣囊對乘員保護效果的靈敏度通過乘員傷害指標的變化率來進行評價，即：

靈敏度越大，說明該拉帶長度的變化對校車乘員傷害的影響越大。若計算值為負數(shù)，則說明傷害下降。所得各拉帶長度變化對乘員各部位傷害的影響如圖3所示。

圖3 靈敏度分析結果

由圖3可知，所有乘員傷害指標對腿部拉帶D長度的改變都不敏感，因此排除此參數(shù)。完全傷害評價指標WICs對上胸部拉帶B以及下胸部拉帶C長度的改變比較敏感，對頭部拉帶A的敏感程度較弱，但頭部HIC15和頸部Nij對拉帶A長度改變比較敏感，而這兩個指標又是校車乘員正面碰撞時的重要評價，所以將頭部拉帶A、上胸部拉帶B以及下胸部拉帶C選取為優(yōu)化參數(shù)。

最終確定優(yōu)化參數(shù)為拉帶A、B、C的長度。

3 正交試驗優(yōu)化設計

3.1 因素水平的選取

根據(jù)靈敏度分析結果，發(fā)現(xiàn)WICs在拉帶增長時變小、拉帶縮短時變大，且在各拉帶縮短和伸長長度相同時，WICs增幅比降幅要大。但乘員各部位傷害指標變化趨勢和WICs并不完全一致，T3ms在A、B拉帶長度縮短或增長時都增大，Nij在B拉帶長度縮短或伸長時都減小，HIC15在C拉帶增長和縮短時分別小幅增大和減小。所以綜合考慮乘員各項傷害水平降到最低，優(yōu)化參數(shù)拉帶長度在水平選取時，在原值的基礎上增大和減小，且增大的水平高于減小的水平。拉帶長度增大水平受氣囊膨脹厚度限制，以氣囊的膨脹極限作為拉帶長度上限。

最終確定拉帶的變化水平為四個，包括原長度一個，縮短長度一個，增長長度兩個，如表4所示。

表4 因素水平表

3.2 正交試驗

對氣囊拉帶A、B、C的長度這三個參數(shù)，進行三因素四水平的正交試驗設計。正交試驗表及試驗結果如表5所示。通過直接觀察發(fā)現(xiàn)，第14組試驗的WICs值最低，A4B2C3為正交試驗表中的最佳組合。

表5 正交試驗結果

3.3 極差分析

分析上表發(fā)現(xiàn)，以上參數(shù)對乘員完全傷害指標WICs的影響主次關系是上胸部拉帶B長度>頭部拉帶A長度>下胸部拉帶C長度，其中，拉帶B長度的影響最大，這是由于上胸部拉帶長度的改變會同時影響氣囊到乘員頭部和胸部的距離，引起乘員頭部、頸部和胸部這三個主要傷害的值都發(fā)生變化。拉帶A水平4時，WICs的均值最小，拉帶B水平4的WICs優(yōu)于其他水平，拉帶C水平3效果最好，因此，氣囊包形的拉帶長度最優(yōu)組合為A4B4C3。查看正交試驗表，其中沒有這組最優(yōu)組合，按此組合進行第17次MADYMO仿真試驗。將試驗結果與原模型、正交試驗表中的最佳組合14號試驗以及無氣囊原模型的傷害數(shù)據(jù)進行比較，如表6所示。

表6 正交優(yōu)化結果對比

4 優(yōu)化結果分析

4.1 最優(yōu)包形選取分析

觀察表6可知，采用極差分析優(yōu)化后的最優(yōu)組合17的乘員完全傷害指標WICs較試驗原模型有所下降，但比正交試驗表中的最佳組合14略高。經(jīng)比較，發(fā)現(xiàn)包形17主要降低了頭部HIC15和頸部Nij，二者分別下降了27%和7.8%，但胸部傷害T3ms并未有所改善，反而略微上升了1%。而14號包形試驗中，乘員的頭、頸、胸部的傷害都得到了改善，雖然頭部HIC15下降幅度低于最優(yōu)組合，但胸部T3ms和頸部Nij兩個傷害指標都比17號包形的改善效果好，且兩腿之間的軸向力之差更小，受力更平衡。

根據(jù)標準[6]，HIC15的極限值為500，T3ms的極限為30g，頸部Nij的極限值為1，腿部軸向力的極限為10000N。17和14號包形試驗結果中，乘員頭、頸、腿部的傷害值都離標準極值較遠，而胸部傷害T3ms離標準極值較近。為達到較好的乘員全面保護效果，選擇胸部傷害較低的14號包形作為最優(yōu)包形。

4.2 最優(yōu)包形對12歲兒童乘員保護效果分析

與氣囊優(yōu)化前相比，參數(shù)優(yōu)化后最優(yōu)氣囊對乘員頭部HIC15和頸部Nij分別下降10.7%和13.0%，保護效果明顯提升，胸部T3ms下降4.4%，完全傷害指標WICs下降6.2%，不過腿部傷害指標FFCL和FFCR改善不明顯，但由于所有傷害指標都比極限值[6]低很多，所以對乘員總體保護效果良好。

與沒有使用安全氣囊的原約束系統(tǒng)相比，頭部HIC15、T3ms、頸部Nij分別下降了85.7%，14%以及86.2%，完全傷害評價WICs下降了63.3%，降幅顯著；左右大腿軸向力一升一降，總體受力大小幾乎不變，但左右大腿軸向受力更加均衡，最大值下降，保護效果提升。

5 結論

1）與僅使用兩點式安全帶相比，添加安全氣囊后乘員約束系統(tǒng)對12歲兒童乘員的保護效果顯著提升，特別是頭部和頸部。

2）氣囊的拉帶長度對12歲乘員損傷有影響，即氣囊自身膨脹厚度改變乘員和氣囊間距離，從而影響保護水平。

3）拉帶中上胸部拉帶長度對成員的總體傷害水平影響最大，即氣囊到乘員頸部和上胸部的距離對乘員保護影響顯著。

4）本文僅從氣囊包形對乘員保護效果方面進行研究，后續(xù)可對氣囊的充氣壓力、泄氣孔截面積等控制參數(shù)進行研究，進一步降低乘員傷害。

[1] 潘立軍,劉喜梅.校車安全事故故障樹分析及安全運營對策研究[J].湖南社會科學,2019(04):127-132.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB24007-2012,專用校車安全技術條件[S].北京:中國標準出版社,2012.

[3] LI Zhi-gang,GE Hao, ZHANG Jin-huan, ZHU Yong-hua. The neces -sity of evaluating chile neck injury in frontal collision of school bus for transportation safety[J]. Safety Science, 2014, 62: 441-449.

[4] 胡國武.汽車碰撞中兒童乘員的損傷及防護研究[D].廣州:華南理工大學,2011.

[5] 葛如海,應龍,陳珣.校車用主動式兒童安全氣囊裝置及其控制方法:CN103786681A[P].2014-05-14.

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB24006-2012,專用校車學生座椅系統(tǒng)及其車輛固定件的強度[S].北京:中國標準出版社,2012.

[7] 葛如海,陳珣,張學榮,等.校車兒童安全氣囊安全性仿真分析[J].中國安全科學學報,2015,25(3):9-15.

Parameter Optimization for the Shape of School Bus Active Airbag*

Chen Xun, Wang Ying

（Wuxi Institute of Technology, Jiangsu Wuxi 214121 )

In order to improve the effect of school bus restraint system for child occupant during frontal crash, a new active school bus airbag is proposed. Based on the MADYMO simulation model of a 12-year-old school bus occupant restraint system, which was verified by sled test, the simulation model of active air bag is established. By adjusting the length of airbag straps, the shape of the airbag is changed. The optimal shape is proposed by sensitivity analysis and orthogonal experiment of strap length. Compared with the original restraint system, the head, chest and neck injuries of 12-year-old passengers are reduced by 85.7%, 14% and 86.2% after the optimization of the bag, the WICs is also reduced by 63.3%, and the protection effect is significantly improved.

School bus; Airbag; Airbag shape; Parameter optimization

A

1671-7988(2020)24-41-04

陳珣（1990.2-），女，江蘇揚州，漢，碩士研究生，助教，就職于無錫職業(yè)技術學院，研究方向：汽車安全技術。

U461.91

A

1671-7988(2020)24-41-04

無錫職業(yè)技術學院校級課題（名稱：校車主動式安全氣囊的防護效率與氣袋結構研究，編號：ZK201504。）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.014

CLC NO.: U461.91