基于正交試驗的座椅靠背氣囊對乘員保護的優化

許震，任傳波，馬克輝，張永國，周鵬程，陳雅潔

(山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博 255049)

世界衛生組織《道路安全全球現狀報告2018》指出，道路交通死亡人數繼續攀升，每年死亡135萬人。至今全球已有4 000多萬人死于車禍，平均每25 s有一人因交通事故死亡，每1 s就有1人因交通事故受傷，在諸多的交通事故中，正面碰撞所占比例高達49%，且后排乘員的損傷所占傷亡比例較大；因此，研究正面碰撞事故中后排乘員的安全問題十分必要。假人模型對于仿真碰撞測試尤為重要，魏玉釗等[1]以LSTC公司所公開的50百分位Hybrid Ⅲ男性假人為基礎，對假人手部進行改進，建立了假人雙手模型，并對正碰時有無抓握扶手的傷害進行了比對分析。在C-NCAP的3項碰撞測試中，后排乘員在100%正面碰撞和40%偏置碰撞中失分較多，為提高后排乘員得分，盧翠等[2]提出添加頭部氣囊的優化方案。

針對碰撞事故中后排乘員的保護，國內外許多學者做了大量的研究工作：Durbin等[3]對后排乘員相對于前排乘員的安全性進行了比對分析，結合最新年度中不同車型所提供的數據，研究發現后排乘員損傷風險較高且前后排座椅的安全性發展速度不同。Parenteau等[4]對未系安全帶的后座乘員在正面碰撞中對前座乘員造成傷害的風險進行了研究。曾慶國等[5]基于美國FMVSS 213法規和歐洲ECE R44法規的要求，使用正交設計對兒童約束系統進行了優化，并得到了最佳優化方案。胡遠志等[6]從安全帶限力等級、預緊器和安全帶固定點三方面進行了優化，不同程度地降低了后排女性假人的傷害指標。張海洋等[7]采用粒子群優化(PSO)算法對支持向量回歸(SVR)模型參數和核函數參數進行優化,建立了高精度的PSO-SVR近似模型,對乘員約束系統進行了優化。李勇等[8]對汽車正面碰撞中駕駛員胸部的損傷影響因素進行了詳細分析。洪亮等[9]研究了前排頭枕氣囊對后排乘員的保護，但只分析了改變氣體發生器的質量流率對乘員傷害的影響。

本文考慮不同座椅傾角時氣囊的位置，適當調整氣囊放置角度，綜合考慮多個因素對后座乘員的損傷影響，通過仿真分析并使用正交優化得到最優方案，從而減小乘員損傷。

1 仿真模型的建立

參考某型轎車座椅及后排乘員空間尺寸，使用 LS-PREPOST建立座椅及約束系統的簡化模型。

將50百分位Hybrid Ⅲ男性假人導入到簡化模型中，設置假人H點坐標和各個關節處鉸鏈參數來改變假人坐姿，將假人模型與后排座椅準確定位后，調節安全帶與假人的相對位置，進一步完成簡化模型的建立。

結合駕駛員疲勞機理與舒適性研究結果，合理地調節駕駛員座椅靠背及坐墊角度。在滿足駕駛安全的條件下，當駕駛員座椅靠背為15°時,駕駛員腰椎間盤受力最小；當椅面傾角大于7.5°時，腰腹部肌肉激活程度和脊柱內受力突然增大，故椅面傾角不應過大，不應大于7.5°[10]。將駕駛員座椅椅面和后排座椅椅面傾角均設置為7°，后排座椅靠背傾角設為恒定的15°，調整后的簡化模型如圖1所示。

圖1 駕駛員座椅靠背氣囊及后排乘員約束系統簡化模型

在LS-PREPOST中使用關鍵字定義各個部件的屬性，設置部件間的接觸和約束，如人與座椅摩擦系數0.3，仿真時間150 ms等。為了模擬正面碰撞靠背氣囊對乘員的保護，且考慮到FMVSS 201關于車內乘員保護法規即低速碰撞時頭部加速度超過80g的時間不能多于3 ms的要求，分別取車速為30 km/h和50 km/h，對比不同工況時的假人動態響應及損傷值。車輛正碰仿真時B柱下端加速度曲線如圖2所示，將加速度場作用于模型，以X向為正向，通過關鍵字*LOAD_BODY_X將加速度曲線輸入，*LOAD_BODY_Z將設置好的重力加速度曲線輸入，*LOAD_BODY_PARTS定義加速度場所作用的部件。

圖2 正碰B柱下端加速度曲線

2 有無靠背氣囊的保護效果對比

當汽車在30 km/h低速行駛且無靠背氣囊時,后排乘員頭部損傷指標HIC約為275，其頭部和胸部合成加速度曲線如圖3所示。由于低速無氣囊工況下的乘員頭部損傷指標符合乘員保護法規要求，因此主要對比50 km/h時有無靠背氣囊這一工況。

圖330 km/h無氣囊時乘員頭部與胸部合成加速度曲線

保持后排乘員空間、乘員坐姿、后排座椅角度不變，根據駕駛員疲勞機理與舒適性研究結果，將座椅靠背傾角調整為15°，針對有無前排靠背氣囊分別進行仿真。對仿真得到的乘員頭部質心合成加速度峰值、頭部HIC、胸部合成加速度峰值進行對比分析，結果如表1和圖4、圖5所示。

圖4 50 km/h時乘員頭部質心合成加速度曲線

圖5 50 km/h時乘員胸部合成加速度曲線

假人頭部損傷指標[11]為

(1)

表1 有無駕駛員座椅靠背氣囊后排乘員損傷對比

由表1和圖4、圖5可知，加裝靠背安全氣囊與普通座椅相比，后排乘員頭部和胸部合成加速度峰值均下降21%以上，因此靠背安全氣囊對后排乘員安全保護具有良好的效果。假人與氣囊接觸時的動態響應如圖6所示。

圖6 正面碰撞乘員動態響應

3 靈敏度分析

為了準確篩選對仿真結果影響較大的因素，采用靈敏度分析的方式來排除不敏感因素?？紤]的影響因素如下：

1)為保證假人頭部能夠與氣囊充分接觸，考慮改變靠背氣囊的放置角度。

2)氣囊容積決定氣囊所能容納氣體的體積，而我國車用氣囊的容積小于美國轎車中的氣囊容積，所以以大多數普通車用安全氣囊容積為參考，考慮改變氣囊容積。

3)乘員與安全氣囊發生接觸的同時，氣體通過排氣孔泄漏，排氣的過程也即是能量吸收耗散的過程[12]。為了使發生碰撞時的能量耗散速度合理，將氣囊泄氣孔的面積作為因素之一。

4)在正面碰撞事故中，汽車駕駛員座椅靠背傾角不僅對駕駛員的安全性和舒適性有影響，對后排乘員的傷害也有影響[13]，因此將汽車駕駛員座椅靠背傾角作為因素之一。

分別選取各個因素的參數最大值與最小值來限定其變化范圍，每次仿真只調整其中一個因素的參數，其他參數保持不變，以初始建立的簡化模型為基礎，將用于靈敏度分析仿真模型中的前排座椅靠背傾角調整并保持為0°，最后調整參數后模擬真實碰撞事故。本文主要以各因素對頭部損傷指標HIC以及加權傷害準則WIC的靈敏度為依據，判斷對乘員損傷值較敏感的因素。各因素靈敏度分析試驗見表2。各因素對假人損傷值的靈敏度分析如圖7所示。靈敏度計算公式[14]如下：

圖7 各因素靈敏度分析

(2)

表2 靈敏度分析試驗

由圖7可知，氣囊放置角度對乘員的這兩項損傷指標最為敏感，駕駛員靠背傾角和氣囊泄氣孔的面積對這兩項損傷指標也較為敏感。氣囊泄氣孔面積的靈敏度為負值，說明當泄氣孔面積增大到一定的數值時，相比于原始傷害指標，后排乘員損傷程度有所下降。雖然調整氣囊容積后的損傷值靈敏度也為負值，傷害數值也有降低的趨勢，但其與其他因素相比對后排假人的損傷值并不敏感。

綜上所述，在考慮以各因素對頭部損傷指標HIC以及加權傷害準則WIC的靈敏度為依據后，選擇氣囊泄氣孔面積、氣囊放置角度、前排座椅靠背傾角作為進一步優化的因素。

4 正交試驗優化設計

在日常的仿真試驗中，對結果影響較大的因素往往有多個，對于不同的試驗，成本也截然不同。如果采用全面試驗，將每個因素的每個水平之間都相互搭配，不僅會耗費大量的時間，也會使試驗成本直線上升。本文采用正交試驗優化設計方法合理地安排多個因素并進行分析，選出具有代表性的少數試驗方案并推出較優方案，在科學的方案分配基礎上得到盡可能多的信息。

經過靈敏度分析后得出的3個因素分別為氣囊泄氣孔面積、氣囊放置角度、前排座椅靠背傾角，將這3個因素作為主要優化目標，在同時考慮3個因素不同水平的影響時，以加權傷害準則WIC為評價標準，推出較優的試驗方案。WIC為加權傷害準則，其計算式為

0.05FLeft+FRight/20，

(3)

式中：HIC36為頭部損傷指標；C3ms為胸部3 ms加速度；Ccomp為胸部壓縮量；FLeft、FRight分別為假人左大腿軸向力和右大腿軸向力。聯邦機動車安全法規規定胸部3 ms合成加速度不能高于60g[15]。

采用三因素四水平正交試驗設計，即選取3個因素，每個因素對應4個水平數，根據因素對乘員損傷影響分析以及參數靈敏度分析，確定因素水平數的具體取值范圍以及各水平的數值。各因素水平數分配見表3，表3中因素A為氣囊放置角度，由于氣囊放置在前排座椅靠背中，考慮到座椅靠背內部空間以及氣囊能夠有效彈出，故分別選取水平為0°、-5°、-10°、-15°；因素B為駕駛員座椅靠背傾角，結合其對后排乘員損傷的影響，避免因座椅靠背傾角過大而產生負面保護效果，故分別選取水平為5°、10°、15°、20°；因素C為氣囊泄氣孔的面積，在其初始設置值的基礎上，分別設定水平數1 500 mm2、2 000 mm2、2 500 mm2、3 000 mm2。

表3 因素水平數分配表

若采用全面試驗方法，其試驗次數為64次，需要耗費較多時間。因此采用正交試驗設計，選用L16(43)等水平正交表，只需按照既定的試驗分配方案進行16次仿真試驗。等水平正交表中每列的因素水平數出現次數相同且任意列之間在同一行的水平搭配次數相同，保證了試驗的正交性，即在試驗數據范圍內試驗點分布均勻，正交試驗表及試驗結果見表4。由于需要進一步分清各試驗因素的重要性以及最優方案，基于各因素水平對應的試驗數據結果，采用極差分析法求解極差，確定因素的主次關系，推出最優組合。極差分析的計算式為

(4)

式中：R為極差；Ki為任意列的水平數為i時所對應的試驗結果的累加和；ki為任一列不同水平數對應的結果累加和的平均值；s為每一列中各個水平數分配的次數。

由公式(4)可知,極差可通過各列水平數對應的最終試驗數據累加和的最大最小值相減得到，極差越大說明因素對于乘員損傷指標的影響越重要。以加權傷害準則WIC作為評價依據，采用極差法的優化結果分析見表5。

根據表5中計算得出的數據可知，3個因素的主次順序依次為因素B、因素A、因素C。ki為表4中任意一列不同水平數對應的加權傷害準則的平均值，由ki可知各因素對應的優水平，ki越小則相應的因素水平越好。因素A為氣囊放置角度，其中k2為最小值，即水平2是因素A的優水平，使得后排假人的加權傷害準則WIC最??；因素B為駕駛員座椅靠背傾斜角度，與因素A相同，由于k2小于其他均值，故水平2是因素B的優水平；因素C為氣囊泄氣孔面積，其ki的值呈現遞減的趨勢，說明氣囊泄氣孔的面積與乘員綜合損傷值呈現反比例關系，則水平4為因素C的優水平。

綜上所述，根據正交優化設計的極差分析，推出最優分配方案為A2B2C4，說明當氣囊與前排座椅靠背之間的夾角為-5°、座椅靠背傾角為10°、氣囊泄氣孔的面積為3 000 mm2時，前排座椅靠背氣囊對后排乘員安全的保護效果最好。

由于在正交表中沒有優化后的最優分配方案，因此重新調整模型的水平后進行仿真試驗，將優化前后的方案進行比對分析，優化前的方案為初始設置，即座椅靠背傾角15°、氣囊放置角0°、氣囊泄氣孔的面積2 500 mm2。優化前后數據對比見表6。由表6可知，優化后的乘員各損傷指標均有不同程度的降低，其中頭部HIC下降21.15%，WIC下降20.39%。

表4 正交試驗設計表

表5 采用極差法的優化結果分析

表6 優化前后的乘員損傷值對比

5 結論

通過建立前排座椅靠背安全氣囊及后排乘員約束簡化模型，對比分析了有無保護后排乘員的頭部氣囊對假人的損傷影響，使用正交優化得到最優保護方案，并得出以下結論：

1)發生正面碰撞時，與普通座椅相比，在駕駛員座椅靠背中添加安全氣囊可以有效減小后排乘員的損傷；頭部是發生碰撞時較易受傷的部位，加裝氣囊后頭部損傷指標保護效果提升21%。

2)為了選取合理的角度，保證發生碰撞時乘員頭部能夠與氣囊充分接觸，采用正交試驗優化設計推出最優分配方案。結果表明，優化后乘員頭部損傷指標HIC下降21.15%，加權傷害準則WIC下降20.39%，對后排乘員的保護效果提升顯著。

3)為實現保護后排乘員的目的，有必要對前排座椅結構進行改進，且靠背安全氣囊的其他參數影響還需進一步詳細研究。