侧面安全气囊能量吸收的仿真研究

孙 捷 顾力强

上海交通大学机械与动力工程学院 200240

侧面安全气囊能量吸收的仿真研究

孙 捷 顾力强

上海交通大学机械与动力工程学院 200240

安全气囊的能量吸收一直是安全气囊保护效果是否达标的重要考量标准，然而如果每次通过实车试验来判断能量吸收的效果不仅耗费大量人力物力，而且实车碰撞的工况太多，可能影响的实验参数也太多，所以我们一般通过其他途径，例如动态冲击实验的仿真来得到侧面气囊可以吸收的具体能量值。这种方法不但可以减少影响实车结果的各种条件，而且结果也非常可靠高效，还可以大大的减少实验成本

侧面气囊 仿真对比 C-NCAP crash test

0 引言

随着我国经济的持续发展，国内汽车总量逐步攀升，交通事故发生率也居高不下。据统计，自2000年以来，我国每年因为交通事故造成的人员伤亡巨大，其中死亡超过六万人，而伤者也高达三十万之多。在这些交通事故中，正面碰撞事故仅占总事故的21%，而侧面碰撞则占到了41%。减少侧面碰撞损失，成为人们研究的重点。由于车辆侧面空间非常的狭小，一方面降低了侧面防护碰撞的能力，另一方面也增加了车载人员和驾驶员在发生侧面碰撞中的躲避难度。因此，一旦发生侧面碰撞，车载人员和驾驶员的胸部、头部、颈部等关键部位极易发生伤害，而且伤残级别还比较高。按照美国汽车医学协会制定的标准，侧面碰撞中人员伤害往往处于3级以上，对乘车人员伤害极大。

如何可以模拟出碰撞过程中所有产生的能量伤害，仿真成为了最有效也是最直接的验证方式，因为真实车辆的现场测试，不仅需要花费大量的人力物力和财力，同时由于各种偶然因素的影响以及产品设计等影响，现场真车试验的可重复性也较差。随着计算机仿真技术的发展，仿真分析被广泛的应用于汽车行业，通过仿真实验，可以具体分析车载人员和驾驶员等在侧面碰撞、正面碰撞中的承压情况。

1 侧面气囊工作原理

侧面安全气囊主要分为3个种类，头胸保护气囊、胸部保护气囊、胸臀保护气囊。每个种类的区别在于气囊的保护面积和体积不同。每种气囊都有各自关注的保护对象。有些气囊甚至是多腔的来保护多个人体器官。由于SAB侧重的是乘客和驾驶员的胸部保护，而且胸部的脏器较多，所以胸部保护是SAB主要关的保护区域。根据设计标准，每个SAB都必须达到胸部保护的功能侧面安全气囊系统不仅涉及到气囊本身，与传感器、自动控制单元等也密切相关。当车辆发生碰撞时，首先由传感器感应到碰撞信号，并将该碰撞信号迅速传感给控制单元，由控制单元对该碰撞信号进行分析判别，必要时释放出气囊起爆信号，让点火设备迅速点火，气囊快速充气，并在最短时间内充满气体，减少或避免车上乘客的碰撞伤害，发挥保护车上乘客人身安全的作用。

图1 侧面气囊介绍Fig.1 SAB introduction

2 侧面气囊能量吸收及仿真

2.1 侧面气囊的仿真

本次使用某正在开发的胸臀保护的侧面安全气囊作为目标来研究它的仿真数据和实验结果。SAB的仿真较为简单，因为只有一个腔体，所以在建立模型和数据采集时都较为方便，不会轻易受其他环境因素改变。首先我们通过已有的扫描和建立三维模型，通过dyna仿真软件建立和导入模型，并设置相关的参数，我们仿真模拟的结果是模拟气囊在没有任何相关件的情况下点爆后的状态.仿真的结果可以看到，模拟时间和真实实验的到位时间，充满时间.以及充满位置基本一致.这样就证明了我们的仿真结果是真实可靠的.

表1 仿真与实际实验的到位时间对比Table 1 simulation and real test on position time comparison

图2 侧面气囊静态点爆仿真Fig.2 SAB static deployment simulation

通过静态点爆的仿真，是为了动态冲击对比的铺垫.当仿真内容可靠时，我们再将模型应用到动态冲击对比中，这样使动态冲击仿真中的可变因素减小.仿真结果也较为可靠。

2.2 侧面气囊的动态冲击实验

动态冲击实验是模拟实车碰撞的一种实验，可以较为真实的模拟实车碰撞时气囊点爆和吸收能量的过程，但是缺点是这个实验还是相对静态的，不具有动态实验时候的各种环境参数的影响。具体实验方法是：用25kg的平板去模拟人的躯干，以6 m／s的速度冲击目标，此时气囊同时展开，这种实验即可以测试气囊的到位时间，也可以测试气囊的压力数值是否满足条件。如果到位时间过慢，那么模拟板会撞击到背板区域，如果压力值过小，那么就会发生所谓的“击穿”效果，模拟板也会接触到背板。我们可以通过各种传感器和观察接触时间来记录几个重要的关键参数，撞击速度／加速度、气囊腔体的内部压力值、气囊的变形量（位移）。

图3 侧面气囊动态冲击对比Fig.3 SAB dynamic impact correlation

2.3 动态冲击实验的仿真结果的对比

为了确认仿真参数的准确性和可靠性，我们会通过真实的实际动态冲击实验来对比我们的仿真结果，在实验过程中，我们首先要确保实验的设置和仿真内容达到一致，即相同位置的气囊布置，相同重量的模拟板，相同的触发距离，相同的冲击速度等。然后我们对比仿真和实验的关键值。即对比速度／加速度、腔体压力、位移。

经过对比数据我们发现，速度／加速度值和压力值如下图所示。这两个实验表明，在速度和加速度曲线上，我们的仿真结果和实验结果基本一致，速度基本是6.3 M／S，加速度基本控制在27.5 M／S2，但是压力值上由于气体发生器本身的不稳定性，在几个比较重要的气体释放关键点，数值还是较为相同的，例如在5MS时都可以达到压力最大值，而且在10ms左右压力有一个负缓冲，然后规律的释放气体压力。这种气囊的能量吸收会有一个非常稳定的过程，即从车辆碰撞开始，气囊可以完整地打开，然后压力值最大时因为此时腔体还未完全打开，气体在快速的充满气囊，最后当压力值达到工作区域时，我们可以发现并没有发生击穿现象，所以气囊可以完整地吸收整个冲击所能造成的能量。达到预先目标的要求。

图4 冲击速度为6 M／S时各参数曲线对比值Fig.4 impact speed 6 m／s several data correlation

为了再次验证对比实验的可靠性，我们一般会选用两种实验设置来确认数据的准确性，下图是冲击速度为8 M／S，冲击板重量为35 kg时的参数曲线。我们可以发现，当速度提高后，动能明显变大，加速度曲线的峰值也有所提高。但是仿真数据和实验数据还是非常接近的，无论是速度、加速度，还是压力曲线的整体趋势依旧很相似，这样可以清楚地表明我们仿真的结果是真实可靠的。

图5 冲击速度为8 M／S时各参数曲线对比值Fig.5 impact speed 8 m／s several data correlation

2.4 动态冲击实验的失效及优化

当仿真和实验出现击穿现象时，我们认为这样的结果是不符合设计要求的。击穿即模拟躯干的冲击板直接接触车门内饰。此时的气囊是失去保护效果的。我们可以从下面的参数中看到，当发生击穿现象时，加速度曲线和速度曲线会有明显不同。加速度会因为受到门板反弹而再次变大，我们也可以通过位移曲线来确认击穿。

当发生击穿现象时，我们可以通过几种手段优化气囊：在保护区域变化不大的情况下，减小气囊

的体积；调整泄气孔或者气囊布料的涂层从而增加气囊的气密性。当然不管使用哪种优化方案。我们都必须重新仿真和通过动态冲击实验来验证它的可靠性。

Side Air Bag energy sorption simulation and analyze

He Xiong He Weilian
School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240

Energy absorbing of airbag has been an important consideration whether the protective effect of airbags standard.But if each real crash test to determine the energy absorption effect not only spend a lot of manpower and resources，but also will the actual vehicle collision conditions，which may affect the experimental parameters too many，so we generally through other means，such as dynamic impact simulation and correlation to get specific energy values side airbag can absorb.This approach not only reduces the impact of the various conditions the results of the actual vehicle，and the results are very reliable and efficient，but also can greatly reduce the cost of experiments.

Side airbag simulation correlation C-NCAP crash test

U461.91

B

1006-8244（2015）04-037-04