汽车坐盆安全气囊对假人伤害的仿真及优化

卢礼华,陆建辉,刘志峰,高发华,代立宏,罗明军

(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院,230009,合肥;2.奇瑞商用车有限公司汽车工程研究院,241006,安徽芜湖)



汽车坐盆安全气囊对假人伤害的仿真及优化

卢礼华1,2,陆建辉1,刘志峰1,高发华2,代立宏2,罗明军2

(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院,230009,合肥;2.奇瑞商用车有限公司汽车工程研究院,241006,安徽芜湖)

针对汽车前碰撞过程中假人胸部压缩量超标这一难点,开发了一种安装在座椅坐盆处的全新坐盆安全气囊。通过理论探索坐盆气囊在碰撞过程中的作用原理,证明了坐盆气囊可以有效抑制假人X向运动,达到了减少假人胸部压缩量的目的。借用计算机辅助工程(CAE)中MADYMO软件建立了坐盆气囊模型,通过零部件和子系统的试验验证了该模型的精度。在某款运动型多功能车(SUV)车型上建立了整车约束系统模型且与试验进行了对标验证;在验证后的系统模型中通过增加坐盆气囊的CAE模块作为优化的基础模型,对坐盆气囊的安装位置、角度以及点爆时间进行了灵敏度分析和试验设计(DOE)优化,以探寻最佳的优化方案。经台车试验和限力式预紧安全带对比分析表明,坐盆安全气囊可以降低假人胸部14.79%的压缩量,有效抑制了人体骨盆纵向位移。该结果可为保护假人胸部研究提供参考。

坐盆安全气囊;试验设计优化;灵敏度分析;台车试验

随着汽车安全法规的进一步实施,用户对汽车安全性的要求越来越高[1-2],汽车整车安全系统的设计更为重要。较早的安全气囊已开发出多种类型[3],如驾驶者安全气囊(DAB)、乘员侧安全气囊(PAB)、侧面安全气囊(SAB)和安全气帘(CAB)、膝部安全气囊(KAB)等。在多数前碰撞试验中,假人的胸部压缩量一直是约束系统优化的难点[4]。在约束系统开发过程中,通常采用预紧式安全带来消除碰撞开始时乘员与安全带间的松弛量,减小假人上半身相对于车体的位移量,达到减小假人头部和胸部伤害的目标。但是,预紧式安全带只作用于假人上半身,对假人下半身的效果并不明显。

研究表明,正面碰撞时增大座椅坐垫与地面的夹角,能够有效降低乘员头部和胸部伤害[5],实际上,座椅坐垫倾角与乘座舒适性相矛盾[6],因此本文结合约束系统开发中的实际需求,提出了一种安装在座椅前端的坐盆安全气囊。传统的安全气囊是通过气囊来隔离假人与车身的[7],坐盆气囊是主动地推动假人远离碰撞区域,从而减小假人的胸部伤害。

1 坐盆气囊工作原理

图1 假人的X向受力分析

如果只配备了DAB和安全带,没有配置坐盆气囊,则假人X向受到的约束力有DAB对假人头部和胸部的约束力Fa,安全带的肩带约束力Fb1和腰带约束力Fb2,坐垫对假人大腿和骨盆的摩擦力Fs。根据受力和运动建立的动力学和运动学方程如下

(1)

(2)

假如在前碰撞试验中配备了坐盆安全气囊,假人在X向还受到了坐盆气囊阻碍其向前运动的力Fp,因此新的动力学和运动学方程如下

(3)

(4)

2 坐盆气囊计算机辅助工程建模及验证

2.1 坐盆气囊计算机辅助工程模型

在MADYMO软件中建立坐盆气囊的计算机辅助工程(CAE)模型,模型主要由气袋和集气盒两部分组成。气袋在参考未折叠情况的同时,采用Primer模块进行了4步折叠,以消除气袋网格在折叠过程中产生的交叉和穿透。集气盒采用有限元进行模拟,将折叠后的气袋放置在集气盒中,并保证气袋网格与集气盒网格之间不存在初始穿透。由CONTACT.FE_FE模块设置气袋与集气盒之间的接触,由此生成坐盆气囊的CAE模型,如图2所示。

(a)未折叠气袋 (b)折叠后气袋

(c)坐盆气囊模型图2 坐盆气囊有限元模型

为准确模拟气囊的整个展开过程,本文采用Gas Flow算法[8-11]对发生器注入气袋的气体进行了流场模拟,将模型进行静态点爆分析,得到气囊展开过程,如图3所示。

图3 坐盆气囊静态展开过程

2.2 坐盆气囊模型刚度验证

通常,气囊CAE模型必须通过刚度试验验证之后才能保证模型的精度。试验时先将坐盆气囊安装在刚性壁障上,冲击块与壁障相隔60 mm且静止放置。冲击块上装有传感器,气囊点爆后冲击块运动,从而可以获得气囊的加速度曲线。在MADYMO软件中依据如上试验参数建立模型,仿真后得到气囊的展开动画及加速度曲线,如图4和图5所示。

图4 气囊的展开过程

图5 气囊的加速度曲线

由图4可知,仿真中安全气囊的展开高度及包型与试验较为一致。由图5可知,试验和仿真的加速度曲线吻合度较高,表明气囊刚度一致。可见,本文CAE模型具有较高的精度,可以准确模拟坐盆气囊的实际情况。

2.3 子系统模型验证

由于坐盆气囊是集成在座椅上的,座椅对坐盆气囊的影响不可忽略,因此需要对子系统试验进行验证。子系统试验时先将假人放置在装有坐盆气囊的座椅上,点爆坐盆气囊,观察气囊作用于假人大腿的时刻(到位时刻),以及气囊使假人大腿的抬起高度。CAE模型包含座椅、坐盆气囊、假人和背板,其中假人采用精度较高的d_hyb350fc型有限元假人,由此得到CAE的仿真动画与试验录像如图6所示。

(a)动画 (b)录像图6 CAE的仿真动画与试验录像

由图6可知,仿真时假人大腿抬起时间与试验相同,约为18～20 ms,说明CAE模型中气囊的到位时间较为准确,另外参考背板上的格子可发现,仿真时假人大腿抬起高度与试验较为一致,表明子系统中坐盆气囊的展开高度和刚度与实际一致。动画中隐藏了座椅和假人的大腿部分,而通过CAE模型可获得坐盆气囊与假人的具体情况。因此,通过子系统对比,证明了座椅和坐盆气囊的子系统模型具有较高的精度,其为搭建带坐盆气囊的整车模型提供了基础。

3 整车约束系统模型

3.1 整车约束系统基础模型

根据实车50FRB、采用MADYMO软件建立了有限元模型,模型中结构包括风窗、前围板、仪表板、脚踏板、地板、座椅和转向操纵等[10-13],各部件之间采用铰链连接。驾驶员安全气囊和安全带的约束系统采用有限元法进行模拟,假人模型采用Hybrid Ⅲ第50百分位(即中国公民中等身高身材)的有限元模型,假人H点、骨盆角、假人与车身的相对位置均与试验测量值保持一致。模型中假人与DAB、安全带以及座椅、仪表板、地板等结构部件的接触采用CONTACT.FE_FE方式进行设置[14]。同时,模型附加了诸多细节功能:DAB罩盖撕裂,转向管柱压溃,方向盘上轮缘弯曲变形,座椅翻转等。50FRB模型如图7所示。

图7 50FRB模型

约束系统模型建成后,需要将假人伤害仿真与试验进行对标验证,以保证模型的精度。验证时将仿真和试验信号(力和加速度)导入Objective Rating软件进行评判,验证顺序为骨盆、大腿小腿、胸部、颈部、头部,各部位伤害吻合程度如表1所示。

表1 假人伤害对标结果

由表1可知,假人伤害的仿真与试验的综合拟合得分达到了82.60%,高于通常模型要求的80%,表明本文模型具有较高的精度,可用于后续约束系统分析。

3.2 装配坐盆气囊的系统模型

以验证后的约束系统为基础,在座椅坐盆处通过添加已验证的坐盆气囊模型,生成装配有坐盆气囊的整车约束系统模型。图8为坐盆气囊模型及部件构成。

1:头枕;2:靠背;3:座椅骨架;4:坐垫;5:坐盆气囊集气盒;6:坐盆气囊气袋图8 坐盆气囊模型及部件构成

集气盒通过铰链与座椅坐盆相连,这样整车碰撞过程中坐盆气囊将随着座椅一起进行水平运动和翻转。

为使坐盆气囊的保护效果最大化,采用灵敏度分析、结合DOE优化的方法,探寻出最佳的坐盆气囊设置方案。

4 坐盆气囊优化及台车试验验证

4.1 灵敏度分析

在整车约束系统上坐盆气囊优化参数分别为坐盆气囊的安装位置、角度及点火时间,如表2所示。坐盆气囊安装位置如图9所示。坐盆气囊安装角度如图10所示。

表2 坐盆气囊优化参数

图9 坐盆气囊安装位置

图10 坐盆气囊安装角度

如果直接将3种优化参数的水平值进行DOE全排列分析,则将生成36组试验矩阵。为减小DOE优化的计算时间,先通过灵敏度分析剔除对胸压影响不敏感的优化参数,再针对余下参数进行DOE优化,灵敏度分析结果如图11所示。

图11 灵敏度分析结果

由图11可知,3种优化参数中胸压受坐盆气囊的安装位置和点爆时间影响较为敏感,而安装角度的影响较小。所以,在DOE优化中只选取安装位置和点爆时间作为最佳优化参数,这样试验矩阵为12组,可大大降低计算量,缩短了开发周期。

4.2 DOE优化分析

对安装位置和点爆时间进行了全因子计算,对12组优化方案进行了分析。从12组优化方案中选择出一组最佳的参数:坐盆气囊距最前端100 mm,点爆时间为10 ms。由于在DOE优化中忽略了安装角度这一优化参数,故在已确定优化参数的基础上,对3种安装角度进行了对比分析,结果显示,当气囊集气盒中心线与Z轴成30°时,胸部压缩量最小。所以,最优的方案为:坐盆气囊距最前端100 mm,点爆时间为10 ms,安装角度为中心线与整车Z轴成30°。优化前后假人伤害值对比如表3所示。

表3 优化前后假人伤害值对比

由表3看出:优化后胸部压缩量下降了14.80%,头部HIC36值下降了7.03%,左、右大腿压缩力分别下降了94%、95%。其原因是坐盆气囊限制了假人下半身运动,从而减小了假人大腿与仪表盘的碰撞,可见坐盆气囊对假人下半身具有保护作用。表3还显示,颈部所有力矩上升,但未达到C-NCAP标准的扣分限值42 N·m,同时胸部压缩量下降最多,因此可将该优化参数视为最优选择,并应用于台车试验进行验证。

4.3 台车试验验证

将坐盆安全气囊安装在台车上对两轮台车进行试验,由此来验证坐盆安全气囊对胸部压缩量的效果。第一轮台车试验中安装了坐盆安全气囊,但气囊不点爆;第二轮台车试验中安装坐盆安全气囊,且气囊点爆,同时采用了最优方案(坐盆气囊距最前端100 mm,点爆时间为10 ms,安装角度为中心线与整车Z轴成30°)。两轮台车试验如图12所示。

(a)坐盆安全气囊起爆前

(b)坐盆安全气囊起爆后图12 两轮台车试验

在两轮台车碰撞试验中,DAB、安全带等设置相同,同时采集假人的骨盆和胸部的关键参数,经整理得到安装坐盆气囊前后两轮试验的假人骨盆和胸部压缩随碰撞时间的变化,如图13所示。

(a)骨盆相位移对比

(b)胸部压缩量对比图13 两轮台车试验数据对比

由图13a可见,安装坐盆气囊后骨盆位移量小于未安装的位移,最大值下降了28 mm,说明坐盆气囊可以减小假人X向的位移,这与理论模型结论吻合。由图13b可知,安装坐盆气囊后假人胸部压缩量为35.88 mm,降低了14.79%,与仿真结果14.80%一致。另外,坐盆气囊的其他作用也得到了验证,如假人左、右大腿受力下降了86%和97%。因此,通过试验充分证明了安装坐盆安全气囊可以有效保护假人,可以解决约束系统开发的难点,即假人胸部压缩量超标的问题。

5 与限力式预紧安全带对比

目前,带有限力装置的预紧安全带已经得到广泛应用,预紧装置可使安全带维持在一个足够的张紧状态,以固定乘客身体。限力装置需设定某一阀值,当施加在安全带上的力度达到限值时,安全带限力装置自动放出安全带,避免乘员胸部承受过大的安全带压力,工作原理如图14所示。

(a)预紧 (b)限力图14 预紧和限力装置的工作原理

为了对比限力式预紧安全带与坐盆气囊约束的效果,本文采用坐盆气囊通过降低乘员正面碰撞中骨盆位移和胸部压缩量,来评估约束的作用。限力式预紧安全带模型的预紧量为0.09 m,且在0.01 s内卷入并锁止,安全带的限力等级为2 500 N。

在坐盆气囊和限力式预紧安全带这2种约束装置下,人体的骨盆纵向位移和胸部压缩量如图15和图16所示。

图15 骨盆相对位移

图16 胸部压缩量

由图15和图16可知,坐盆气囊下骨盆相对位移量小于限力式预紧安全带,胸部压缩量不如限力式预紧安全带。总体来说,坐盆气囊起到了一定的预期效果,可以有效抑制胸部位移,缩短人体骨盆的位移,减小膝盖和大小腿等与内饰之间的二次碰撞等,但仍有较大的优化和改进空间,两者的结合与合理搭配有待于进一步研究。

6 结 论

(1)本文开发了一种安装在座椅坐盆处的全新坐盆安全气囊,根据动力学和运动学的理论,对假人X向运动位移进行了分析,证明了坐盆气囊可以减小假人胸部压缩量。

(2)采用Gas Flow算法对气袋内的气体进行了流场模拟,并将气囊CAE模型与气囊刚度和子系统试验进行了对标,以验证CAE模型的精度。

(3)依据某款SUV实车建立了约束系统模型,通过试验验证确保模型的准确性。在该模型的基础上添加了坐盆气囊模块,作为坐盆安全气囊优化的基础模型。通过对坐盆气囊安装位置、角度及点爆时间这3个优化参数进行灵敏度分析和DOE优化,得到了最佳的优化方案:坐盆气囊距最前端100 mm,点爆时间为10 ms,安装角度为中心线与整车Z轴成30°。这样,胸压大幅下降14.80%。

(4)经与限力式预紧安全带对比,结果表明坐盆气囊不仅能有效抑制胸部位移,还可有效缩短人体骨盆的位移,减小膝盖和大小腿等与内饰之间的二次碰撞等。

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(编辑 苗凌)

Simulation and Optimization of Automobile Seat Basin Airbag for Dummy Injury

LU Lihua1,2,LU Jianhui1,LIU Zhifeng1,GAO Fahua2,DAI Lihong2,LUO Mingjun2

(1. School of Automotive and Mechanics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Automotive Engineering Research Institute, Wuhu Chery Commercial Vehicle Company, Wuhu, Anhui 241006, China)

An innovative seat basin airbag installed on the front seat is developed as a solution to the over compression of the dummy chest in the event of full frontal impacts. The operation principle of the seat basin airbag is theoretically investigated to demonstrate its effect on restraining the movement inX-direction and reduce the compression of the dummy chest. The purpose of reducing chest compression of dummies can be achieved via seat basin airbag. A seat basin airbag model is established with the commercial code of MADYMO and its precision is validated by the tests on sub-system and components. A restraint system model for a SUV is established and validated via a full scale test. Putting seat basin airbag CAE module into the validated full scale restraint system model facilitates constructing an essential optimization scheme, in which DOE (design of experiment) optimization method and sensitivity analysis are performed for the installation position, angle and ignition time of the seat basin airbag. The analysis indicates that the compression of dummy chest can be reduced by 14.79%, and the movement of the pelvic is significantly restrained.

seat basin airbag; design of experiment optimization; sensitivity analysis; sled test

2016-01-27。 作者简介:卢礼华(1978—),男,博士生;陆建辉(通信作者),男,教授,博士生导师。 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51405123)。

时间:2016-06-14

10.7652/xjtuxb201609023

U461

A

0253-987X(2016)09-0146-07

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160614.1714.002.html