基于MADYMO的驾驶员安全气囊仿真优化

王清，段敏

（辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001）

基于MADYMO的驾驶员安全气囊仿真优化

王清，段敏

（辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001）

车辆数量越来越多，交通事故频繁发生，汽车被动安全越来越别重视。为了减少成本，利用仿真法代替实验法来优化安全气囊已相当普遍，利用MADYMO仿真软件，建立简要的驾驶员约束系统模型，对结果进行分析，通过修改气囊直径、排气孔直径、气流率3个参数对驾驶员安全气囊进行优化，提高气囊保护作用。

仿真法；MADYMO；安全气囊；优化

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-34-03

前言

在汽车被动安全中，安全气囊起着至关重要的作用。安全气囊按照其安装位置及保护对象的不同可分为驾驶员气囊、乘员侧气囊、侧面气囊、膝部气囊等[1]。驾驶员侧不同于乘员侧，因为转向系统的存在，其空间位置更小，在汽车发生碰撞时，驾驶员与方向盘、仪表板更容易发生碰撞挤压，对驾驶员造成伤害。驾驶员侧安全气囊在车辆发生碰撞时，气体发生器产生高温高压气体并将气体充入气袋，这时气囊形成一个气体的保护垫，阻隔驾驶员的头部、胸部向方向盘或仪表板的撞击，起到很好的保护作用。本文通过对气囊的优化，提高气囊的保护效果。

（1）数据采集实验

在建立模型之前，为确保模型的准确性，需要确定模型参数和输入参数，例如车体B柱下端加速度波形如图1，车体建模的空间尺寸等数据。而这些数据数据则需要从相应的试验中采集获得。因此，在建立MADYMO仿真模型之前需要进行数据采集试验。将试验得到的数据与仿真数据作对比还可验证模型的准确性。

图1 B-柱下端加速度波形

2 建立MADYMO仿真模型

2.1 建立气囊模型

MADYMO中拥有自己的气囊模型文件，驾驶员安全气囊可以看做是一个二维模型，分上下两个PART，MADYMO中打开文件a_driver_airbag.xml得到气囊模型，根据数据提出试验中实车空间大小，初定气囊直径为680mm，然后在MADYMO中建立了2个气囊拉带，设置长度为0.3m，下面PART上有两个排气孔。网格划分使用无沙漏模式的三节点膜单元（MEM3 ），这MEM3在描述织物的几何特性方面表现较好。将划分好的气囊利用折叠模块Folder对气囊进行折叠，折叠过程如图2所示。

图2 气囊折叠过程

气囊参数在 MADYMO中定义，气囊要定义的参数有气囊织布材料和气体发生器参数等[2]。用 MATERIAL.ISOLIN定义气囊织布材料，织布材料选用各向异性的弹性材料，表1为材料属性[3]。由 MATERIAL.HOLE 定义排气孔的特性，初始孔的大小为25mm，气体发生器的定义由AIRBAG_CHAMBER 实现，需要定义在气体发生器中气体的质量流率曲线和温度曲线，如图3，图4 所示。由关键字GAS_MIXTURE.CONSTANT 定义气体成分和摩尔比，发生器气体摩尔比为35%氮气、50%水和15%二氧化碳，对人体和环境无害。

表1 气囊材料属性

图3 发生器质量流率曲线

图4 发生器温度曲线

2.2 建立约束系统仿真模型

本文利用 MADYMO 软件创建汽车驾驶员约束系统仿真模型，模型主要包括车体模型、安全带模型、安全气囊模型和假人模型[3]。为确保模型的准确性，车辆驾驶室的空间尺寸由实车试验实际测量得到，根据测量数据建立车体仿真模型，车体模型应包括前挡板、护膝板、脚踏板、转向系统、仪表板和座椅等部件，车体模型见图5。MADYMO软件中自带有比较完整的假人库，提供多种假人模型供使用者参考使用，本次建立的模型选取Hybrid III 50% 椭球体假人模型。从假人库中调取假人，将假人定位在车体座椅和脚踏板上，通过INITINAL.JOIMT_POS初始化铰的位置和ORIENT AION.SUCCESSIVE_ROT转动饺的方向可以将假人定位到座椅和脚踏板上。然后定义假人与车体的接触，利用关键字CONTACT.MB_MB定义假人的接触。建立安全带有限元模型，定义安全带与假人之间接触，然后定义安全带的材料和类型，安全带材料选用MATERIAL_HYSISO类型，安全带限力值为3.5KN，预紧长度为110mm，安全气囊模型使用上节中建立的模型，由INITIAL.JOINT_POS 单元定义气囊的安装位置，在车体模型中布置气囊。仿真模型完成后，建立的仿真模型如图6所示。仿真模型的输入为数据提取实验中得到的B-柱下端加速度波形。

图5 车体模型

图6 MADYMO仿真模型

3 模型有效性验证

仿真模型的准确性对仿真结果起着决定性作用，约束系统模型建立以后，为确保模型的准确性，要进行模型的有效性验证。验证就是将仿真结果同试验结果作对比，通过数据分析和录像分析，验证模型与实车的相似程度。模型仿真结果与试验结果不可能完全一样，它受很多因素影响，通常我们把相似度达到85%以上的，即视为模型准确[2]。下图是仿真与实验结果对比。

图7 试验与仿真动画对比

图8 头部合成加速度曲线

图9 胸部合成加速度曲线

图10 胸部压缩量曲线

从试验与仿真的对比我们得到，假人头部合成加速度重合最好，胸部合成加速度有细小的偏差，但不是很大。胸部压缩量重合度最差，但也在合理范围内。且两者峰值相差在15%以内，建立的仿真模型是合理的，准确性较高，可以进行下步气囊优化工作。

4 安全气囊优化

模型验证完毕后，要进行气囊的优化，本文从气囊直径、排气孔直径、气流率三个参数优化气囊，优化气囊参数表见表2。本次优化采用正交试验法，试验矩阵见下表3，所得仿真结果见表4，在法规FMVSS208 中，提供了利用正则化评价值WIC 来评价伤害，WIC是将头部，胸部，腿部的伤害进行加权所计算得到的值[5]，WIC的定义如下：

表2 优化气囊参数

表3 正交试验矩阵

表4 正交试验结果统计

通过极差分析法对正交试验结果表进行分析，对WIC的影响从大到小依次为：气囊排气孔直径、气流率、气囊直径。本次优化最优组合为A1B3C3。因此选取这三个参数时气囊的保护效果最好。

5 结束语

通过建立正面碰撞驾驶员约束系统模型，利用正交试验法和假人伤害评价分析方法，通过改进气囊直径，气流率和排气孔大小三个气囊参数，对驾驶员安全气囊进行仿真优化分析，提高气囊的保护作用。

[1] 黄世霖,张金焕,王晓东.汽车碰撞与安全[M].北京:清华大学出版社,2000:52- 57.

[2] 李亚明.基于C-NCAP 汽车正面碰撞驾驶员侧约束系统匹配与优化.辽宁工业大学硕士学位论文,2017.

[3] 贾艳丽,某车正面碰撞乘员侧约束系统仿真及优化.辽宁工业大学硕士学位论文,2014 .

[4] 田国红,齐登科,孙立国,王吉成.基MADYMO的正面碰撞驾驶员侧约束系统仿真分析[J],时代农机,2015,(12):42-12.

[5] 沈斌,前排驾驶员侧约束系统的建模与参数设计.吉林大学硕士学位论文,2007.

Simulation and optimization of driver airbag based on MADYMO

Wang Qing, Duan Min
（Liaoning university of technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

The number of vehicles is increasing, traffic accidents are frequent, and the car's passive safety is becoming less and less important. In order to reduce costs, the simulation method is used to replace the experimental method to optimize the airbag has been quite common, in this paper, by using MADYMO simulation software, to set up driver-side restraint system model, analyze the results, by modifying the airbag diameter, vent diameter, flow rate of 3 parameters for optimization of the driver's airbag, improve airbags protection.

emulation method; MADYMO Airbag; improve

U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-34-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.013

王清，硕士，就读于辽宁工业大学。研究方向：车辆CAD,CAM,CAE技术。