侧面碰撞头胸双气室气囊的设计与优化

葛如海，刘 乐，林 坡，肖建忠

(1.江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013; 2.无锡职业技术学院， 江苏 无锡 214121)

随着社会的进步，汽车已经逐渐走进了千家万户，成为生活中必不可少的一部分。然而由于汽车保有量的增加，汽车事故的发生率也随之增加。另外，由于我国道路交通大多为混合交通，且交叉路口以平面交叉为主[1]，导致汽车发生侧面碰撞的交通事故率居高不下。据统计，2016年末全国民用汽车保有量为19 440万辆(包括三轮汽车和低速货车881万辆)，道路交通事故万车死亡人数为2.1人[2]。

就汽车本身而言，侧面是车体中强度较薄弱的部位，结构空间小，吸能构件少，当车身侧面遭受撞击时，没有足够的变形空间去吸收缓冲撞击力，造成乘员与车门窗及外部物体等发生碰撞而受伤，严重时甚至死亡[3]。汽车安全气囊作为一种辅助安全工具，主要是为了减少二次碰撞对乘员造成的伤害。汽车侧面气囊为乘员提供头部、胸部、腹部、臀部等部位的被动约束保护，主要分为头部气囊(气帘)、头胸式气囊、胸部气囊、胸臀式气囊等。现在头胸式气囊对假人头胸部位保护这一方面的研究较少，较多的是研究头胸一体式气囊或气帘加胸部气囊对乘员的保护。杨济匡等[4]采用有限元分析模型、逐步回归代理模型和序列优化方法对头胸部一体式气囊进行了优化设计，使侧面碰撞的综合伤害评估值下降。李晓明等[5]研究发现：侧面气囊和气帘能对乘员头胸部提供更好的保护。本文通过研究发现：采用双气室气囊可以同时保护头部与胸部。

本文通过计算机仿真技术，运用CATIA、HYPERMESH、MADYMO等软件建立头胸双气室式气囊侧面碰撞的仿真模型，与试验数据进行对标，确定模型的有效性，并与安装气帘加胸部气囊的碰撞模型对比，以此来验证设计的头胸气囊对乘员的保护效果。利用正交试验对气囊模型进行优化，以提高约束系统的整体性能。

1 侧面碰撞仿真模型的建立与验证

MADYMO软件能提供一种基于实车侧面碰撞试验数学仿真的PSM方法[4]，利用该方法建立侧面碰撞试验车辆的简化约束系统模型，可以用来模拟碰撞过程中车门发生变形，假人与气囊、车体接触碰撞等。PSM子结构方法能极大地简化复杂耗时的整车侧面碰撞有限元模型，便于有效地对约束系统参数进行优化设计。

1.1 车体模型的建立

模型主要包括车体模型、假人模型、安全气囊模型等。车体模型采用PSM子结构方法建立，坐标原点在车体前方，X轴方向为车体运动的相反方向，Y轴方向为指向车体右侧，Z轴方向向上。将车门结构及其内饰、A柱、B柱、门槛、车辆地板、驾驶员座椅等的Catia模型导入Hypermesh中进行网格划分，然后导入MADYMO中，用以将模型按实车情况进行定位。对车门结构模型施加以实车试验获取的碰撞入侵速度以及加速度波形，座椅也赋予相应的加速度波形，其余车体结构运动时不考虑车体变形。采用有限元外形，应用多刚体的方法进行模型计算。本文所用试验数据是在C-NCAP侧碰试验中采集，侧碰时移动台车前端加装可变形吸能壁障，冲击试验车辆驾驶员侧，移动壁障行驶方向与试验车辆垂直，移动壁障中心线对准试验车辆R点，碰撞速度为50 km/h[6]。图1 为车体模型与座椅波形。

图1 车体模型与座椅波形

1.2 假人模型定位

MADYMO中提供已经标定过的假人模型，因此假人模型可以直接提取进行使用，本文使用的是软件中的ES_2侧碰假人[7]。对于假人坐姿的调整需要根据试验中的座椅与假人间的相关数据来进行，而假人与模型接触则需要根据试验中假人发生的实际接触进行定义。本文假人与模型涉及的接触主要有假人与侧气囊的接触、假人与座椅的接触、假人与门内饰板的接触。图2 为假人与车体模型。

图2 假人与车体模型

1.3 侧碰乘员约束系统仿真模型的验证

模型验证是仿真分析中的重要环节，关系着后续仿真分析的正确性，因此验证分析要具备全面性和准确性[8]。一般来说，侧碰模型的验证是遵循接触时刻先后的原则进行的，即按接触时刻先后顺序进行，同时力和加速度信号也需要满足“起始时刻、形状、峰值、峰值时刻及脉宽”等基本特征的相似性[9]。对于侧碰 PSM子结构仿真模型验证，主要从假人运动响应和假人伤害值响应两个方面进行。在仿真模型已经验证有效的基础上再对气囊模块参数进行设计优化。

由于气帘的建立不是研究重点，因此建模过程不做细致阐述。对建立好的模型进行仿真分析，在假人运动响应和假人伤害方面与试验值进行对比验证。实车试验假人运动响应和MADYMO仿真模拟假人运动响应的对比见图3。部分试验与仿真验证结果曲线见图4和表1。

表1 试验与仿真假人伤害值对比

由图3、4和表1可以看出；模型在经过调整对标后与试验曲线的吻合度较好，关键指标的误差范围都在15%以内，因此该仿真模型可以作为基本模型进行研究[10]。

2 安装头胸气囊的侧碰模型仿真

将本文已验证的侧碰模型中的气囊替换为创新设计的头胸双气室气囊进行仿真研究，并用C-NCAP法规验证其保护性能。

图3 假人运动响应对比

图4 假人伤害对比

2.1 气囊设计

通过CATIA工作界面确定气囊的具体尺寸与形状，并建立其几何模型，如图5所示。将建立的头胸气囊几何模型导入到HYPERMESH中进行网格划分，如图6所示。在网格划分完成之后必须进行网格质量检查，对某些不合格单元进行适当调整。

图5 气囊几何模型

图6 气囊网格

进一步采用Oasys Suite Primer对气囊进行折叠，而后在MADYMO软件中进行气囊仿真。本研究采用双气体发生器分别对头、胸气囊进行充气，主要通过控制气体质量流率和温度变化率来控制气囊的充气展开过程。气囊展开模式采用均匀压力法[11-12]。本模型所输入的质量流率、温度与时间的函数如图7所示。

图7 质量流率、温度与时间的函数曲线

2.2 仿真分析

为了探究所设计的侧面气囊好坏，以建立好的模型作为基础进行碰撞仿真，得到该工况下对乘员保护的各项数据，并结合C-NCAP碰撞法规[7]，验证头胸式气囊保护效果的优劣。假人伤害指标对比结果如表2所示。通过对比可以发现：头部的HIC值、3 ms合成加速度、胸部压缩变形量、肋骨黏性指数、耻骨力与T12明显低于C-NCAP规定的高性能限值指标； 背板力则介于高性能值与低性能值之间；腹部力则接近于低性能值。因此，从总体上来说，装有头胸气囊的侧碰模型符合C-NCAP的规定，可以作为基础模型进行后续仿真工作。

表2 假人伤害与C-NCAP指标对比

指标高性能值低性能值仿真值HIC366501 00031.553 ms合成加速度/g728823.07压缩变形量/mm224217.09肋骨黏性指数/(m·s-1)0.321.00.11背板力/kN1.04.02.31T12 Fy/kN1.52.01.46T12 Mx/(N·m)15020080.15腹部力/kN1.02.51.32耻骨力/kN3.06.02.34

3 两种气囊模型的保护效果对比

将前面所建立好的气帘加胸部气囊模型与头胸气囊模型作为基础，分别进行仿真工作，对假人伤害值进行比较，结果如表3所示。由表3可以看出：在头胸式气囊模型下，头部HIC值、3 ms合成加速度值及胸部压缩量基本接近于气帘加胸部气囊模型，而在腹部力、背板力及T12则相对差一些。由于模型设计的初衷是为了实现在侧碰中对乘员头胸部位更有效的保护，因此从仿真结果来看，所设计的模型是成功的。

4 优化研究

乘员约束系统优化设计的目标就是找到一种设计方案，该方案能从整车的被动安全性出发，为乘员提供最佳的保护性能[13]。本文主要从气囊系统参数方面进行优化。

表3 两种气囊模型假人伤害值对比

4.1 设计变量筛选

气囊主要参数有气囊体积、排气孔大小、点火时间、气囊包形、气囊织物材料、气体发生器质量流率大小、喷气时间等[14]。由于所涉及气囊的特点为能够分别控制双气室，因此选定两气室的质量流率与点火时间作为优化参数，如表4所示。

表4 因素水平

4.2 目标优化

对于这种多目标优化问题，本文选择将假人的伤害值加权后的综合伤害评估值WIC(weighted injury criterion)作为优化的目标函数，利用正交试验方法对头胸气囊的设计参数进行优化设计。WIC值越低,约束系统的保护性能越好[15-16]。数学表达式如下：

4.3 正交试验

根据4因素3水平正交试验表[17]构造9个试验点，得出其各响应值并计算极差值，结果如表5所示。表5中：Ki值为每一列上因素取水平i时所得结果的平均值；R表示极差。

4.4 结果分析

从极差值上可以看出；RA>RB>RC>RD，即头胸式气囊的4个因素对约束系统整体性能影响的主次顺序分别为气室1质量流率、气室1点火时间、气室2质量流率、气室2点火时间。根据均值选取各因素的最优水平值，其最优组合为A1B1C1D3,由于正交试验中没有该组合，需要对最优组合进行仿真。优化前、后假人伤害曲线结果如图8所示。伤害指标对比结果见表6。

表5 正交试验的伤害结果

图8 优化前、后假人伤害曲线对比

指标优化前优化后比值/%HIC3631.5528.89-8.43压缩变形量/mm17.0913.05 -23.63肋骨黏性指数/(m·s-1)0.110.09 -18.18腹部力/kN1.321.34 +1.51耻骨力/kN2.342.31 -1.28WIC0.3390.304 -10.32

由表6可知;优化后胸部变形量减少了23.63%、肋骨黏性指数减小了18.18%，头部HIC值也满足法规要求，伤害指标 WIC 减小了10.32%。头胸式气囊对头胸部位的保护得到了有效提升，极大地提高了约束系统性能，达到了优化效果。

5 结束语

本文建立了侧碰子结构仿真模型，研究分析了侧碰中头胸式气囊和气帘加胸部气囊模型下的乘员运动响应曲线与伤害情况，通过对比可见：所设计的头胸式气囊能对假人提供良好的保护效果。根据仿真结果对头胸式气囊进行了优化设计。优化结果表明：综合伤害评估值 WIC 减小了10.32%，头胸双气室气囊对头胸部位的保护效果得到了提升。本研究现阶段只进行了试验仿真，接下来的工作是在仿真优化结果的基础上进行气囊的实车试验，验证头胸气囊的实际保护性能。