针对12岁儿童的主动式安全气囊的优化*

葛如海，崔义忠，洪 亮，肖 轩

（1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013； 2.硅湖职业技术学院，昆山 215332）

前言

国家统计局发布数据：2015年全国中小学生共计1.69亿，校车潜在需求量约为50万辆［1-2］。由于我国道路交通环境复杂，校车安全法律法规不够完善，2010-2014年，全国共发生校车事故43起，死亡人数达到153人，部分事故死亡率高达80%［3］。

目前校车乘员约束装置主要是两点式安全带，与未佩戴任何约束装置相比，它能在交通事故中减少2／3的碰撞伤害［4］，但由于两点式安全带仅能约束儿童乘员的腰腹部向前运动，儿童上躯干仍然可能绕安全带腰带旋转，而使头部与前排座椅发生碰撞，对儿童头部和颈部造成严重伤害［5］。因此部分发达国家开始推行三点式安全带。与两点式安全带相比，三点式安全带能进一步减少儿童乘员的损伤。但三点式安全带使用时的气囊误作用容易对儿童乘员胸部和颈部造成重大伤害［6］。传统的安全气囊是点爆式的，它在快速释放的过程中产生巨大的冲击力，会对儿童乘员的头部造成伤害，轻则面部擦伤，重则窒息、颈椎骨折甚至死亡［7］。

为消除安全气囊的弊端，提高儿童校车的安全性，文献［8］中提出一种主动式安全气囊，它在车辆启动后展开，在车辆行驶过程中始终保持打开状态，这种安全气囊能提高对儿童乘员的保护效果，同时约束儿童乘员的乘坐姿态。陈珣［9］设计了一种新型的主动式安全气囊包形，提高了对12岁儿童乘员的保护效果。本文中在此基础上研究主动式安全气囊的控制参数对12岁儿童乘员损伤的影响，并通过优化得到最佳的安全气囊参数组合。

1 校车12岁儿童乘员约束模型

1.1 校车约束模型的建立

以国内某款校车为参照在MADYMO软件中建立校车儿童乘员约束简化模型。该模型主要包括：地板、前后排乘员座椅（含坐垫和靠背）、假人和两点式安全带，其中假人模型参照《专用校车学生座椅系统化及其车辆紧固件的强度》标准［10］选用HybridⅢ型第5百分位的女性假人，因其身材尺寸与我国12岁儿童乘员相似［11］，模型如图1所示。

将仿真模型与台车试验的碰撞力和加速度响应曲线进行对比，如图2所示。台车试验碰撞速度为30～32 km／h。

图1 校车乘员约束系统模型

由图2可知，仿真模型各种参数曲线的特征均与台车试验结果基本一致。

将损伤指标的仿真结果与试验结果对比，如表1所示。儿童乘员的关键损伤评价指标包括：头部合成加速度峰值、头部伤害指标HIC15、胸部3 ms合成加速度 T3ms、胸部压缩量 THPC、左大腿轴向力FFCL和右大腿轴向力FFCR。对比发现损伤指标误差均小于11%。因此图2和表1的对比均表明，校车约束模型能较为真实地复现台车试验的结果，可用于后续研究。

表1 仿真模型与台车试验损伤指标结果对比

1.2 主动式安全气囊模型

利用CATIA软件建立主动式安全气囊的三维模型，利用Hypermesh软件划分三角形膜单元网格，为保证网格质量，在划分网格后检查网格质量参数雅格比、翘曲和单元尺寸［12］。然后将主动式安全气囊模型导入MADYMO中，并布置在校车约束模型前排座椅靠背中，定义接触，如图3所示。最后进行仿真，分析主动式安全气囊对12岁儿童乘员的保护效果，如表2所示，其中Nij为颈部伤害指标。

由表2可知，安装主动式安全气囊后，各项损伤指标都下降，其中HIC15、Nij和FFCL降幅尤为明显，说明主动式安全气囊对儿童乘员的头部、颈部和腿部有显著的保护作用。

图2 仿真模型验证曲线

图3 主动式安全气囊模型

表2 有无主动式安全气囊的儿童乘员损伤指标对比

2 气囊参数对12岁儿童乘员损伤的影响

选取主动式安全气囊的上部拉带长度、中部拉带长度、下部拉带长度、气体质量流率、气囊的安装位置、泄气阀开度和气囊开启压力作为7个主要控制参数。

选用头部伤害指标HIC15、颈部伤害指标Nij、胸部3 ms合成加速度T3ms和行业内普遍认可的综合伤害指标WIC［4-5］来评价主动式安全气囊对儿童乘员的保护效果，WIC表达式为

基于主动式安全气囊模型，采用MADYMO软件仿真分析主动安全气囊的7个主要参数对儿童乘员损伤指标的影响。结果分述如下。

2.1 上部拉带长度

调整上部拉带长度可改变主动式安全气囊上部的形状，改变与乘员头部和颈部接触的气垫厚度。本文中选择 235 mm作为中值［13-14］，在 205～265 mm范围选取7个值，分析其对12岁儿童乘员损伤的影响，结果如表3所示。

由表3可知，随着上部拉带长度的增加，12岁儿童乘员的HIC15下降且降幅较大；Nij先下降后上升；T3ms呈下降趋势；THPC值下降但下降缓慢；综合损伤指标WIC呈下降趋势且降速稳定。

表3 上部拉带长度的影响

2.2 中部拉带长度

中部拉带长度决定主动式安全气囊中部包形的凹凸性，故对儿童乘员颈部和胸部损伤存在影响。本文中选择290 mm作为中值，在260～320 mm范围选取7个值，分析中部拉带长度对儿童乘员损伤的影响，仿真结果如表4所示。

表4 中部拉带长度的影响

由表4可知，加长中部拉带，HIC15下降；Nij值上下波动，不存在明显的变化规律；T3ms出现波动，且当中部拉带长度为285 mm时取得最小值16.88g；THPC值基本不变；综合损伤指标WIC呈下降趋势。

2.3 下部拉带长度

下部拉带长度影响主动式安全气囊下部包形，改变儿童乘员的胸腹部的约束条件。本文中选择340 mm作为中值，在310～370 mm范围选取7个值分析下部拉带长度的影响，仿真结果如表5所示。

由表5可知，随着下部拉带加长，HIC15上下波动；Nij上下波动，但波动幅度较小且趋于稳定；T3ms先降后升；THPC值没有明显变化；综合损伤指标WIC先降后升，在325 mm处取得最小值0.301 8。

表5 下部拉带长度的影响

2.4 泄气阀开度

泄气阀开度与气囊内部气体泄漏速率有关。气囊泄气过快，儿童乘员易击穿气囊与前排座椅直接接触，造成损伤；如果泄气速率过慢，气囊内部压力过大，主动式安全气囊发生刚化，对儿童乘员造成额外损伤。本文中研究泄气阀开度从设计值的80%到180%之间对儿童乘员损伤指标的影响，结果如表6所示。

表6 泄气阀开度的影响

由表6可知，随着泄气阀开度的增大，所有的损伤值均下降，说明若主动式安全气囊不发生穿透，增大泄气阀开度能有效减小儿童乘员的损伤。

2.5 气体质量流率

气体质量流率对主动式安全气囊在碰撞过程中的内部压力有重要影响。本文中以气体质量流率为基准，取其归一化数值为1作为中值，在0.80～1.25之间选取7个值以分析气体质量流率对12岁儿童乘员损伤的影响，结果如表7所示。

表7 气体质量流率的影响

由表7可知，增大气体质量流率，儿童乘员的HIC15波动下降；Nij上下波动上升；T3ms先降后升，且在0.95处取得最小值16.99g；THPC值呈上升趋势，综合损伤指标WIC波动下降。

2.6 气囊安装高度

气囊安装高度用气囊安装点距前排坐垫上表面的垂直距离Ha（图4）表示。气囊安装点在气囊对称面上，大约位于气囊高度中点位置。Ha决定了儿童乘员身体与气囊袋接触的部位，从而对儿童乘员各部位的损伤情况造成影响。本文中分析了气囊7种不同安装高度（包括初始值Ha＝0.395 mm）对儿童乘员损伤的影响，结果如表8所示。

图4 气囊安装示意图

由表8可知，随着气囊安装位置的提高，儿童乘员的HIC15上下波动；Nij波动上升；T3ms呈上升趋势；THPC以较大幅度下降；综合损伤指标WIC值增大。

2.7 气囊开启压力

选择1.25×105Pa作为中值，选取在1.16～1.34×105Pa区间内的7种数值研究气囊开启压力对儿童乘员的损伤影响，结果如表9所示。

由表9可知，随着气囊开启压力的增大，儿童乘员的HIC15先降后升；Nij、T3ms和THPC值升高；综合损伤指标WIC升高且升幅逐渐增大。

表8 气囊安装高度的影响

表9 气囊开启压力的影响

3 参数灵敏度分析

为提高主动式安全气囊对儿童乘员的保护作用，本文中对主动式安全气囊的7个控制参数进行灵敏度分析，选择综合伤害指标WIC作为灵敏度分析的目标，根据第2章中的分析结果按式（2）计算灵敏度：

灵敏度越大，控制参数对WIC值影响越大，计算结果如图5所示。

由图可见，以各参数灵敏度最大值来比较，上部拉带长度、泄气阀开度和气囊开启压力3个参数的灵敏度最大，分别为4.63%、15.73%和5.70%。说明它们比其他参数对WIC值影响更大。

图5 灵敏度分析结果

4 主动式安全气囊参数优化

4.1 设计变量与设计目标

基于灵敏度分析的结果，选择上部拉带长度、气体质量流率和泄气阀开度作为设计变量（变化范围见表10），以综合损伤指标WIC作为优化目标，采用试验设计进行优化。

表10 设计变量的变化范围

4.2 Latin Hypercube试验设计

Latin Hypercube试验设计是基于随机抽样的试验设计方法，其效率和自由度高［15］。它将每个设计因子的取值空间均匀隔开，然后在均匀隔开的取值空间中取值并随机组合，再通过优化准则保证样本分布的均匀性。

根据Latin Hypercube试验设计方法共设计9次试验，试验参数水平值如表11所示。

通过构建2阶响应面模型来研究最佳参数组合。2阶多项式响应面的基本形式［16-17］为

式中：y为响应面拟合函数；x1，x2，x3，…，xm为设计变量；m为设计变量个数；β为待定系数。

利用方差分析中的决定系数R2验证模型精度。

表11 优化变量的试验设计值和水平值

式中：yi为响应变量的仿真值；y＾i为响应变量的预测值；为响应变量的仿真值的平均值。

4.3 试验设计结果

将已验证的校车约束模型，按照Latin Hypercube试验设计方法设计的变量水平值进行参数设置，仿真结果如表12所示。

表12 12岁儿童假人的损伤值

4.4 多项式代理模型的构建

基于仿真结果和2阶多项式响应面模型原理，构建综合损伤指标WIC与上部拉带长度、气囊开启压力和泄气阀开度3个设计变量的2阶多项式响应面模型的多元回归方程，即

式中：x1为上部拉带长度；x2为气囊开启压力；x3为泄气阀开度。

式（5）的决定系数为99.84%。为进一步验证模型精度，随机选取5个样本点进行检验，结果如表13所示。

表13 回归方程取样检验

由表13可知，响应面模型的预测误差均在4%以内，说明式（5）具备较高的预测精度，可应用于后续研究。

根据式（5）求得：当上部拉带长度为0.205 m、气囊开启压力为1.16×105Pa和泄气阀开度为1.8时，12岁儿童乘员的综合损伤指标取得最小值0.240 5；而气囊原始的上拉带长度0.235 m、气囊开启压力1.25×105Pa和泄气阀开度为1.0时算得的综合损伤指标为0.319 6。说明优化后12岁儿童乘员的综合损伤指标降低了24.75%。

5 结论

建立了校车模型和主动式安全气囊的MADYMO模型。通过台车试验验证了校车约束模型的准确性。研究气囊上部、中部、下部拉带长度、泄气阀开度、气体质量流率、气囊安装高度和气囊开启压力7个参数对12岁儿童乘员损伤的影响，得出以下结论。

（1）主动式安全气囊能降低儿童乘员的头部和颈部的伤害，显著降低儿童乘员的综合损伤指标WIC，提高了儿童乘员的安全性。

（2）气囊上部、中部、下部拉带长度、泄气阀开度、气体质量流率、气囊安装高度和气囊开启压力7个参数对12岁儿童乘员的损伤均存在影响，其中上部拉带长度、泄气阀开度、气囊开启压力的影响较大，它们的合理选择可使综合损伤指标WIC分别下降4.63%、15.73%和5.702%。

（3）采用Latin Hypercube试验设计技术对参数进行优化，利用2阶多项式响应面模型拟合出损伤指标WIC与上部拉带长度、泄气阀开度、气囊开启压力的关系。求解得到：当上部拉带长度为0.205 m、气囊开启压力为1.16×105Pa和泄气阀开度为1.8时，12岁儿童乘员的综合损伤WIC指标能获得最小值0.240 5，与原始气囊参数相比，优化后儿童乘员的综合损伤指标降低了24.75%。