基于12岁儿童损伤阈值的主动式安全气囊多目标优化*

洪 亮，刘 刚，葛如海

（1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013；2.好孩子儿童用品有限公司，昆山 215331；3.常熟理工学院汽车工程学院，常熟 215500）

前言

虽然儿童并非道路交通事故中的伤亡主体，但实为道路交通安全中的弱势群体，一旦发生交通事故，其重伤概率远高于成人［1］。2019年，我国学龄儿童在校人数高达1.54亿［2］，如此数量庞大的儿童往返于学校与住所之间，亟需安全性能卓越的校车，以确保儿童安全。美国交通安全管理局（NHTSA）统计表明:在美国，每年有8 500辆校车发生交通事故，其中86%为轻微事故，10%为中等严重事故，4%为严重事故，绝大多数非致命损伤发生在儿童乘员身上［3］。在我国，2010-2014年，全国校车事故共造成153名儿童乘员死亡，部分事故死亡率高达80%［4］。

在校车正面碰撞中，保护儿童乘员的约束装置主要包括两点式安全带与三点式安全带［5］。两点式安全带仅能约束儿童乘员腰腹部的向前移动，无法有效限制儿童乘员头部、颈部以及胸部的运动，致使头部、颈部等部位撞击前排座椅靠背，造成严重伤害［6］。在校车高速正面碰撞中，三点式安全带中的肩带挤压儿童乘员的胸骨与肋骨，不利于胸部保护［7］。儿童天性活泼好动，乘坐校车时，常出现多种“离位”坐姿［8］，三点式安全带中的肩带常常勒住“离位”坐姿儿童的颈部，导致致命损伤［9］。此外，儿童自我保护意识不足，其安全带佩戴率极低，在校车紧急制动或正面碰撞时，未佩戴安全带的儿童乘员常常遭受严重或致命伤害［10］。文献［11］中提出吸能靠背和旋转式靠背的构想，两种靠背通过吸收儿童的前冲能量以避免或降低儿童颈部伤害。吸能靠背的结构特征在于吸能块安装于靠背后部，当儿童胸部撞击吸能块时，吸能块发生弹性变形，从而吸收儿童的前冲能量；旋转式靠背的保护机理在于当儿童头部、胸部撞击旋转式靠背时，旋转式靠背向前转动，从而缓冲儿童的前冲能量。但是，由于吸能靠背的吸能块尺寸较小，难以充分吸收儿童的前冲能量，致使吸能靠背的保护效果不佳；旋转式靠背向前转动不益于前排乘员的乘坐舒适性与安全性。为改善儿童乘员安全性，安全气囊技术被引入儿童约束系统中。但传统安全气囊的起爆方式大多为点爆式，其在起爆瞬间产生巨大的冲击力，此冲击力轻则造成面部擦伤，重则造成颈部骨折，极不利于儿童乘员保护［12-13］。综上，当前校车约束装置与传统安全气囊难以有效保护儿童乘员安全。

为克服当前校车约束装置与传统安全气囊的不足，文献［14］中提出一种主动式安全气囊，该气囊安装于前排座椅靠背的后表面。在校车发生碰撞前，主动式安全气囊已完成充气；当校车发生碰撞时，主动式安全气囊与两点式安全带共同约束、协调儿童乘员头部、颈部以及胸部等部位的运动，以显著提升校车安全性。文献［15］和文献［16］中基于通用儿童损伤阈值与单一校车碰撞工况，研究主动式安全气囊对12岁儿童乘员的保护功效。然而，儿童处于快速生长发育阶段，不同年龄儿童的人体尺寸与解剖结构差异明显，导致各年龄儿童的损伤阈值区别较大，通用儿童损伤阈值无法衡量不同年龄儿童的损伤情况；我国道路场景复杂，致使校车碰撞工况呈现多样化，单一校车碰撞工况难以全面厘清主动式安全气囊的保护功效。因此，本文中针对先前主动式安全气囊相关研究的局限性，探索12岁儿童的损伤阈值，开展多种校车碰撞工况下，主动式安全气囊的多目标优化，探究主动式安全气囊对12岁儿童乘员的保护功效，最终扩展主动式安全气囊的防护范围，全面提升儿童安全。

1 12岁儿童损伤阈值的确定

HybridⅢ型第5百分位女性假人的身高、坐高和体质量等参数与我国12岁儿童相似［17］，因此，通常选用该型假人用于研究12岁儿童的运动状态与损伤情况。由于当前法规未涉及12岁儿童各部位的损伤阈值，本文中基于第50百分位成年男性的损伤阈值，利用比例缩放公式（式（1）），获得12岁儿童头部、颈部、胸部与腿部的损伤阈值，如表1所示。

式中:KL、Kρ、KE、KT、KA、KF、KM与KHIC分别为尺寸比例系数、质量密度比例系数、弹性模量比例系数、时间比例系数、加速度比例系数、力比例系数、弯矩比例系数和头部伤害指标比例系数；下标1和下标2分别代表12岁儿童与第50百分位成年男性的相关参数。

表1 12岁儿童损伤阈值

参照第50百分位成年男性乘员的加权伤害指标WIC［18］，根据12岁儿童各部位的损伤阈值，提出12岁儿童乘员的加权伤害指标WICC（weighted injury criterion of 12⁃year⁃old children），其表达式为

式中:Nij为颈部伤害指标，其阈值为1；下标Th代表各损伤指标的阈值。

2 模型建立与验证

2.1 校车仿真模型的建立

利用碰撞仿真软件MADYMO，建立某型校车的儿童乘员约束系统仿真模型（简称为“校车仿真模型”），其包括地板，前、后排座椅，HybridⅢ型第5百分位女性假人以及两点式安全带等［19］，如图1所示。模型建立的具体步骤为:①建立包含地板刚性模型，前、后排座椅有限元模型的车内环境模型；②调入MADYMO软件中自带的HybridⅢ型第5百分位女性假人模型，并将其定位在后排座椅中间位置；③建立包含锚点、带扣与织带的两点式安全带混合模型，并对假人模型进行安全带预定位；④定义假人模型各部位与车内环境模型、安全带混合模型的接触；⑤基于试验数据，定义座椅模型中靠背、坐垫的刚度；⑥将台车试验测得的加速度波形加载至校车仿真模型中，以模拟真实试验中假人的运动状态与损伤情况。

图1 校车仿真模型

2.2 校车仿真模型的验证

台车试验中测得的假人头部、胸部、腿部伤害响应曲线与仿真模型计算获得的伤害响应曲线之间的对比如图2所示；不同碰撞时刻下，试验与仿真中假人运动姿态的对比如图3所示。由图2和图3可知，试验与仿真得到的各部位伤害响应曲线之间拟合较好，台车试验中假人运动姿态与仿真动画中假人模型运动姿态具有较高的相似度，因此所建校车仿真模型可信度较高，能够作为基础模型进行深入研究［20］。

图2 试验与仿真中假人伤害响应曲线对比

图3 试验与仿真中假人运动姿态对比

2.3 校车—主动式安全气囊耦合模型的搭建

利用三维设计软件CATIA与网格划分软件Hypermesh，依次构建主动式安全气囊的几何模型与网格模型，并导入校车仿真模型中，以搭建校车—主动式安全气囊耦合模型，如图4所示。

图4 校车—主动式安全气囊耦合模型

3 多工况下主动式安全气囊优化

3.1 多种校车碰撞工况的建立

为研究不同校车碰撞工况下，主动式安全气囊对12岁儿童乘员的保护功效，简化台车试验中测得的加速度波形（简称为“原始波形”），获得对应的简化波形。表2显示两种波形下，12岁儿童乘员各部位的损伤指标之间的误差均在5%以内，因而简化波形能够替代原始波形。为模拟多种校车碰撞工况，在保持起始点与终止点不变的情况下，改变简化波形的最大加速度，最终获得4种校车碰撞工况:工况1、工况2、工况3与工况4，如图5所示。

图5 多种校车碰撞工况

表2 两种波形下儿童乘员损伤指标对比

4种校车碰撞工况下，12岁儿童乘员各部位损伤指标的变化趋势如图6所示。随着校车碰撞速度的升高，头部伤害指标HIC15、颈部伤害指标Nij、胸部合成加速度T3ms、胸部压缩量THPC与加权伤害指标WICC呈现显著的递增趋势。有必要开展主动式安全气囊的多目标优化，实现4种校车碰撞工况下，12岁儿童乘员的最佳保护。

图6 不同工况下儿童乘员损伤指标变化情况

3.2 参数灵敏度分析

主动式安全气囊的拉带长度显著影响气囊外形特征；安装点高度决定儿童乘员与气囊的接触位置；气体质量流率与气囊内部初始压力相关；泄气阀的开启压力与开度影响气囊的泄气特性。因此，选取上部拉带长度、中部拉带长度、下部拉带长度、气囊安装点高度、气体质量流率、泄气阀开启压力和泄气阀开度作为灵敏度分析参数，以决选优化因素。

以原始波形为基准，开展上述7个设计参数的灵敏度分析，其结果如图7所示。由图7可知，气囊安装点高度、泄气阀开启压力、泄气阀开度以及中部拉带长度对12岁儿童乘员的损伤影响显著，因此选取气囊安装点高度、泄气阀开启压力、泄气阀开度、中部拉带长度作为优化因素。

图7 灵敏度分析结果

各优化因素的取值范围如下:

气囊安装点高度x1=0.345～0.410 m；

泄气阀开启压力x2=1.16×105～1.34×105Pa；

泄气阀开度x3=0.8～2.0；

中部拉带长度x4=0.26～0.32 m。

3.3 Optimal Latin Hypercube试验设计

基于Optimal Latin Hypercube试验设计方法，面向4种校车碰撞工况，分别生成30次试验，如表3和表4所示。

表3 Optimal Latin Hypercube试验（工况1与工况2）

表4 Optimal Latin Hypercube试验（工况3与工况4）

3.4 响应面代理模型的构建与验证

基于Optimal Latin Hypercube试验结果，构建4种工况下，加权伤害指标与各优化因素间的响应面代理模型，其表达式为

4个响应面代理模型的相关系数R2分别为93.14%、94.10%、93.88%和91.53%。为进一步验证响应面代理模型的预测精度，随机选择3个样本点，对比其仿真值与预测值，结果如表5所示。各样本点对应的仿真值与预测值之间误差均低于5%。所构建的响应面代理模型预测精度较高，可用于后续多目标优化研究。

表5 仿真结果与预测结果的对比

3.5 主动式安全气囊的多目标优化

目前多目标优化算法包括粒子群优化算法、模拟退火算法、第二代非支配排序遗传算法（non⁃dominated sorting genetic algorithmⅡ，NSGA-Ⅱ）等。粒子群优化算法的优点是通用性强，但缺点是局部优化能力差；模拟退火算法全局搜索性较好，但搜索时间较长，且易出现早熟停滞现象［21］。NSGA-Ⅱ算法时间复杂度低，具有较高的种群多样性，全局搜索能力强，通过引入第一前端的概念，保证筛选范围的同时保留最优个体，增强了算法的稳定性和鲁棒性［22-23］。基于NSGA⁃Ⅱ算法的众多优点，本文中选用NSGA⁃Ⅱ的一种变形算法作为主动式安全气囊优化问题的优化算法，该变形算法使用MATLAB中的Gamultiobj函数实现，与传统NSGA⁃II算法的区别在于:传统NSGA⁃II算法选择所有符合判定条件的个体进入下一代种群，而Gamultiobj函数在此基础上添加一比例系数，以控制进入下一代种群的个体数目，显著提高优化效率。

主动式安全气囊的多目标优化问题描述如下:

Gamultiobj函数中相关参数设置如表6所示。随着校车碰撞速度的增加，12岁儿童乘员的头部、颈部和胸部伤害指标以及加权伤害指标显著升高，因而决选工况4中的加权伤害指标为最高级，工况3为次高级，同时兼顾其他两种工况，最终筛选出各优化因素的最优值，实现主动式安全气囊的多目标优化。优化因素初始值与最优值的对比如表7所示。

表6 Gamultiobj函数中相关参数值

表7 优化因素的初始值与最优值

优化后的主动式安全气囊一方面能够有效吸收儿童乘员的前冲能量，另一方面避免儿童乘员与前排座椅发生剧烈碰撞，使4种校车碰撞工况下，头部、颈部、胸部伤害指标以及加权伤害指标同时显著下降，如表8所示。对于工况4，HIC15、Nij、T3ms、THPC与WICC分 别 降 低28.58%、14.79%、10.02%、10.26%与18.08%；对于工况3，HIC15、Nij、T3ms、THPC与WICC分别降低33.71%、15.82%、9.87%、11.99%与19.04%。工况3和工况4中，优化前后儿童伤害曲线的对比如图8和图9所示。

图8 优化前后儿童乘员损伤情况（工况3）

图9 优化前后儿童乘员损伤情况（工况4）

表8 优化前后儿童乘员损伤指标及其变化率

4 结论

（1）基于第50百分位成年男性的损伤阈值，利用比例缩放方法，获取12岁儿童头部、颈部、胸部与腿部的损伤阈值；在此基础上，提出12岁儿童乘员的加权伤害指标WICC。

（2）建立与验证校车仿真模型，搭建校车—主动式安全气囊耦合模型。

（3）简化台车试验中测得的原始波形，模拟多种校车碰撞工况，获得工况1、工况2、工况3与工况4。随着校车碰撞速度的升高，12岁儿童的头部伤害指标HIC15、颈部伤害指标Nij、胸部3ms合成加速度T3ms、胸部压缩量THPC与加权伤害指标WICC呈现显著的递增趋势。

（4）经灵敏度分析，选取气囊安装点高度、泄气阀开启压力、泄气阀开度、中部拉带长度作为优化因素；构建4种校车碰撞工况下，加权伤害指标与各优化因素间的响应面代理模型；调用Gamultiobj函数，开展主动式安全气囊的多目标优化研究。优化后，对于4种校车碰撞工况，HIC15、Nij、T3ms、THPC与WICC同时显著降低，优化效果明显。综上，优化后的主动式安全气囊能够实现多工况下12岁儿童乘员的最佳保护。