正面碰撞条件下驾驶员安全气囊的匹配优化*

田钰楠 郝琪 刘宇 崔宏伟

（湖北汽车工业学院，十堰 442002）

主题词：正面碰撞 安全气囊 加权伤害指标 正交试验

1 前言

安全气囊作为汽车被动安全装置，在车辆发生碰撞时能有效减少乘员的损伤。气囊参数的匹配对乘员损伤影响较大，不合理的参数设置甚至会加剧乘员损伤。

在进行约束系统匹配试验前，安全气囊的匹配工作采用仿真模型开展。钱国强等利用MADYMO 多刚体动力学软件建立了乘员约束系统仿真模型。曹立波等通过正交试验设计对安全气囊进行优化并降低了乘员加权伤害指标（Weighted Injury Criterion，WIC）。胡正才等确定安全气囊的设计因素与水平后采用完全试验法得到多组仿真方案，并选择了对乘员损伤最低的一组方案开展设计。葛如海利用拉丁超立方试验设计和多项式响应面模型，采用非支配遗传算法进行了气囊多目标优化。

大量的研究均针对传统车型进行匹配研究，而微型电动车具有质量小、碰撞加速度高的特点，同时，由于动力源布置的差异，碰撞特性与传统车型存在区别。本文以已验证过的微型电动车正面碰撞B 柱加速度为输入载荷，建立该车型简化乘员约束系统及安全气囊有限元模型，研究气囊各设计参数对乘员WIC的影响特性，探讨气囊匹配中参数调整的优先顺序，并利用多项式代理模型技术优化该微型纯电动汽车最低乘员损伤条件下的气囊参数。

2 安全气囊充气模型

气囊充气展开过程的数值模拟一般有3种方法，即流固耦合法、粒子法和控制体积法。流固耦合法主要用于研究气囊在展开过程中的气囊内流场变化细节和运动形态变化规律，但其对建模要求高，计算成本较高，不易成功。粒子法将气囊内的气体等效成微粒子，通过粒子的运动与织布或其他结构碰撞产生压力使气囊展开。控制体积法基于传统的均匀压力数学模型，不需建立充气装置模型，通过质量流量和温度2 个参数模拟充气装置特性。在流场影响不大的缓冲过程研究中，可以节省大量计算时间，但是不能准确描述气囊充气初期的外形及流场的变化。本文主要研究安全气囊对正常坐姿乘员损伤的影响，匹配气囊时要求气囊完全展开后乘员与之接触，对气囊展开初期气流的分布情况不作讨论。本文的研究对象为某微型电动车的安全气囊，其形状简单，为节约计算成本，选择控制体积法为气囊的充气模型数值模拟方法。

气囊充气过程中模型内部压力均匀，同时考虑排气孔处的泄气，气囊内气体质量的变化情况为：

利用有限元软件计算气囊逐渐扩大的体积：

3 有限元建模与验证

3.1 安全气囊有限元模型

气囊直径660 mm，排气孔直径30 mm，拉带长度280 mm，均对称分布。气囊预先设定折叠线位置，上、下表面间距0.5 mm，四周由网格节点连接，并通过关键字*AIRBAG_REFERENCE_GEOMETRY_RDT 设置气囊参考几何。气囊织物材料为非正交的各向异性材料，采用LSDYNA 中MAT 34 号材料模拟，安全气囊的材料基本性能如表1所示。气囊拉带用1维弹簧单元模拟，安全气囊有限元模型如图1所示。

表1 安全气囊的材料性能参数

图1 安全气囊有限元模型

气囊参考几何的设置通过DYNA 中关键字*AIR⁃BAG_REFERENCE_GEOMETRY_RDT 定义。气囊自接触使用气囊卡片*CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SUR⁃FACE 定义，气囊织物与车辆部件的接触使用面面接触。气囊充气采用*AIRBAG_WANG_NEFSKE 控制体积法模拟，同时，卡片调用排气孔编号模拟排气孔泄气。气体质量流曲线如图2所示。

图2 质量流量曲线

3.2 安全气囊静态展开试验

根据GB/T 19949.2—2005 中的安全气囊静态展开试验标准固定安全气囊，利用高速摄像机记录气囊展开过程。

试验完成后气袋表面部分无破裂或燃烧，气囊织物表面无破裂小洞，气袋撕裂缝处保持完好无损。第0～30 ms气囊正常展开，第30 ms左右试验与仿真的气囊模型均完全展开，第30 ms后气囊逐渐泄气。图3所示为30 ms时刻气囊展开试验与仿真结果的对比。

图3 30 ms时刻安全气囊展开试验与仿真结果对比

表2对比了30 ms时刻气囊完全展开后仿真与试验的气囊形状参数。气囊展开参数与试验误差在3%以内，仿真与试验中气囊展开形状和展开尺寸保持一致，验证了安全气囊有限元模型的可靠性。

表2 30 ms时刻气囊参数对比

3.3 评价指标

乘员损伤值是评价乘员约束系统性能的重要指标，损伤指标涉及假人的头部、胸部、腿部等多个部分。本文采用WIC作为对安全气囊保护效果的评价指标：

式中，为加权伤害指标；为头部伤害指数（Head Injury Criteria，HIC），根据GB 11551—2014，≤1 000；为胸部3 ms合成加速度，要求小于60；为胸部压缩量，要求不大于75 mm；、分别为左、右大腿轴向压力，并要求大腿总轴向压力=+≤20 kN。

将各伤害指标进行归一化处理，考虑不同部位损伤的重要程度，按不同权重建立WIC。WIC 越低，对假人损伤越小。

3.4 乘员约束系统模型

根据车辆驾驶室的位置参数建立简化乘员约束系统模型，包括假人、座椅、转向系统、地板等，如图4 所示。其中安全带限力值为2 500 N，座椅靠背角为98°，座垫与假人的摩擦因数为0.5。输入课题组经过验证的整车50 km/h正面碰撞试验的B柱加速度曲线。

图4 简化乘员约束系统模型

由式（3）知，在WIC中头部损伤占比为60%，所以选取两模型的乘员头部加速度进行对比分析，图5所示为驾驶室约束系统简化模型与整车模型驾驶员头部加速度曲线。

图5 头部加速度曲线对比

由图5 可知，2 个模型乘员头部加速度曲线整体拟合程度较好。在第0～72 ms，乘员由于惯性向前移动，2个模型加速度均呈现上升趋势，上升曲线吻合较好；第72 ms 左右头部加速度达到峰值后逐渐减小，整车结构刚度较简化模型大，整车模型加速度峰值略高，简化模型中座椅系统的简化等因素使得最该峰值时间略有提前。表3所示为头、胸部评价指标对比。

表3 头、胸部评价指标

由表3可知，2个模型头部伤害指数和胸部3 ms合成加速度误差均为约5%，胸部压缩量误差为10.21%，误差在可接受范围内，同时验证了简化乘员约束系统模型有效。

4 气囊参数对乘员损伤的影响分析

4.1 设计变量范围及边界条件

选取气囊气体质量流量缩放率、点火时刻、拉带长度、气囊体积、排气孔位置、排气孔直径、气囊折叠类型为安全气囊设计变量。由于气囊设计变量数量较多，为寻找主要影响因素，需研究气囊各参数对乘员损伤影响的灵敏度。设计参数涉及时间、长度、位置等，各变量边界范围的选择难以用统一的标准确定。为控制变量在合理的范围内，本文以头部和胸部为设计变量边界评定标准，即头部与转向盘不发生硬性接触、<1 000、<60为各变量的边界条件。除气囊折叠类型、排气孔位置外，其余每个设计变量在变化范围内通过插值方法选择10组变量进行分析。

针对气囊折叠类型的选择，确定6种折叠类型，前5组为层状折叠，左右及上下折叠次数不同，第6 组为卷绕折叠。排气孔位置共6组，如图6所示。表4所示为其余设计变量的变化范围。

图6 排气孔位置

表4 变量的取值范围

4.2 结果分析

图7 所示为各设计变量对WIC 的影响。由图7 可知，各设计变量对WIC的影响在第1～5组中变化平稳，第6～10组除安全气囊点火时刻、排气孔直径和质量流量缩放率外，其余设计变量的WIC均分布在0.6～0.7范围内，变化较为平缓。其中拉带长度、气囊折叠类型和气囊体积影响相对平稳，可以在气囊匹配初期初步确定这3个参数，通过调整主要影响参数进行气囊匹配。排气孔位置相对其余3个主要影响参数，整体调整空间有限，WIC在0.61～0.68之间变化，可作为后期微调的匹配变量。综上，拉带长度、气囊体积、排气孔位置、折叠类型对乘员WIC的影响较小，所以选取安全气囊的点火时刻、排气孔直径和质量流量缩放率3个变量进行优化分析。

图7 设计变量对WIC的影响

5 安全气囊优化设计

5.1 正交试验

选取点火时刻、排气孔直径和质量流量缩放率为因素，在满足边界条件的范围内选取水平数为7，进行正交试验，如表5 所示。以WIC 作为评价指标，采用正交试验设计生成49 组仿真方案，对应正交表的WIC 计算结果如表6所示。

表5 正交试验因素与水平

表6 正交试验表L49(73)

5.2 极差分析

对正交试验进行极差分析得到各影响因素对乘员WIC、HIC、胸部3 ms合成加速度和胸部压缩量的影响程度，结果如表7～表10所示。其中，K(=1,2,…,7)为各因素的第水平对应的各评价指标之和，为K中最大值与最小值之差，即极差。越大说明该因素对评价指标的影响程度越大。

由表7可以看出，3个因素对WIC的影响程度均较大，排序依次为点火时刻、排气孔直径和质量流量缩放率，与图7中曲线趋势一致，3个变量的最大极差与中间极差、最大极差与最小极差比分别为1.36和1.58。由表8～表10可知，对HIC的影响程度排序依次为排气孔直径、点火时刻和质量流量缩放率，其中排气孔直径和点火时刻影响较大，同上，3个参数的极差比分别为1.01和1.92。对胸部3 ms合成加速度影响程度的排序依次为排气孔直径、质量流量缩放率和点火时刻，以排气孔直径影响最为重要，3个参数的极差比分别为1.89和3.77。对胸部压缩量影响程度的排序依次为点火时刻、质量流量缩放率和排气孔直径，以点火时刻和质量流量缩放率对胸部压缩量影响为主，3个参数的极差比分别为1.02和3.97。

表7 WIC极差分析结果

表8 HIC极差分析

表9 胸部3 ms合成加速度极差分析

表10 胸部压缩量极差分析

通过极差分析可知，在进行安全气囊初期匹配时，点火时刻为最关键的参数，对各评价指标影响均较大，气囊匹配设计时需首先考虑点火时刻。在安全气囊对乘员局部某单一损伤特性进行匹配时，可考虑改变单一参数进行针对性高效匹配，其中排气孔直径主要影响乘员HIC，质量流量缩放率主要影响乘员胸部压缩量。综上所述，当需单独降低HIC 时可首先调整排气孔直径，当需单独降低乘员胸部压缩量时可首先调整质量流量缩放率达到匹配要求。

5.3 基于多项式代理模型的安全气囊参数优化

为优化该车型安全气囊设计参数，综合考虑3个设计变量对乘员损伤的影响，在Minitab 软件中构造设计变量与乘员损伤指标的多项式代理模型。通过49组正交试验仿真结果构造点火时刻、排气孔直径和质量流量缩放率与WIC的三阶非线性关系表达式：

式中，为点火时刻；排气孔直径；质量流量缩放率。

式（4）的决定性系数=97.59%，满足精度要求。

在满足头部与转向盘不发生硬性接触、<1 000、＜60的要求下，在HyperStudy 软件中基于全局响应面法（Adaptive Response Surface Method，ARSM）的优化算法对式（4）进行求解，得到最优解：点火时刻为12 ms、排气孔直径为35 mm、质量流量缩放率为1，进而求得WIC为0.51，达到较好优化效果。为进一步验证代理模型的可靠性，将优化解代入简化模型与整车模型中直接求解WIC，结果分别为0.49 和0.57，与代理模型的误差分别为4.28%和10.50%，满足精度要求。表11所示为整车模型优化前、后乘员损伤对比。

表11 整车模型乘员损伤对比

由表11可知，优化后WIC降低了14.92%。

6 结束语

本文建立了安全气囊及乘员约束系统有限元模型，并利用静态展开试验验证了其有效性，通过控制单变量方式，研究安全气囊各设计参数对WIC的影响，确定气囊点火时刻、排气孔直径、质量流量缩放率为对WIC影响较大的3个变量。通过正交试验中HIC、胸部3 ms合成加速度和胸部压缩量对WIC影响的极差分析得到安全气囊参数对乘员各部位及综合损伤影响的重要程度。在此基础上，对安全气囊初期参数匹配及后期乘员某一局部损伤指标细节调整值给出建议，为提高气囊匹配效率提供了一定的理论依据。建立了WIC与气囊3个主要设计变量的3阶非线性代理模型，通过代理模型和仿真模型的计算结果双向验证了优化代理模型精度的可靠性。最终优化后WIC下降14.92%，乘员保护效果明显提高。