汽車(chē)膝部氣囊設(shè)計(jì)與優(yōu)化＊

李麗 朱西產(chǎn) 王晶晶 馬志雄

（1.同濟(jì)大學(xué)；2.北京奔馳汽車(chē)有限公司）

汽車(chē)膝部氣囊設(shè)計(jì)與優(yōu)化＊

李麗1朱西產(chǎn)1王晶晶2馬志雄1

（1.同濟(jì)大學(xué)；2.北京奔馳汽車(chē)有限公司）

針對(duì)某車(chē)型建立了MADYMO車(chē)體模型和膝部氣囊模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。利用該模型對(duì)安裝與未安裝膝部氣囊情況下假人的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和傷害值進(jìn)行了仿真分析，研究了膝部氣囊在正面碰撞中對(duì)假人各部位的影響。根據(jù)仿真結(jié)果，通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)初步設(shè)計(jì)的膝部氣囊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后WIC值減小了3.39%，表明膝部氣囊對(duì)下肢的保護(hù)性能得到很大提升。

1 前言

在車(chē)輛碰撞事故中，駕駛員和前排乘員不僅頭部、頸部和胸部容易受到傷害，同時(shí)下肢也會(huì)不同程度地受到傷害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%以上的大腿部位的傷害發(fā)生在正碰事故中，而其中1/2的傷害指數(shù)超過(guò)AIS2級(jí)[1～3]。目前各國(guó)的正面碰撞法規(guī)都對(duì)大腿、小腿部位的傷害做出相應(yīng)的規(guī)定，如在C-NCAP中以大腿力（FFC）、膝蓋滑動(dòng)位移、脛骨指數(shù)（TI）以及小腿壓縮力（TCFC）等4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。為改善在正面碰撞測(cè)試中大腿、小腿部位的得分，各大廠商主要從兩方面改進(jìn)車(chē)型，一方面采用帶有填充材料的護(hù)膝板，用以在一個(gè)更大的區(qū)域內(nèi)分散接觸力，減少下肢的傷害，但增加填充材料會(huì)減少駕駛員腿部與護(hù)膝板之間本就有限的空間，降低了舒適性；另一方面安裝膝部氣囊（KAB），在正碰中展開(kāi)膝部氣囊以限制傷害的嚴(yán)重程度及控制下肢的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但整車(chē)開(kāi)發(fā)成本較高。

本文基于某車(chē)型建立MADYMO車(chē)體模型，以該車(chē)50 km/h正面100%重疊剛性壁障的加速度作為模型輸入，對(duì)安裝膝部氣囊與未安裝膝部氣囊時(shí)假人頭部、胸部、大腿和小腿部位的響應(yīng)曲線(xiàn)以及傷害值進(jìn)行比較，研究膝部氣囊在正碰中對(duì)假人各部位以及對(duì)駕駛員在正面碰撞中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，并通過(guò)正交試驗(yàn)法對(duì)初步設(shè)計(jì)的膝部氣囊進(jìn)行優(yōu)化。

2 模型建立與驗(yàn)證

2.1 車(chē)體模型建立

車(chē)體模型的坐標(biāo)原點(diǎn)選擇在前軸附近，此處也通常作為總布置圖的原點(diǎn)（即前軸中心線(xiàn)與汽車(chē)中心線(xiàn)的交點(diǎn)）。坐標(biāo)系的x軸指向后方，y軸指向右側(cè)，z軸指向正上方，車(chē)體模型采用的剛體、幾何外形及運(yùn)動(dòng)鉸均根據(jù)所采用車(chē)型的實(shí)際結(jié)構(gòu)確定。對(duì)風(fēng)窗、儀表板、腳踏板、地板的數(shù)模劃分網(wǎng)格，將網(wǎng)格信息導(dǎo)入MADYMO中，對(duì)其定義材料和屬性，并支撐在對(duì)應(yīng)的鉸上；座椅系統(tǒng)采用平面剛板（SURFACE. PLANE）進(jìn)行模擬，對(duì)其定義接觸特性；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用橢球（SURFACE.ELLIPSOID）進(jìn)行模擬。每個(gè)剛體都設(shè)有相應(yīng)的質(zhì)量參數(shù)以模擬整車(chē)質(zhì)量。車(chē)體模型剛體之間用運(yùn)動(dòng)鉸（JOINT.*）連接，根據(jù)實(shí)車(chē)碰撞中車(chē)體的變形特點(diǎn)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定鉸的類(lèi)型和位置。采用HybridⅢ第50百分位男性假人，其在MADYMO中對(duì)應(yīng)的假人模型文件是d-hyb350el-Q-inc. xml。使用MADYMO自帶的Belt Fitting程序建立混合安全帶，并根據(jù)該車(chē)型已有駕駛員側(cè)安全氣囊建立正碰氣囊模型，最終模型如圖1所示。

2.2 車(chē)體模型驗(yàn)證

將實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)測(cè)得的加速度波形作為模型的加速度場(chǎng)，如圖2所示，實(shí)車(chē)試驗(yàn)為正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)，碰撞速度為50 km/h。通過(guò)MOTION.JOINT-ACC將加速度波形加載到車(chē)體模型上，此外需要給車(chē)體和假人定義50 km/h的初速度。

圖3為假人頭部、胸部、大腿和小腿等部位的響應(yīng)曲線(xiàn)與實(shí)車(chē)試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比；針對(duì)C-NCAP的評(píng)分規(guī)則，假人傷害指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)與仿真假人傷害指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

圖3中，試驗(yàn)曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)的趨勢(shì)基本一致，雖然實(shí)車(chē)試驗(yàn)中假人胸部合成加速度峰值出現(xiàn)時(shí)刻比仿真計(jì)算結(jié)果略有延遲，仿真計(jì)算中假人的右大腿力峰值出現(xiàn)時(shí)刻比實(shí)車(chē)試驗(yàn)略有延遲，但傷害指標(biāo)的誤差均在10%以?xún)?nèi)，表明該基礎(chǔ)模型的建立有效，可用于下一步的研究。

2.3 氣囊模型建立

由于原車(chē)型并沒(méi)有安裝膝部氣囊，所以根據(jù)膝部氣囊需要覆蓋保護(hù)的范圍進(jìn)行膝部氣囊的幾何設(shè)計(jì)，其尺寸和形狀需要覆蓋各種坐姿、不同百分位駕駛員的膝部區(qū)域，同時(shí)也要滿(mǎn)足車(chē)型的內(nèi)飾幾何尺寸要求。為了控制氣囊的展開(kāi)形狀以及其在汽車(chē)前進(jìn)方向上的氣囊厚度，在膝部氣囊氣袋內(nèi)部設(shè)計(jì)了上、下2根拉帶。由于膝部氣囊的上、下厚度一致對(duì)乘員保護(hù)不利，經(jīng)綜合考慮，將上側(cè)拉帶寬度設(shè)計(jì)為80 mm，下側(cè)拉帶寬度設(shè)計(jì)為50 mm。

對(duì)膝部氣囊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用10 mm左右的三角形網(wǎng)格，共有5 339個(gè)節(jié)點(diǎn)和10 798個(gè)單元，如圖4所示。氣囊劃分為8個(gè)PART（部分），氣袋兩側(cè)各分為3個(gè)PART，上側(cè)拉帶為1個(gè)PART，下側(cè)拉帶為1個(gè)PART，拉帶分別與氣袋的兩側(cè)面縫合起來(lái)。

網(wǎng)格劃分完成后，在MADYMO中建立膝部氣囊仿真模型。考慮到該正面碰撞模擬不涉及離位乘員（OOP）及計(jì)算效率，所以氣囊充氣采用均勻壓力法（UP）。膝部氣囊織物表面的建模采用三節(jié)點(diǎn)膜單元（MEM3），這種單元沒(méi)有沙漏模式，并且可以更好地描述氣囊織物的幾何特征。根據(jù)膝部氣囊織物及縫紉線(xiàn)的特性將氣囊材料定義為正交各向異性材料，具體參數(shù)設(shè)置根據(jù)氣囊織物實(shí)際材料特性確定。氣囊的充氣展開(kāi)過(guò)程通過(guò)氣體發(fā)生器進(jìn)行控制，氣體發(fā)生器的2個(gè)主要參數(shù)是質(zhì)量流率和溫度隨時(shí)間的變化率，2個(gè)參數(shù)通過(guò)容器試驗(yàn)獲得[4，5]。

所設(shè)計(jì)的膝部氣囊采用三氣室模型，下側(cè)拉帶既屬于第1氣室也屬于第2氣室，上側(cè)拉帶既屬于第2氣室也屬于第3氣室。相鄰氣室之間通過(guò)拉帶兩端與氣袋左右側(cè)邊之間的通氣空間來(lái)連通，氣體發(fā)生器位于第1氣室。使用MADYMO Folder對(duì)氣囊進(jìn)行折疊，并通過(guò)預(yù)模擬對(duì)氣囊進(jìn)行松弛。膝部氣囊點(diǎn)火時(shí)間設(shè)定為10 ms，氣囊整個(gè)展開(kāi)過(guò)程持續(xù)14 ms，如圖5所示。

2.4 氣囊模型驗(yàn)證

對(duì)所試制的膝部氣囊樣件（圖6）進(jìn)行靜態(tài)起爆試驗(yàn)，查看氣囊樣件靜態(tài)展開(kāi)過(guò)程、展開(kāi)時(shí)間和展開(kāi)后的形態(tài)，以驗(yàn)證膝部氣囊仿真模型是否正確。將膝部氣囊折疊后置于氣囊盒內(nèi)，將氣囊盒固定于試驗(yàn)臺(tái)架上，氣囊盒水平放置，放置高度距臺(tái)架上表面15 cm。

根據(jù)前述膝部氣囊模塊仿真模型建立膝部氣囊靜態(tài)起爆試驗(yàn)的仿真模型。靜態(tài)起爆仿真模型中膝部氣囊的展開(kāi)過(guò)程與試驗(yàn)的展開(kāi)過(guò)程對(duì)比如圖7所示。

從圖7可看出，雖然靜態(tài)起爆仿真模型與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)較好，但二者之間仍存在一定誤差。產(chǎn)生誤差的原因?yàn)椋合ゲ繗饽曳抡婺Ｐ驼郫B時(shí)，一部分單元發(fā)生了變形，產(chǎn)生了初始應(yīng)力和應(yīng)變，雖然進(jìn)行了預(yù)模擬松弛，但是松弛后仍有少數(shù)單元發(fā)生交叉，影響了氣囊模型的展開(kāi)過(guò)程；該氣囊模塊采用的UP充氣模式不能精確模擬氣體在氣囊中的流動(dòng)過(guò)程；用橢球模擬氣囊盒，與實(shí)物存在一定的誤差。由于這些誤差不會(huì)對(duì)之后的仿真計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大影響，因而可忽略不計(jì)。靜態(tài)起爆試驗(yàn)驗(yàn)證了所建立的膝部氣囊仿真模型的正確性，即膝部氣囊仿真模型可作為正面碰撞乘員約束系統(tǒng)集成仿真，研究膝部氣囊對(duì)乘員的保護(hù)作用。

3 仿真分析

以所建立的車(chē)體模型為基礎(chǔ)，對(duì)安裝膝部氣囊與未安裝膝部氣囊2種工況下的假人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與傷害值進(jìn)行比較。在2種工況下，假人仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖8所示，仿真曲線(xiàn)如圖9所示，假人傷害指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如表2所列。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，頭部、胸部傷害指標(biāo)和小腿脛骨指數(shù)有不同程度的降低，合成加速度變化很??；大腿壓縮力和膝蓋滑動(dòng)位移都大幅度增加，分別達(dá)到34.93%和38.80%，但仍低于C-NCAP規(guī)定的高性能限值3.8 kN和6 mm指標(biāo)；小腿壓縮力的增加也相對(duì)較大，達(dá)到17.60%，處于C-NCAP規(guī)定的高性能值2 kN與低性能8 kN之間；脛骨指數(shù)雖有減小，但是也處于規(guī)定的高低性能值之間。所以，該車(chē)型小腿部分可以得分，只是無(wú)法獲得滿(mǎn)分。

表2 安裝與未安裝膝部氣囊時(shí)假人傷害指標(biāo)對(duì)比

由于安裝膝部氣囊后，膝蓋與氣囊發(fā)生接觸的時(shí)間比未安裝膝部氣囊時(shí)膝蓋與內(nèi)飾板接觸的時(shí)間提前，故大腿力相對(duì)未安裝膝部氣囊時(shí)更早達(dá)到峰值，從而導(dǎo)致大腿壓縮力、膝蓋滑動(dòng)位移增加較明顯。接觸力通過(guò)膝蓋沿著脛骨/腓骨向下傳遞至腳踝，由于腳部受到踏板等的阻礙使傳遞受阻，導(dǎo)致小腿壓縮力增加，雖然C-NCAP正面100%重疊剛性壁障中并沒(méi)有對(duì)腳踝的傷害做出量化評(píng)價(jià)，但可知在此情況下腳踝會(huì)成為受傷的薄弱環(huán)節(jié)。由于膝部氣囊的展開(kāi)，阻止了駕駛員的向前運(yùn)動(dòng)，使駕駛員胸部與車(chē)內(nèi)飾之間的接觸時(shí)間延遲，駕駛員側(cè)安全氣囊有更充足的時(shí)間展開(kāi)，可更好地保護(hù)頭、胸部。

安裝膝部氣囊的初衷是保護(hù)駕駛員的膝蓋、小腿和大腿，但從仿真分析中發(fā)現(xiàn)，安裝膝部氣囊后乘員下肢以外的其它部位的傷害值減小了，而下肢傷害指標(biāo)卻有所增加，并且胸部的傷害指標(biāo)明顯降低，該結(jié)果未達(dá)到安裝膝部氣囊的目的。此外，從圖9d和圖9e可看出，安裝膝部氣囊后右大腿壓縮力增加明顯，而且左腿和右腿受力非常不均，左腿力為1.25 kN，而右大腿力達(dá)2.12 kN。為改善這些情況，加強(qiáng)膝部氣囊對(duì)乘員的保護(hù)，需要對(duì)膝部氣囊進(jìn)行優(yōu)化。

4 優(yōu)化研究

加權(quán)傷害準(zhǔn)則WIC（Weighted Injury Criterion）是美國(guó)通用公司為了評(píng)價(jià)約束系統(tǒng)的整體性能，引入加權(quán)因子，將各項(xiàng)傷害指標(biāo)（HIC36、胸部3 ms準(zhǔn)則、胸部壓縮量以及大腿骨軸向力）用加權(quán)的方法綜合到一起，得到的一個(gè)正則化的傷害評(píng)估值。

WIC的定義為：

式中，HIC36為頭部傷害準(zhǔn)則的數(shù)值；C3MS為胸部3 ms準(zhǔn)則的數(shù)值；CCOMP為胸部壓縮量；Ffemurleft為左大腿骨最大軸向力；Ffemurright為右大腿骨最大軸向力。

WIC值越低，約束系統(tǒng)的保護(hù)性能越好。為此，選擇WIC值作為優(yōu)化目標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)膝部氣囊影響較大的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

式（1）中每項(xiàng)指標(biāo)前的加權(quán)系數(shù)表明了該種傷害類(lèi)型的重要程度，重要程度來(lái)自于對(duì)大量事故的統(tǒng)計(jì)分析。

影響安全氣囊的設(shè)計(jì)參數(shù)包括氣袋的形狀和體積、氣袋織物材料、排氣孔的大小、氣體的組成和比例、氣體發(fā)生器的質(zhì)量流率、點(diǎn)火時(shí)間等。根據(jù)膝部氣囊的特點(diǎn)和實(shí)際情況，選擇氣體發(fā)生器質(zhì)量流率、點(diǎn)火時(shí)間、拉帶寬度以及氣袋織物材料泄氣率常數(shù)等4個(gè)參數(shù)對(duì)膝部氣囊進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)實(shí)際情況和相關(guān)資料確定4個(gè)參數(shù)的變化范圍如表3所列。

表3 膝部氣囊設(shè)計(jì)參數(shù)變化范圍

4.1 正交試驗(yàn)法

根據(jù)選定的膝部氣囊4個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)及其變化范圍，選用正交表L9（34），見(jiàn)表4。正交試驗(yàn)的4個(gè)因素為氣體發(fā)生器質(zhì)量流率、點(diǎn)火時(shí)間、拉帶寬度及氣袋織物材料泄氣率常數(shù)，分別用A、B、C、D表示，在變化范圍內(nèi)每個(gè)因素有3個(gè)水平，分別為最小值、初始值和最大值，用1、2、3表示。

表4 正交表L9(34)

按照正交表，在MADYMO中安排仿真正交試驗(yàn)，根據(jù)每次仿真試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出每次試驗(yàn)的WIC值。每次仿真試驗(yàn)的和WIC值見(jiàn)表5。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

4.2 結(jié)果分析

正交試驗(yàn)完成后，為確定各試驗(yàn)因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)組合，需要對(duì)膝部氣囊正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，如表6所列。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

Rj反映了第j列因素水平波動(dòng)時(shí)試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度。依據(jù)Rj可判斷試驗(yàn)因素水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序，Rj越大說(shuō)明該因素水平變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。

由表6可知，RD＞RC＞RA＞RB，所以4個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序?yàn)镈＞C＞A＞B，即膝部氣囊4個(gè)因素對(duì)約束系統(tǒng)整體性能影響的主次順序分別為氣袋織物材料泄氣率常數(shù)、拉帶寬度、氣體發(fā)生器質(zhì)量流率、點(diǎn)火時(shí)間。

選取Kˉjm值最小的水平作為第j列因素的優(yōu)水平，判斷4個(gè)試驗(yàn)因素的最優(yōu)組合為A3B2C1D1。由于正交試驗(yàn)表中未出現(xiàn)A3B2C1D1這樣的組合形式，所以需要對(duì)最優(yōu)組合進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證膝部氣囊的優(yōu)化效果。圖10為優(yōu)化前、后假人傷害曲線(xiàn)，傷害指標(biāo)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 優(yōu)化前、后假人傷害指標(biāo)對(duì)比

由表7可知，優(yōu)化后試驗(yàn)指標(biāo)WIC減小了3.39%。頭部HIC36、胸部3 ms合成加速度、胸部變形量、大腿壓縮力、膝蓋滑動(dòng)位移和小腿脛骨指數(shù)都有不同程度的減小；頭部3 ms合成加速度和小腿壓縮力有所增加，但增幅很??；左腿和右腿受力不均的現(xiàn)象得到明顯改善。膝部氣囊對(duì)下肢的保護(hù)得到提升，同時(shí)約束系統(tǒng)的整體性能也得到了很大提高，達(dá)到了很好的優(yōu)化效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)某車(chē)型C-NCAP的正面100%剛性重疊壁障碰撞試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)MADYMO仿真分析研究安裝與未安裝膝部氣囊時(shí)乘員的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)與傷害，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)膝部氣囊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后試驗(yàn)指標(biāo)WIC減小了3.39%，表明膝部氣囊對(duì)下肢的保護(hù)得到提升，整體提高了約束系統(tǒng)性能。

1孫振東，朱海濤，劉玉光.正面碰撞試驗(yàn)中乘員小腿傷害特性研究.第五屆國(guó)際汽車(chē)交通安全學(xué)術(shù)會(huì)議，湖南，2007.

2Miyahara R，Miyajima Y，Ogawa S.The Application of Optimization Techniques to Design a Foam Pad to Reduce Lower-Extremity Injuries.SAE Technical Paper.2008，2014（1）:10～30.

3Krishnaraj S，Kulkarni K B，Narayanasamy V，et al. Occupant knee impact simulations:A parametric study.SAE Technical Paper.2003，112（5）:650～656.

4MADYMO Theory Manual，Release 7.3.TASS，2010.

5MADYMO Applications Manual，Release 7.3.TASS，2010.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年11月8日。

Design and Optimization of Knee Airbag

Li Li1，Zhu Xichan1，Wang Jingjing2，Ma Zhixiong1
（1.Tongji University；2.Beijing Benz Automotive Co.，Ltd）

Automotive body simulation model and knee airbag model are established by MADYMO，and then these two models are validated by test.In two cases of with knee airbag and without knee airbag，dummy's motion response and injury values were simulated and analyzed，and the protection of knee airbag to various parts of the dummy during frontal impact was studied.According to simulation results，the knee airbag with primary design was optimized through orthogonal test，after which WIC declined by 3.39%，indicating sizeable improvement of protection of the knee airbag on the lower limbs.

Knee airbag,Optimal design

膝部氣囊優(yōu)化設(shè)計(jì)

U467.1+4

：A

：1000-3703(2014)01-0001-06

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2012AA111205）。