安全氣囊參數(shù)對(duì)離位兒童損傷影響研究

張學(xué)榮　許長(zhǎng)龍　劉秋（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

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安全氣囊參數(shù)對(duì)離位兒童損傷影響研究

張學(xué)榮許長(zhǎng)龍劉秋
（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

【摘要】以某汽車乘員側(cè)安全氣囊為研究對(duì)象，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法在MADYMO軟件中建立了安全氣囊仿真模型。根據(jù)FMVSS 208法規(guī)中關(guān)于離位兒童乘員保護(hù)的要求，建立了3歲兒童離位仿真模型，并通過(guò)氣囊靜態(tài)起爆試驗(yàn)、線性沖擊試驗(yàn)及三歲兒童離位試驗(yàn)驗(yàn)證了所建仿真模型的有效性。采用該模型研究了安全氣囊參數(shù)對(duì)離位兒童損傷的影響。結(jié)果表明，排氣孔大小、氣體發(fā)生器產(chǎn)氣量、織布滲透率以及起爆角度等氣囊參數(shù)對(duì)離位兒童的損傷影響較為顯著。

主題詞：安全氣囊離位兒童損傷仿真

1　前言

汽車乘員的離位狀態(tài)（out of position）是指不系安全帶的情況下，乘員的乘坐位置比較靠前或者在碰撞發(fā)生時(shí)由于慣性力向前運(yùn)動(dòng)，在安全氣囊未完全展開(kāi)的情況下與氣囊發(fā)生接觸的乘坐狀態(tài)［1］。安全氣囊在車輛發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)于50百分位處于正常乘坐位置的成年男性具有較好的保護(hù)效果，能夠顯著減少乘員的傷害，但是對(duì)于離位兒童以及5百分位成年女性來(lái)說(shuō)，由于其身材較小，乘坐位置靠近安全氣囊，在氣囊展開(kāi)過(guò)程中，會(huì)因氣囊內(nèi)部壓力較大而對(duì)離位乘員造成致命傷害［2，3］。

本文采用計(jì)算機(jī)仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究乘員側(cè)安全氣囊排氣孔大小、氣體發(fā)生器產(chǎn)氣量、織布滲透率、起爆角度等氣囊參數(shù)對(duì)離位兒童乘員的損傷影響。

2　仿真模型的建立及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1氣囊仿真模型的建立

氣囊仿真模型的建立主要包括氣袋有限元模型的建立及充氣過(guò)程的模擬。其中氣袋有限元模型是對(duì)實(shí)際氣囊物理特性的模擬，包括氣囊?guī)缀文Ｐ?、折疊方式和材料參數(shù)的設(shè)定；充氣過(guò)程的模擬是定義氣室的充氣方式以及氣體發(fā)生器的參數(shù)，確保氣囊展開(kāi)過(guò)程與試驗(yàn)相一致。

為準(zhǔn)確模擬氣囊的起爆過(guò)程，選用真實(shí)折疊法建立氣囊模型，折疊工具為MADYMO軟件中的Folder工具［4］。因乘員側(cè)安全氣囊（Passenger Airbag）展開(kāi)后的形狀是三維立體形狀，使用Folder軟件折疊前必須獲得平面網(wǎng)格，所以需要對(duì)其進(jìn)行部分展平處理。將二維模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格逐片重建，然后合并相互連接的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，生成一個(gè)部分折疊的氣囊網(wǎng)格模型，如圖1所示。將部分展平的氣囊網(wǎng)格導(dǎo)入folder折疊工具中，由于折疊步驟多，折疊過(guò)程中為了減小網(wǎng)格單元的變形程度選擇了薄折疊和較小的折疊間隙，圖2為折疊完成的氣囊形狀。但該氣囊有限元模型不能直接作為仿真計(jì)算的初始網(wǎng)格，因?yàn)闅饽以谡郫B過(guò)程中將發(fā)生不可避免的形變，從而造成氣囊內(nèi)部應(yīng)力和能量的不平衡，因此在氣囊展開(kāi)之前需要對(duì)折疊氣囊進(jìn)行松弛，松弛后得到的網(wǎng)格可作為初始網(wǎng)格。

按照軟件MADYMO的計(jì)算要求，除設(shè)置氣囊的初始網(wǎng)格外，還需要設(shè)置參考網(wǎng)格。為此，在Hypermesh軟件建立氣囊的有限元模型作為參考網(wǎng)格的模具，將已經(jīng)折疊完成的氣囊放在此模具中充氣展開(kāi)，充氣結(jié)束后，若氣囊與模具貼合，則此時(shí)的單元網(wǎng)格即可作為乘員側(cè)安全氣囊的最終參考網(wǎng)格。

氣囊的真實(shí)充氣過(guò)程是一個(gè)流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）可以對(duì)其充氣過(guò)程進(jìn)行精確模擬［5］。本文基于CFD模擬氣囊氣體流動(dòng)，將氣囊模型體積離散化分為30×30×50（分別為柵格不同方向的單元數(shù)）個(gè)單元，在 MADYMO軟件中通過(guò)ANTI_THROUGH_FLOW命令防止互不連通的氣囊層之間出現(xiàn)不應(yīng)有的氣體交換，從而模擬出氣囊內(nèi)部氣體的實(shí)際流動(dòng)過(guò)程。

2.2線性沖擊模型的建立

通過(guò)對(duì)臺(tái)架進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，得到臺(tái)架的幾何尺寸和定點(diǎn)參數(shù)以及沖擊平板的質(zhì)量參數(shù)，建立線性沖擊試驗(yàn)仿真模型，模擬氣囊展開(kāi)后與沖擊平板的接觸過(guò)程，如圖3所示。

2.3離位兒童仿真模型的建立

離位兒童仿真模型主要包括乘員艙模型及假人模型。將汽車廠家提供的乘員艙CAD模型導(dǎo)入Hypermesh建立乘員艙網(wǎng)格模型，生成的節(jié)點(diǎn)和單元導(dǎo)入MADYMO軟件得到乘員艙有限元模型。FMVSS 208法規(guī)中要求乘員離位試驗(yàn)使用Hybrid III假人，由于假人試驗(yàn)設(shè)備的限制，臺(tái)車試驗(yàn)中使用的是3歲兒童P3假人。為了便于仿真模型的驗(yàn)證，本文使用P3假人建立離位兒童仿真模型，待模型驗(yàn)證成功后用Hybrid III 3歲兒童假人替換P3假人，同時(shí)調(diào)整假人坐姿，離位兒童仿真模型如圖4所示。

2.4仿真模型試驗(yàn)驗(yàn)證

2.4.1氣囊仿真模型

2.4.1.1安全氣囊靜態(tài)起爆試驗(yàn)

在離位兒童損傷仿真研究中，對(duì)氣囊系統(tǒng)的仿真模型要求較高，必須保證乘員側(cè)安全氣囊的靜態(tài)展開(kāi)過(guò)程及最終的展開(kāi)形狀與試驗(yàn)相一致，通過(guò)氣囊靜態(tài)起爆試驗(yàn)可驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。氣囊靜態(tài)起爆試驗(yàn)主要用來(lái)考察安全氣囊的展開(kāi)包形以及完全展開(kāi)的時(shí)刻是否符合設(shè)計(jì)要求，并以此為依據(jù)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)氣囊的氣袋包形和充氣特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［6，7］。圖5為氣囊展開(kāi)過(guò)程的仿真結(jié)果與試驗(yàn)錄像對(duì)比。

由圖5可看出，氣囊仿真模型的展開(kāi)過(guò)程以及最終的展開(kāi)形狀與試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，說(shuō)明該氣囊仿真模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性與試驗(yàn)結(jié)果較接近。

2.4.1.2線性沖擊試驗(yàn)

氣囊仿真模型的動(dòng)力學(xué)特性主要通過(guò)線性沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證，線性沖擊試驗(yàn)臺(tái)架如圖6所示。

以氣囊的起爆時(shí)刻作為仿真的初始時(shí)刻，沖擊平板與安全氣囊在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖7所示。由圖7可看出，氣囊的展開(kāi)過(guò)程以及沖擊平板與氣囊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程能夠很好地吻合。沖擊平板的減速度時(shí)間歷程曲線對(duì)比如圖8所示，由圖8可看出，試驗(yàn)與仿真在起始時(shí)刻、峰值大小、峰值出現(xiàn)時(shí)刻等方面具有較好的一致性，說(shuō)明該氣囊仿真模型的動(dòng)力學(xué)特性與試驗(yàn)比較接近。

2.4.23歲離位兒童仿真模型

靜態(tài)離位試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼{(diào)試較復(fù)雜，影響因素較多，除氣囊模塊本身、假人離位姿態(tài)以外，儀表板剛度、座椅剛度等因素對(duì)模型的準(zhǔn)確性也有一定影響［8，9］，因此要綜合驗(yàn)證仿真模型與試驗(yàn)的一致性。仿真模型有效性驗(yàn)證主要包括假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)驗(yàn)證及動(dòng)力學(xué)響應(yīng)驗(yàn)證。仿真與試驗(yàn)的兒童假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)比結(jié)果如圖9所示，由圖9可看出，仿真假人與試驗(yàn)假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)較為一致。

仿真與試驗(yàn)的兒童假人加速度時(shí)間歷程曲線對(duì)比結(jié)果如圖10所示，由圖10可看出，通過(guò)仿真得到的加速度時(shí)間歷程曲線與通過(guò)試驗(yàn)所得相應(yīng)曲線吻合較好，曲線脈寬、升降趨勢(shì)以及達(dá)到峰值時(shí)刻具有較好的一致性。

由上述分析可知，所建立的仿真模型能夠較準(zhǔn)確地反映實(shí)際物理情況，而且模型的穩(wěn)定性也較好。因此，該模型可用來(lái)進(jìn)行兒童乘員離位損傷的研究。

3　　氣囊參數(shù)影響分析

3.1氣囊排氣孔大小對(duì)離位兒童損傷影響

在Hybrid III 3歲離位兒童仿真模型（排氣孔直徑為50 mm）基礎(chǔ)上，改變排氣孔的大小，分別選取排氣孔直徑為40 mm、45 mm、50 mm、55 mm和60 mm，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算后輸出假人的傷害值。FMVSS 208法規(guī)規(guī)定的3歲離位兒童損傷閥值見(jiàn)表1。

表1　FMVSS 208法規(guī)中3歲離位兒童損傷閥值

圖11為不同排氣孔大小對(duì)兒童損傷影響結(jié)果。由圖11可看出，當(dāng)排氣孔直徑增大時(shí)，HIC15、T3 ms和Nij顯著減??；Chest-D沒(méi)有明顯變化規(guī)律，但是都遠(yuǎn)小于法規(guī)規(guī)定的損傷上限。因此可以得出，當(dāng)增大排氣孔直徑時(shí)，氣囊內(nèi)部的泄氣速度變快，有利于兒童的離位保護(hù)。

3.2氣體發(fā)生器產(chǎn)氣量對(duì)離位兒童損傷影響

在原有氣體發(fā)生器的基礎(chǔ)上，通過(guò)減少或增加產(chǎn)氣量的百分比（-30%、-20%、-10%、10%、20%），仿真分析氣體發(fā)生器產(chǎn)氣量對(duì)離位兒童損傷的影響。圖12為仿真環(huán)境下不同產(chǎn)氣量對(duì)離位兒童損傷的影響結(jié)果，由圖12可看出，隨氣體發(fā)生器產(chǎn)氣量的增加，兒童假人的HIC15、T3 ms均提高；隨氣體發(fā)生器產(chǎn)氣量的減少，氣囊的內(nèi)部壓力減小，兒童乘員的綜合損傷減小。因此，產(chǎn)氣量越少對(duì)兒童的離位保護(hù)越好。但是當(dāng)產(chǎn)氣量減少20%時(shí)，氣囊氣袋將無(wú)法完全展開(kāi)，不能夠?qū)Τ赡瓿藛T起到很好的保護(hù)作用，在車輛碰撞時(shí)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的碰撞傷害。

3.3氣囊織物滲透率對(duì)離位兒童損傷影響

氣囊織物滲透率的大小決定氣囊展開(kāi)的可靠性和穩(wěn)定性。為研究織物滲透率對(duì)離位兒童損傷的影響，在MADYMO軟件中設(shè)定PERMEABILITY.MODEL1透氣性系數(shù)分別為0.025、0.030、0.035、0.040和0.045，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真計(jì)算。圖13為仿真環(huán)境下不同織物滲透率對(duì)離位兒童的損傷影響結(jié)果，由圖13可看出，當(dāng)織物滲透率增大時(shí)，氣體泄氣量增加，氣囊內(nèi)部壓力減小，對(duì)兒童假人的沖擊作用力減少，從而使兒童假人的HIC15、T3 ms以及頸部的軸向力降低。因此，當(dāng)增大織布滲透率時(shí)，氣囊的泄氣速度變快，離位兒童綜合損傷減小。

3.4氣囊起爆角度對(duì)離位兒童損傷影響

氣囊的起爆角度決定了氣囊展開(kāi)初期的沖擊方向，其對(duì)離位兒童的損傷會(huì)有一定影響。圖14為仿真環(huán)境下不同起爆角度對(duì)離位兒童的損傷影響結(jié)果。由圖14可看出，當(dāng)氣囊的起爆角度≤90°時(shí)，兒童假人的HIC15滿足法規(guī)要求，但是Nij明顯增加。原因是氣囊的起爆角度過(guò)大，氣囊沖擊到擋風(fēng)玻璃并通過(guò)擋風(fēng)玻璃與假人頭部之間的間隙沖擊出來(lái)，巨大沖擊力對(duì)乘員頸部造成較大損傷。當(dāng)氣囊的起爆角度為60°時(shí)，氣囊對(duì)假人造成的傷害最大，此時(shí)氣囊的沖擊方向即為假人的頭部方向，氣囊直接沖擊到假人的頭部，從而對(duì)假人造成巨大傷害。當(dāng)起爆角度逐漸偏離60°時(shí)，假人的傷害值逐漸減小，在起爆角度為80°時(shí)，假人傷害值達(dá)到最小。所以針對(duì)兒童的乘坐位置，可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣囊的起爆角度來(lái)提高對(duì)兒童的離位保護(hù)。

4　　結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)FMVSS 208法規(guī)建立了3歲兒童離位仿真模型，并通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的有效性，在仿真環(huán)境中研究了排氣孔大小、氣體發(fā)生器產(chǎn)氣量、織布滲透率以及起爆角度等氣囊參數(shù)對(duì)離位兒童損傷的影響。結(jié)果表明，當(dāng)增大安全氣囊排氣孔直徑或增大織布滲透率時(shí)，氣囊內(nèi)部的泄氣速度變快，有利于兒童的離位保護(hù)；產(chǎn)氣量越少對(duì)離位兒童的保護(hù)越好，但是當(dāng)產(chǎn)氣量小到一定程度時(shí)，氣囊氣袋無(wú)法完全展開(kāi)，不能夠?qū)Τ赡瓿藛T起到很好的保護(hù)作用；安全氣囊的起爆角度對(duì)離位兒童損傷影響較大，當(dāng)起爆角度為60°時(shí)，氣囊對(duì)兒童乘員造成的傷害最大，可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣囊的起爆角度來(lái)提高兒童的離位保護(hù)。

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（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年2月1日。

中圖分類號(hào)：U463.85

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3703（2016）06-0053-05

Research on the Effect of Airbag Parameters on the Injury of Out-of-Position Children

Zhang Xuerong，Xu Changlong，Liu Qiu
（Jiangsu university，Zhenjiang 212013）

【Abstract】With a passenger airbag as research object，an airbag simulation model is established in MADYMO with computational fluent dynamics method.According to the requirements of FMVSS 208 regulations on the protection of outof-position（OOP）child occupant，a three-year old OOP children simulation model is established，which is verified through airbag static deployment test，linear impact test and three-year-old children OOP test.The influence of airbag parameters on injuries of OOP children occupant is analyzed.The simulation results show that the effect of airbag parameters including air vent size，gas mass of inflator，fabric permeability and deployment angle on OOP children damage is more significant.

Key words:Airbag，Out-of-position children，Injury，Simulation