汽車側(cè)面碰撞駕駛員側(cè)側(cè)氣囊仿真研究

程海東，田國紅，孫立國，齊登科

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

前言

我國交通事故頻發(fā)，在交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：側(cè)面碰撞的在所有交通事故中的比重為23%，側(cè)面碰撞致傷率卻居所有交通事故中的第一位[1]。因此在中高檔轎車上，通常安裝有側(cè)氣囊（SAB）對側(cè)碰中的乘員提供一定的保護(hù)。文章建立了駕駛員側(cè)側(cè)氣囊仿真約束系統(tǒng)，并通過正交試驗(yàn)對系統(tǒng)的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化及匹配，對側(cè)氣囊在側(cè)面碰撞中對駕駛員的保護(hù)效果進(jìn)行系統(tǒng)分析，為側(cè)氣囊的設(shè)計(jì)提供了一種理論依據(jù)。

1 駕駛員側(cè)側(cè)碰仿真系統(tǒng)的建立

依據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)資料和氣囊模擬理論建立了駕駛員側(cè)側(cè)氣囊仿真模型，并驗(yàn)證其有效性。將氣囊模型與車體模型、假人模型進(jìn)行匹配仿真，通過假人的傷害值來評估側(cè)氣囊的性能。駕駛員側(cè)側(cè)氣囊仿真約束系統(tǒng)包括側(cè)面碰撞車體模型（包括座椅及安全帶）、側(cè)碰假人、駕駛員側(cè)側(cè)氣在 MADY-MO仿真軟件中利用規(guī)定結(jié)構(gòu)運(yùn)動（Prescribed Structure Mo-tion，簡稱PSM）的方法建立側(cè)碰車體。使其能夠模擬車體側(cè)碰后的變形情況。

假人模型可以從軟件MADYMO的假人庫中導(dǎo)出，假人庫中的假人都是軟件公司驗(yàn)證后的有效的模型，論文利用的是ES-2側(cè)碰假人模型。圖1為汽車側(cè)碰駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)模型。

圖1 MADYMO中側(cè)碰約束系統(tǒng)

2 駕駛員側(cè)側(cè)碰仿真系統(tǒng)的動態(tài)仿真分析

對于建立完成的乘員約束系統(tǒng)的仿真模型，要進(jìn)一步將其運(yùn)行來分析側(cè)氣囊模型對駕駛員的保護(hù)效果。對于保護(hù)效果的評價(jià)，側(cè)面碰撞方法和乘員損傷標(biāo)準(zhǔn)在我國C-NCAP進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。根據(jù)相關(guān)法規(guī)要求，950kg重的可變形移動壁障以 50±1km/h的速度垂直撞向靜止的試驗(yàn)車一側(cè)，對約束系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)仿真分析[2]。由于側(cè)氣囊在展開中直接與假人腹部以上相接觸，不能與頭部很好的接觸，論文采取假人的胸部在碰撞中的各項(xiàng)指標(biāo)來研究側(cè)氣囊對假人的保護(hù)作用。

我國的側(cè)碰法規(guī)中規(guī)定，將上中下三段肋骨的變形量極限值定為42mm。在進(jìn)行碰撞試驗(yàn)時(shí)，移動障壁以時(shí)速50km對駕駛員側(cè)車門部位進(jìn)行撞擊。圖2為兩種情況下胸部三個(gè)部位位移量時(shí)間歷程曲線圖，通過曲線的狀態(tài)可以分析假人胸部受傷害情況及側(cè)氣囊的保護(hù)效果。

圖2 胸部肋骨位變形曲線

根據(jù)以上仿真實(shí)驗(yàn)曲線可以得出在安裝有側(cè)氣囊的側(cè)面碰撞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，胸部中肋變形量最大，峰值為 31.2mm以下，明顯的小于規(guī)定的胸部變形的極限值。未安裝側(cè)氣囊時(shí)，假人的胸部上、中、下肋骨變形量的峰值最大值為41.6mm，與人體能夠承受的極限值42mm非常接近。通過對比，安裝側(cè)氣囊后，假人胸部的變形量峰值明顯得到改善，側(cè)氣囊在側(cè)面碰撞中能夠?qū)Τ藛T提供有利的保護(hù)。

3 駕駛員側(cè)側(cè)碰仿真系統(tǒng)乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化

為了探究側(cè)氣囊在側(cè)面碰撞中對乘員的最佳保護(hù)效果，采用正交試驗(yàn)對約束系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化[3]。正交試驗(yàn)選取氣囊的起爆時(shí)間、氣囊的排氣孔大小、氣囊的質(zhì)量流率三個(gè)參數(shù)定為需要進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)，每個(gè)參數(shù)選取三個(gè)因素水平，如表1。若不考慮個(gè)因素水平之間的交互作用，只需進(jìn)行9次實(shí)驗(yàn)即可完成。

表1 點(diǎn)火時(shí)間C三個(gè)水平改為-3ms，0ms，3ms

在軟件MADYMO中進(jìn)行調(diào)整后仿真，質(zhì)量流率的改動是原來流率的 0.8、1.2，這就需要將軟件程序中關(guān)鍵字FUNCJJSAGE.2D的參數(shù)Y_SCALE值乘以0.8或1.2。排氣孔大小可以通過關(guān)鍵字MATERIAL_HOLE中的CDEX參數(shù)進(jìn)行定義。點(diǎn)火時(shí)間的定義則需要對 TRIGGERRING_SWI程序組中子程序SWITH.TIME中TIME參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)正交試驗(yàn)表在MADYMO中安排仿真實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，系統(tǒng)都會輸出一組肋骨最大變形量，記錄每次試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完成后，利用極差法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以直觀的選取此次正交試驗(yàn)中較優(yōu)的參數(shù)組合，表3為正交試驗(yàn)極差分析表。

表3 極差分析統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析統(tǒng)計(jì)表可知，三個(gè)參數(shù)對于假人肋骨變形量在仿真試驗(yàn)中影響大小的先后順序依次是排氣孔直徑、氣流率、起爆時(shí)間，且當(dāng)三個(gè)參數(shù)的最優(yōu)組合為A3B2C2。在 MADYMO中改變參數(shù)為 A3B2C2，從上面的仿真結(jié)果可知，胸部的中肋骨形變量最大，優(yōu)化后只取中肋骨變量與原模型對比，然后對結(jié)果進(jìn)行分析。圖3為胸部變形量優(yōu)化前后曲線。

圖3 胸部中肋骨變形量優(yōu)化前后曲線

由曲線可知，優(yōu)化后的仿真約束系統(tǒng)輸出的中肋骨變形量峰值總體來看明顯下降趨勢，且其峰值降為 22.5mm，滿足國家相關(guān)法規(guī)對于側(cè)碰中假人胸部肋骨形變量的要求，側(cè)氣囊在側(cè)碰中對于假人中肋骨的保護(hù)效果有所提升。在0.09s之后，優(yōu)化后的約束系統(tǒng)所輸出的中肋骨變形量較原模型大，但此時(shí)胸部變形量已接近趨于0mm，因此優(yōu)化后側(cè)氣囊對于假人的保護(hù)符合要求，且較原模型有較大的提升。

4 結(jié)論

近年來，汽車側(cè)面碰撞乘員的保護(hù)在被動安全領(lǐng)域趨于重要。論文通過建立包含側(cè)碰車體、假人及側(cè)氣囊的側(cè)碰約束系統(tǒng)，在MADYMO中進(jìn)行動態(tài)仿真試驗(yàn)并通過正交試驗(yàn)將約束系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。由仿真曲線可以直觀的反應(yīng)出側(cè)氣囊在側(cè)面碰撞中對假人胸部的保護(hù)效果，為汽車側(cè)面碰撞中乘員的保護(hù)提供一種科學(xué)的研究方法。

[1] 曲現(xiàn)國.轎車與行人碰撞事故再現(xiàn)及行人保護(hù)研究[D].上海工程技術(shù)大學(xué),2015.

[2] 范體強(qiáng),張維剛.汽車側(cè)碰移動變形壁障仿真模型的開發(fā)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2007,(09):250-254.[2017-08-31].

[3] 李曉明.正面碰撞試驗(yàn)中安全氣囊展開的時(shí)間特性[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2014,42(07):141-143.[2017-08-31].