側(cè)面碰撞頭胸雙氣室氣囊的設(shè)計與優(yōu)化

葛如海，劉 樂，林 坡，肖建忠

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無錫 214121)

隨著社會的進步，汽車已經(jīng)逐漸走進了千家萬戶，成為生活中必不可少的一部分。然而由于汽車保有量的增加，汽車事故的發(fā)生率也隨之增加。另外，由于我國道路交通大多為混合交通，且交叉路口以平面交叉為主[1]，導(dǎo)致汽車發(fā)生側(cè)面碰撞的交通事故率居高不下。據(jù)統(tǒng)計，2016年末全國民用汽車保有量為19 440萬輛(包括三輪汽車和低速貨車881萬輛)，道路交通事故萬車死亡人數(shù)為2.1人[2]。

就汽車本身而言，側(cè)面是車體中強度較薄弱的部位，結(jié)構(gòu)空間小，吸能構(gòu)件少，當(dāng)車身側(cè)面遭受撞擊時，沒有足夠的變形空間去吸收緩沖撞擊力，造成乘員與車門窗及外部物體等發(fā)生碰撞而受傷，嚴重時甚至死亡[3]。汽車安全氣囊作為一種輔助安全工具，主要是為了減少二次碰撞對乘員造成的傷害。汽車側(cè)面氣囊為乘員提供頭部、胸部、腹部、臀部等部位的被動約束保護，主要分為頭部氣囊(氣簾)、頭胸式氣囊、胸部氣囊、胸臀式氣囊等。現(xiàn)在頭胸式氣囊對假人頭胸部位保護這一方面的研究較少，較多的是研究頭胸一體式氣囊或氣簾加胸部氣囊對乘員的保護。楊濟匡等[4]采用有限元分析模型、逐步回歸代理模型和序列優(yōu)化方法對頭胸部一體式氣囊進行了優(yōu)化設(shè)計，使側(cè)面碰撞的綜合傷害評估值下降。李曉明等[5]研究發(fā)現(xiàn)：側(cè)面氣囊和氣簾能對乘員頭胸部提供更好的保護。本文通過研究發(fā)現(xiàn)：采用雙氣室氣囊可以同時保護頭部與胸部。

本文通過計算機仿真技術(shù)，運用CATIA、HYPERMESH、MADYMO等軟件建立頭胸雙氣室式氣囊側(cè)面碰撞的仿真模型，與試驗數(shù)據(jù)進行對標(biāo)，確定模型的有效性，并與安裝氣簾加胸部氣囊的碰撞模型對比，以此來驗證設(shè)計的頭胸氣囊對乘員的保護效果。利用正交試驗對氣囊模型進行優(yōu)化，以提高約束系統(tǒng)的整體性能。

1 側(cè)面碰撞仿真模型的建立與驗證

MADYMO軟件能提供一種基于實車側(cè)面碰撞試驗數(shù)學(xué)仿真的PSM方法[4]，利用該方法建立側(cè)面碰撞試驗車輛的簡化約束系統(tǒng)模型，可以用來模擬碰撞過程中車門發(fā)生變形，假人與氣囊、車體接觸碰撞等。PSM子結(jié)構(gòu)方法能極大地簡化復(fù)雜耗時的整車側(cè)面碰撞有限元模型，便于有效地對約束系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

1.1 車體模型的建立

模型主要包括車體模型、假人模型、安全氣囊模型等。車體模型采用PSM子結(jié)構(gòu)方法建立，坐標(biāo)原點在車體前方，X軸方向為車體運動的相反方向，Y軸方向為指向車體右側(cè)，Z軸方向向上。將車門結(jié)構(gòu)及其內(nèi)飾、A柱、B柱、門檻、車輛地板、駕駛員座椅等的Catia模型導(dǎo)入Hypermesh中進行網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入MADYMO中，用以將模型按實車情況進行定位。對車門結(jié)構(gòu)模型施加以實車試驗獲取的碰撞入侵速度以及加速度波形，座椅也賦予相應(yīng)的加速度波形，其余車體結(jié)構(gòu)運動時不考慮車體變形。采用有限元外形，應(yīng)用多剛體的方法進行模型計算。本文所用試驗數(shù)據(jù)是在C-NCAP側(cè)碰試驗中采集，側(cè)碰時移動臺車前端加裝可變形吸能壁障，沖擊試驗車輛駕駛員側(cè)，移動壁障行駛方向與試驗車輛垂直，移動壁障中心線對準(zhǔn)試驗車輛R點，碰撞速度為50 km/h[6]。圖1 為車體模型與座椅波形。

圖1 車體模型與座椅波形

1.2 假人模型定位

MADYMO中提供已經(jīng)標(biāo)定過的假人模型，因此假人模型可以直接提取進行使用，本文使用的是軟件中的ES_2側(cè)碰假人[7]。對于假人坐姿的調(diào)整需要根據(jù)試驗中的座椅與假人間的相關(guān)數(shù)據(jù)來進行，而假人與模型接觸則需要根據(jù)試驗中假人發(fā)生的實際接觸進行定義。本文假人與模型涉及的接觸主要有假人與側(cè)氣囊的接觸、假人與座椅的接觸、假人與門內(nèi)飾板的接觸。圖2 為假人與車體模型。

圖2 假人與車體模型

1.3 側(cè)碰乘員約束系統(tǒng)仿真模型的驗證

模型驗證是仿真分析中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著后續(xù)仿真分析的正確性，因此驗證分析要具備全面性和準(zhǔn)確性[8]。一般來說，側(cè)碰模型的驗證是遵循接觸時刻先后的原則進行的，即按接觸時刻先后順序進行，同時力和加速度信號也需要滿足“起始時刻、形狀、峰值、峰值時刻及脈寬”等基本特征的相似性[9]。對于側(cè)碰 PSM子結(jié)構(gòu)仿真模型驗證，主要從假人運動響應(yīng)和假人傷害值響應(yīng)兩個方面進行。在仿真模型已經(jīng)驗證有效的基礎(chǔ)上再對氣囊模塊參數(shù)進行設(shè)計優(yōu)化。

由于氣簾的建立不是研究重點，因此建模過程不做細致闡述。對建立好的模型進行仿真分析，在假人運動響應(yīng)和假人傷害方面與試驗值進行對比驗證。實車試驗假人運動響應(yīng)和MADYMO仿真模擬假人運動響應(yīng)的對比見圖3。部分試驗與仿真驗證結(jié)果曲線見圖4和表1。

表1 試驗與仿真假人傷害值對比

由圖3、4和表1可以看出；模型在經(jīng)過調(diào)整對標(biāo)后與試驗曲線的吻合度較好，關(guān)鍵指標(biāo)的誤差范圍都在15%以內(nèi)，因此該仿真模型可以作為基本模型進行研究[10]。

2 安裝頭胸氣囊的側(cè)碰模型仿真

將本文已驗證的側(cè)碰模型中的氣囊替換為創(chuàng)新設(shè)計的頭胸雙氣室氣囊進行仿真研究，并用C-NCAP法規(guī)驗證其保護性能。

圖3 假人運動響應(yīng)對比

圖4 假人傷害對比

2.1 氣囊設(shè)計

通過CATIA工作界面確定氣囊的具體尺寸與形狀，并建立其幾何模型，如圖5所示。將建立的頭胸氣囊?guī)缀文Ｐ蛯?dǎo)入到HYPERMESH中進行網(wǎng)格劃分，如圖6所示。在網(wǎng)格劃分完成之后必須進行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，對某些不合格單元進行適當(dāng)調(diào)整。

圖5 氣囊?guī)缀文Ｐ?/p>

圖6 氣囊網(wǎng)格

進一步采用Oasys Suite Primer對氣囊進行折疊，而后在MADYMO軟件中進行氣囊仿真。本研究采用雙氣體發(fā)生器分別對頭、胸氣囊進行充氣，主要通過控制氣體質(zhì)量流率和溫度變化率來控制氣囊的充氣展開過程。氣囊展開模式采用均勻壓力法[11-12]。本模型所輸入的質(zhì)量流率、溫度與時間的函數(shù)如圖7所示。

圖7 質(zhì)量流率、溫度與時間的函數(shù)曲線

2.2 仿真分析

為了探究所設(shè)計的側(cè)面氣囊好壞，以建立好的模型作為基礎(chǔ)進行碰撞仿真，得到該工況下對乘員保護的各項數(shù)據(jù)，并結(jié)合C-NCAP碰撞法規(guī)[7]，驗證頭胸式氣囊保護效果的優(yōu)劣。假人傷害指標(biāo)對比結(jié)果如表2所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：頭部的HIC值、3 ms合成加速度、胸部壓縮變形量、肋骨黏性指數(shù)、恥骨力與T12明顯低于C-NCAP規(guī)定的高性能限值指標(biāo)； 背板力則介于高性能值與低性能值之間；腹部力則接近于低性能值。因此，從總體上來說，裝有頭胸氣囊的側(cè)碰模型符合C-NCAP的規(guī)定，可以作為基礎(chǔ)模型進行后續(xù)仿真工作。

表2 假人傷害與C-NCAP指標(biāo)對比

指標(biāo)高性能值低性能值仿真值HIC366501 00031.553 ms合成加速度/g728823.07壓縮變形量/mm224217.09肋骨黏性指數(shù)/(m·s-1)0.321.00.11背板力/kN1.04.02.31T12 Fy/kN1.52.01.46T12 Mx/(N·m)15020080.15腹部力/kN1.02.51.32恥骨力/kN3.06.02.34

3 兩種氣囊模型的保護效果對比

將前面所建立好的氣簾加胸部氣囊模型與頭胸氣囊模型作為基礎(chǔ)，分別進行仿真工作，對假人傷害值進行比較，結(jié)果如表3所示。由表3可以看出：在頭胸式氣囊模型下，頭部HIC值、3 ms合成加速度值及胸部壓縮量基本接近于氣簾加胸部氣囊模型，而在腹部力、背板力及T12則相對差一些。由于模型設(shè)計的初衷是為了實現(xiàn)在側(cè)碰中對乘員頭胸部位更有效的保護，因此從仿真結(jié)果來看，所設(shè)計的模型是成功的。

4 優(yōu)化研究

乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)就是找到一種設(shè)計方案，該方案能從整車的被動安全性出發(fā)，為乘員提供最佳的保護性能[13]。本文主要從氣囊系統(tǒng)參數(shù)方面進行優(yōu)化。

表3 兩種氣囊模型假人傷害值對比

4.1 設(shè)計變量篩選

氣囊主要參數(shù)有氣囊體積、排氣孔大小、點火時間、氣囊包形、氣囊織物材料、氣體發(fā)生器質(zhì)量流率大小、噴氣時間等[14]。由于所涉及氣囊的特點為能夠分別控制雙氣室，因此選定兩氣室的質(zhì)量流率與點火時間作為優(yōu)化參數(shù)，如表4所示。

表4 因素水平

4.2 目標(biāo)優(yōu)化

對于這種多目標(biāo)優(yōu)化問題，本文選擇將假人的傷害值加權(quán)后的綜合傷害評估值WIC(weighted injury criterion)作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，利用正交試驗方法對頭胸氣囊的設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。WIC值越低,約束系統(tǒng)的保護性能越好[15-16]。數(shù)學(xué)表達式如下：

4.3 正交試驗

根據(jù)4因素3水平正交試驗表[17]構(gòu)造9個試驗點，得出其各響應(yīng)值并計算極差值，結(jié)果如表5所示。表5中：Ki值為每一列上因素取水平i時所得結(jié)果的平均值；R表示極差。

4.4 結(jié)果分析

從極差值上可以看出；RA>RB>RC>RD，即頭胸式氣囊的4個因素對約束系統(tǒng)整體性能影響的主次順序分別為氣室1質(zhì)量流率、氣室1點火時間、氣室2質(zhì)量流率、氣室2點火時間。根據(jù)均值選取各因素的最優(yōu)水平值，其最優(yōu)組合為A1B1C1D3,由于正交試驗中沒有該組合，需要對最優(yōu)組合進行仿真。優(yōu)化前、后假人傷害曲線結(jié)果如圖8所示。傷害指標(biāo)對比結(jié)果見表6。

表5 正交試驗的傷害結(jié)果

圖8 優(yōu)化前、后假人傷害曲線對比

指標(biāo)優(yōu)化前優(yōu)化后比值/%HIC3631.5528.89-8.43壓縮變形量/mm17.0913.05 -23.63肋骨黏性指數(shù)/(m·s-1)0.110.09 -18.18腹部力/kN1.321.34 +1.51恥骨力/kN2.342.31 -1.28WIC0.3390.304 -10.32

由表6可知;優(yōu)化后胸部變形量減少了23.63%、肋骨黏性指數(shù)減小了18.18%，頭部HIC值也滿足法規(guī)要求，傷害指標(biāo) WIC 減小了10.32%。頭胸式氣囊對頭胸部位的保護得到了有效提升，極大地提高了約束系統(tǒng)性能，達到了優(yōu)化效果。

5 結(jié)束語

本文建立了側(cè)碰子結(jié)構(gòu)仿真模型，研究分析了側(cè)碰中頭胸式氣囊和氣簾加胸部氣囊模型下的乘員運動響應(yīng)曲線與傷害情況，通過對比可見：所設(shè)計的頭胸式氣囊能對假人提供良好的保護效果。根據(jù)仿真結(jié)果對頭胸式氣囊進行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化結(jié)果表明：綜合傷害評估值 WIC 減小了10.32%，頭胸雙氣室氣囊對頭胸部位的保護效果得到了提升。本研究現(xiàn)階段只進行了試驗仿真，接下來的工作是在仿真優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上進行氣囊的實車試驗，驗證頭胸氣囊的實際保護性能。