汽車(chē)正面碰撞駕駛員安全氣囊仿真與優(yōu)化＊

姜強(qiáng)，段敏，孫宇菲

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

前言

駕駛員安全氣囊是汽車(chē)被動(dòng)安全輔助裝置[1-2]，當(dāng)發(fā)生正面碰撞時(shí)，駕駛員安全氣囊在駕駛員與車(chē)內(nèi)飾之間瞬間展開(kāi)，駕駛員頭部因慣性與灌滿(mǎn)氣體的氣囊接觸，駕駛員頭部達(dá)到緩沖，起到保護(hù)作用。通過(guò)建立和優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)的正面碰撞模型，并通過(guò)汽車(chē)實(shí)際碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，模擬駕駛員的防護(hù)效果，對(duì)駕駛員安全氣囊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 駕駛員安全氣囊建模與驗(yàn)證

本文采用MADYMO 軟件里自帶的駕駛員安全氣囊模型，通過(guò)MEM3 單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。使用MADYMO 軟件中的FOLDER 模塊，對(duì)未折疊的簾式氣囊進(jìn)行折疊，建立FE_MODEL，通過(guò)MADYMO 軟件對(duì)氣袋材料、氣囊類(lèi)型、氣囊外界環(huán)境溫度、氣壓、氣體成分等進(jìn)行定義。最后通過(guò)AIRBAG_CHAMBER 定義氣體發(fā)生器。將建立好的駕駛員安全氣囊模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖1 是建立的駕駛員安全氣囊仿真模型靜態(tài)起爆時(shí)，氣囊體積變化與實(shí)驗(yàn)對(duì)比?？梢钥闯觯{駛員安全氣囊仿真模型和試驗(yàn)展開(kāi)過(guò)程體積變化比較吻合，驗(yàn)證了駕駛員安全氣囊模型展開(kāi)時(shí)間、形狀的有效性。通過(guò)靜態(tài)起爆實(shí)驗(yàn)，模擬值與實(shí)驗(yàn)值基本一致，可以進(jìn)行下一步研究。

2 駕駛員約束系統(tǒng)建模與驗(yàn)證

基于MADYMO 軟件，建立正面碰撞車(chē)體需要利用PSM子結(jié)構(gòu)思想，建立好的正面碰撞車(chē)體能夠模擬碰撞后的變形情況。采用上文已驗(yàn)證的氣囊模型，從MADYMO 軟件中提取50 百分位Hybrid Ⅲ 型男性假人。上述已驗(yàn)證駕駛員安全氣囊模型與車(chē)身和假人模型相匹配，建立約束系統(tǒng)模型。

圖2 駕駛員約束系統(tǒng)模型

圖3 是仿真與實(shí)驗(yàn)假人頭部合成加速度曲線對(duì)比。由圖可知，兩條曲線趨勢(shì)大體相同，峰值數(shù)值比較接近，吻合程度遠(yuǎn)大于85%，所以該模型是有效的。

圖3 仿真與實(shí)驗(yàn)假人頭部合成加速度曲線對(duì)比自

3 駕駛員安全氣囊參數(shù)優(yōu)化

利用正交實(shí)驗(yàn)的極差分析法對(duì)安全氣囊相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[4]。本文針對(duì)氣袋直徑、排氣孔直徑、質(zhì)量流量三個(gè)因素進(jìn)行分析研究。通過(guò)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，運(yùn)用極差分析法對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳約束系統(tǒng)參數(shù)。將排氣孔直徑、質(zhì)量流量、氣袋直徑分別記為X、Y、Z。排氣孔直徑分別設(shè)為34mm、36mm、38mm；質(zhì)量流率分別設(shè)為0.85、0.95、1.05；氣袋直徑分別設(shè)為675mm、690mm、715mm。在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，三個(gè)因素中每一個(gè)都有三個(gè)層次，進(jìn)行正交試驗(yàn)。共有9 個(gè)實(shí)驗(yàn)可以反映實(shí)驗(yàn)的所有信息，測(cè)得的HIC 值分別是692.85、710.63、876.17、778.64、655.32、439.58、687.38、405.81、423.39。

頭部傷害指標(biāo)簡(jiǎn)稱(chēng)HIC[5]，HIC 是一個(gè)無(wú)量綱的物理量，計(jì)算公式如下（1），MADYMO 軟件每次仿真結(jié)束之后可以直接輸出該物理量。

式中，t1、t2是任意的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，a(t)為合成加速度，通常用重力加速度G 的倍數(shù)來(lái)表示。

表1 HIC 極差分析

由表1 HIC 值極差分析得出，RY＜RZ＜RX，說(shuō)明三個(gè)因素中，主要影響因素是排氣孔直徑，其次是氣袋直徑之后是質(zhì)量流率。又因?yàn)镵X3＜KX2＜KX1、KY3＜KY2＜KY1、KZ1＜KZ2＜KZ3，所以HIC 的因素優(yōu)水平是X3Y3Z1。

圖4 優(yōu)化前后假人頭部和成加速度仿真對(duì)比

圖4 是假人頭部合成加速度曲線試驗(yàn)和優(yōu)化前后 CAE仿真對(duì)比，由圖可以看出，假人頭部峰值加速度曲線的優(yōu)化效果。法規(guī)中高低性能限值分別對(duì)應(yīng)500 與700，優(yōu)化前HIC值為541.86，優(yōu)化后HIC 值為382.74。可以看出優(yōu)化后的HIC 值達(dá)到C-NCAP 法規(guī)最大性能限值標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

汽車(chē)駕駛員安全氣囊在汽車(chē)被動(dòng)安全領(lǐng)域是非常重要的?；贛ADYMO 軟件建立約束系統(tǒng)模型，通過(guò)正交試驗(yàn)的極差分析法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)仿真曲線可以看出優(yōu)化后的駕駛員安全氣囊對(duì)頭部具有良好的保護(hù)效果，所研究的方法具有一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐意義