側(cè)面多腔室氣囊的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究*

葛如海，陳宇航，洪 亮，蔡朝陽(yáng)，崔義忠

（1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013； 2.硅湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆山 215332）

前言

側(cè)面碰撞是僅次于正面碰撞的碰撞類型。汽車在發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)所產(chǎn)生的能量主要由門檻梁、防撞桿和B柱等側(cè)面結(jié)構(gòu)以及側(cè)面氣囊、側(cè)氣簾等約束系統(tǒng)吸收。頭部傷害是側(cè)面碰撞造成死亡的最主要傷害形式，胸腹部傷害次之，同時(shí)也是最主要的致殘傷害形式［1-2］。配備側(cè)面氣囊（SAB）是側(cè)面碰撞中對(duì)乘員的一種有效保護(hù)方式。當(dāng)發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，側(cè)面氣囊通過(guò)排氣來(lái)吸收側(cè)面碰撞產(chǎn)生的能量，減少乘員吸收能量，以達(dá)到保護(hù)乘員的目的［3］。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于側(cè)面安全氣囊的研究已趨于成熟，但大多集中在單腔室氣囊的研究上。本文中針對(duì)某車型的側(cè)面氣囊對(duì)乘員保護(hù)效果不佳的現(xiàn)象，重新設(shè)計(jì)了一種側(cè)面多腔室安全氣囊，對(duì)新型氣囊進(jìn)行了建模仿真與參數(shù)優(yōu)化。

1 側(cè)面碰撞PSM模型的建立與驗(yàn)證

1.1 側(cè)面碰撞PSM子結(jié)構(gòu)模型的建立與驗(yàn)證

PSM子結(jié)構(gòu)法是MADYMO軟件提供的一種側(cè)面碰撞仿真的簡(jiǎn)化方法。使用該方法可將整車有限元碰撞模型計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)作為邊界條件，建立包括車門、內(nèi)飾、座椅和約束系統(tǒng)等直接影響乘員傷害的部件在內(nèi)的子結(jié)構(gòu)模型［4］。利用PSM方法，基于碰撞試驗(yàn)，建立某車型包括地板、車門、座椅、側(cè)氣囊、側(cè)氣簾和假人在內(nèi)的子結(jié)構(gòu)模型，見圖1。

圖1 側(cè)面碰撞PSM子結(jié)構(gòu)模型

依據(jù)試驗(yàn)中假人的位置坐標(biāo)，調(diào)整模型中假人的H點(diǎn)坐標(biāo)和假人姿態(tài)。獲取車門內(nèi)板與內(nèi)飾板和B柱內(nèi)板與內(nèi)飾板的初始PSM模型后，將實(shí)車試驗(yàn)中采集到的車門內(nèi)板和B柱內(nèi)板的位移-時(shí)間函數(shù)進(jìn)行PSM scaling計(jì)算。并將座椅與地板同時(shí)賦予座椅Y向加速度波形，完成PSM子結(jié)構(gòu)模型建立。座椅Y向加速度波形見圖2。

圖2 座椅Y向加速度波形

將建好的模型在MADYMO中提交運(yùn)算，并從假人的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和假人的傷害值兩個(gè)方面對(duì)所建模型對(duì)標(biāo)。假人的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)驗(yàn)證要遵循“從下至上”的原則，即先下肢、髖部、腹部和胸部，最后驗(yàn)證頭部運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況［5］。圖3為試驗(yàn)與仿真中假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)比，圖4為試驗(yàn)與仿真中假人各部位傷害響應(yīng)曲線與實(shí)車試驗(yàn)曲線對(duì)比，表1為仿真值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差。

圖3 試驗(yàn)與仿真中各時(shí)刻假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

由圖4和表1可知，仿真中假人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與實(shí)車試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本吻合，假人各部位響應(yīng)曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比后滿足起始時(shí)刻、形狀、峰值、峰值時(shí)刻和脈寬等誤差要求［6］，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差均在15%以內(nèi)，故該模型可用于后續(xù)研究。

1.2 原有約束系統(tǒng)乘員損傷分析

參照中國(guó)汽車技術(shù)研究中心發(fā)布的2015年版C-NCAP管理規(guī)則，原約束系統(tǒng)中假人的頭部、胸部、腹部和髖部的損傷值均低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高性能限值，但胸部壓縮變形量、恥骨力與其高性能限值較為接近，且腹部力數(shù)值大于高性能限值，無(wú)法在評(píng)價(jià)中得到滿分。

圖5為原約束系統(tǒng)中假人髖部加速度、胸部加速度和壓縮量曲線。

表1 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果與仿真值對(duì)比

圖5 原約束系統(tǒng)中假人部分傷害值曲線

由圖5可以看出，在15 ms左右，氣囊與假人胸部發(fā)生接觸，使假人產(chǎn)生較小的Y向加速度，20-50 ms期間氣囊處于排氣過(guò)程，假人的胸部加速度由排氣中的氣囊提供，其數(shù)值處于較低的穩(wěn)定狀態(tài)，50 ms后氣囊達(dá)到體積最小值，假人胸部加速度由車門內(nèi)飾提供，在54 ms左右出現(xiàn)加速度峰值。該峰值數(shù)值較大，判斷氣囊可能發(fā)生擊穿現(xiàn)象［7］。在29 ms左右側(cè)面內(nèi)飾與髖部發(fā)生接觸，髖部產(chǎn)生加速度，此后胸部和髖部加速度數(shù)值逐漸增大，在43 ms左右達(dá)到峰值。

原有氣囊重點(diǎn)保護(hù)乘員胸部，而保護(hù)腹部部分碰撞方向上尺寸不足，且沒有與髖部接觸的部分。假人最先與氣囊接觸的部位是胸部，髖部并未與氣囊或內(nèi)飾接觸而產(chǎn)生加速度，而該時(shí)刻氣囊已造成肋骨的壓縮，故在后續(xù)的侵入過(guò)程中可能造成肋骨壓縮量過(guò)大。

2 多腔室側(cè)面氣囊的設(shè)計(jì)與仿真

文獻(xiàn)［8］中通過(guò)臺(tái)車試驗(yàn)對(duì)側(cè)撞工況下駕駛位乘員損傷因素進(jìn)行量化分析，得出在一定的碰撞速度下，使側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)對(duì)于乘員具有一定的髖部提前量，能有效提高乘員安全等級(jí)的結(jié)論。綜合所研究的側(cè)氣囊出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象，結(jié)合已有研究，決定對(duì)氣囊結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

將新型側(cè)面氣囊設(shè)計(jì)成多腔室結(jié)構(gòu)，氣囊上下分兩腔室，分別對(duì)胸部及其以上部分和腹部及其以下部分進(jìn)行保護(hù)，上腔室又分成靠近乘員側(cè)腔室A與靠近車門內(nèi)飾側(cè)腔室B，兩個(gè)腔室各設(shè)有獨(dú)立的內(nèi)拉帶以控制氣囊碰撞方向上的尺寸。氣囊的3個(gè)腔室互不連通，且各有一個(gè)排氣孔，用于控制氣囊的泄氣率?？刂魄皇褹的氣體流率在較低水平，在碰撞初期令假人接觸到腔室A時(shí)不產(chǎn)生過(guò)大的加速度?？刂魄皇褺的氣體流率與泄氣率，使腔室A與腔室B先后泄氣完成，形成二級(jí)緩沖來(lái)降低肋骨壓縮量，減小加速度。腔室C用于保護(hù)腹部及以下部位。新型氣囊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖6。

圖6 新型氣囊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1 多腔室氣囊設(shè)計(jì)

氣囊的幾何設(shè)計(jì)要保證其X向與Z向長(zhǎng)度滿足ES-Ⅱ假人各部位保護(hù)要求［9］，并用拉帶約束其Y向尺寸在合理范圍內(nèi)。最終確定的氣囊?guī)缀螀?shù)為高度630 mm，寬度315 mm，厚度180 mm，按照尺寸要求在CATIA中進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，見圖7。

圖7 氣囊?guī)缀卧煨驮O(shè)計(jì)

幾何設(shè)計(jì)后將模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為能更好地模擬氣囊展開時(shí)的特性，采用三角形膜單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸選取為10 mm。注意檢查網(wǎng)格質(zhì)量，使其最小尺寸不小于2 mm。劃分網(wǎng)格后將模型導(dǎo)入OASYSPRIMER軟件中進(jìn)行氣囊折疊。氣囊折疊前后如圖8和圖9所示。

圖8 氣囊折疊前

圖9 氣囊折疊后

2.2 多腔室氣囊仿真分析

在MADYMO中進(jìn)行氣囊仿真，使用均勻壓力法模擬氣囊的展開。分別在3個(gè)腔室中各定義一個(gè)氣體發(fā)生器來(lái)模擬多導(dǎo)管充氣方式。氣體發(fā)生器流率采用Tank試驗(yàn)中測(cè)得的氣體質(zhì)量流率曲線。對(duì)氣體質(zhì)量流率函數(shù)曲線添加FUNC_USAGE.2D命令，并使用Y_SCALE定義質(zhì)量流率縮放系數(shù)來(lái)制造不同氣體流率。氣體發(fā)生器質(zhì)量流率和溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)曲線如圖10和圖11所示。

圖10 氣體發(fā)生器質(zhì)量流率

圖11 溫度函數(shù)曲線

原有氣囊與新型氣囊的展開狀況對(duì)比見圖12。

圖12 原有氣囊（左）與新型氣囊（右）展開狀況對(duì)比

利用C-NCAP的規(guī)定指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)新型多腔室氣囊的保護(hù)效果。兩種氣囊模型下假人損傷統(tǒng)計(jì)見表2，與C-NCAP規(guī)定指標(biāo)比對(duì)，各指標(biāo)數(shù)值均低于高性能限值。

表2 不同氣囊模型下假人傷害對(duì)比

從表2可看出，腹部力變化較大，這是因?yàn)橄啾仍袣饽?，多腔室氣囊?duì)腹部進(jìn)行有針對(duì)性的腔室設(shè)計(jì)，從而保障了假人在碰撞過(guò)程中不直接與車門內(nèi)飾接觸，減少了損傷。值得一提的是，頭部傷害指標(biāo)HIC36在使用新型氣囊的情況下減小了11%，因?yàn)樾滦蜌饽以诔叽缟媳ＷC了碰撞方向上的厚度，在不增加胸腹部傷害的同時(shí)起到了將假人向非碰撞側(cè)推離的效果，降低了頭部與氣簾接觸的劇烈程度。綜上所述，可見多腔室氣囊對(duì)側(cè)面碰撞中的乘員具有良好的保護(hù)效果。

3 基于正交試驗(yàn)的多腔室氣囊參數(shù)優(yōu)化

文獻(xiàn)［10］中根據(jù)已有研究提出了側(cè)面碰撞除頭部外的綜合傷害指標(biāo)C：

式中：CRDC為胸部壓縮變形量；VVC為黏性指數(shù)；FAPF為腹部力；FPSPF為恥骨力。C越小，說(shuō)明約束系統(tǒng)對(duì)乘員的保護(hù)效果越好。

參考該綜合傷害指標(biāo)C，基于正交試驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的多腔室氣囊進(jìn)行優(yōu)化［11］，同時(shí)考察頭部傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)HIC36，以保證在優(yōu)化胸腹部傷害的同時(shí)降低對(duì)頭部傷害的影響。

本文中所研究氣囊采用單氣體發(fā)生器多導(dǎo)管的方式控制各腔室的氣體質(zhì)量流率，各腔室均有一個(gè)排氣孔，故選擇各腔室的氣體流率和排氣孔直徑為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行6因素5水平的正交試驗(yàn)，各設(shè)計(jì)變量不同水平的選取和正交試驗(yàn)結(jié)果分別如表3和表4所示。表3中：x1，x2，x3分別為A，B，C 3個(gè)腔室的氣體發(fā)生器質(zhì)量流率縮放系數(shù)；x4，x5，x6分別為A，B，C 3個(gè)腔室的排氣孔直徑。表4中：Ki為各因素取水平i時(shí)傷害指標(biāo)C的均值；R為該因素K值的極差。

表3 設(shè)計(jì)變量參數(shù)水平

由表4可知，氣囊各腔室排氣孔大小對(duì)氣囊保護(hù)效果的影響普遍大于氣體流率的影響。各試驗(yàn)組的頭部傷害值均在高性能限值以下且變化趨勢(shì)不明顯。根據(jù)各平均值選擇參數(shù)最優(yōu)組合為x1＝0.6，x2＝0.8，x3＝0.9，x4＝40 mm，x5＝35mm，x6＝40mm，對(duì)該組合進(jìn)行仿真，統(tǒng)計(jì)原有氣囊和新型氣囊優(yōu)化前后假人傷害值，相關(guān)數(shù)據(jù)見表5。

由表5可知，氣囊優(yōu)化后使假人 CRDC下降14.80%，VVC下降 7.69%，F(xiàn)APF下降 21.51%，F(xiàn)PSPF下降11.62%，綜合傷害指標(biāo)下降14.77%；與原氣囊相比，則 CRDC下降 20.95%，VVC下降20.0%，F(xiàn)APF下降 55.49%，F(xiàn)PSPF下降 18.97%，綜合傷害指標(biāo)下降31.35%，有效增強(qiáng)了多腔室氣囊的保護(hù)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

以國(guó)內(nèi)某款車型為對(duì)象，建立了側(cè)面碰撞PSM子結(jié)構(gòu)模型并完成模型驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)，該車型側(cè)面氣囊在碰撞過(guò)程中發(fā)生擊穿，對(duì)下胸部和腹部保護(hù)效果不佳。為此重新設(shè)計(jì)了一種多腔室側(cè)面氣囊，它具有各腔室氣體流率、泄氣率獨(dú)立控制和對(duì)胸部二級(jí)緩沖的功能。采用正交試驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)氣囊進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，多腔室氣囊對(duì)乘員有良好的保護(hù)效果，參數(shù)優(yōu)化后的氣囊令綜合傷害指標(biāo)比優(yōu)化前下降14.77%，比原氣囊下降31.35%，有效增強(qiáng)了側(cè)面氣囊的保護(hù)效果。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

表5 不同氣囊模型下假人傷害對(duì)比