基于正交試驗(yàn)的座椅靠背氣囊對乘員保護(hù)的優(yōu)化

許震，任傳波，馬克輝，張永國，周鵬程，陳雅潔

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255049)

世界衛(wèi)生組織《道路安全全球現(xiàn)狀報告2018》指出，道路交通死亡人數(shù)繼續(xù)攀升，每年死亡135萬人。至今全球已有4 000多萬人死于車禍，平均每25 s有一人因交通事故死亡，每1 s就有1人因交通事故受傷，在諸多的交通事故中，正面碰撞所占比例高達(dá)49%，且后排乘員的損傷所占傷亡比例較大；因此，研究正面碰撞事故中后排乘員的安全問題十分必要。假人模型對于仿真碰撞測試尤為重要，魏玉釗等[1]以LSTC公司所公開的50百分位Hybrid Ⅲ男性假人為基礎(chǔ)，對假人手部進(jìn)行改進(jìn)，建立了假人雙手模型，并對正碰時有無抓握扶手的傷害進(jìn)行了比對分析。在C-NCAP的3項(xiàng)碰撞測試中，后排乘員在100%正面碰撞和40%偏置碰撞中失分較多，為提高后排乘員得分，盧翠等[2]提出添加頭部氣囊的優(yōu)化方案。

針對碰撞事故中后排乘員的保護(hù)，國內(nèi)外許多學(xué)者做了大量的研究工作：Durbin等[3]對后排乘員相對于前排乘員的安全性進(jìn)行了比對分析，結(jié)合最新年度中不同車型所提供的數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)后排乘員損傷風(fēng)險較高且前后排座椅的安全性發(fā)展速度不同。Parenteau等[4]對未系安全帶的后座乘員在正面碰撞中對前座乘員造成傷害的風(fēng)險進(jìn)行了研究。曾慶國等[5]基于美國FMVSS 213法規(guī)和歐洲ECE R44法規(guī)的要求，使用正交設(shè)計對兒童約束系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并得到了最佳優(yōu)化方案。胡遠(yuǎn)志等[6]從安全帶限力等級、預(yù)緊器和安全帶固定點(diǎn)三方面進(jìn)行了優(yōu)化，不同程度地降低了后排女性假人的傷害指標(biāo)。張海洋等[7]采用粒子群優(yōu)化(PSO)算法對支持向量回歸(SVR)模型參數(shù)和核函數(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,建立了高精度的PSO-SVR近似模型,對乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。李勇等[8]對汽車正面碰撞中駕駛員胸部的損傷影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析。洪亮等[9]研究了前排頭枕氣囊對后排乘員的保護(hù)，但只分析了改變氣體發(fā)生器的質(zhì)量流率對乘員傷害的影響。

本文考慮不同座椅傾角時氣囊的位置，適當(dāng)調(diào)整氣囊放置角度，綜合考慮多個因素對后座乘員的損傷影響，通過仿真分析并使用正交優(yōu)化得到最優(yōu)方案，從而減小乘員損傷。

1 仿真模型的建立

參考某型轎車座椅及后排乘員空間尺寸，使用 LS-PREPOST建立座椅及約束系統(tǒng)的簡化模型。

將50百分位Hybrid Ⅲ男性假人導(dǎo)入到簡化模型中，設(shè)置假人H點(diǎn)坐標(biāo)和各個關(guān)節(jié)處鉸鏈參數(shù)來改變假人坐姿，將假人模型與后排座椅準(zhǔn)確定位后，調(diào)節(jié)安全帶與假人的相對位置，進(jìn)一步完成簡化模型的建立。

結(jié)合駕駛員疲勞機(jī)理與舒適性研究結(jié)果，合理地調(diào)節(jié)駕駛員座椅靠背及坐墊角度。在滿足駕駛安全的條件下，當(dāng)駕駛員座椅靠背為15°時,駕駛員腰椎間盤受力最??；當(dāng)椅面傾角大于7.5°時，腰腹部肌肉激活程度和脊柱內(nèi)受力突然增大，故椅面傾角不應(yīng)過大，不應(yīng)大于7.5°[10]。將駕駛員座椅椅面和后排座椅椅面傾角均設(shè)置為7°，后排座椅靠背傾角設(shè)為恒定的15°，調(diào)整后的簡化模型如圖1所示。

圖1 駕駛員座椅靠背氣囊及后排乘員約束系統(tǒng)簡化模型

在LS-PREPOST中使用關(guān)鍵字定義各個部件的屬性，設(shè)置部件間的接觸和約束，如人與座椅摩擦系數(shù)0.3，仿真時間150 ms等。為了模擬正面碰撞靠背氣囊對乘員的保護(hù)，且考慮到FMVSS 201關(guān)于車內(nèi)乘員保護(hù)法規(guī)即低速碰撞時頭部加速度超過80g的時間不能多于3 ms的要求，分別取車速為30 km/h和50 km/h，對比不同工況時的假人動態(tài)響應(yīng)及損傷值。車輛正碰仿真時B柱下端加速度曲線如圖2所示，將加速度場作用于模型，以X向?yàn)檎?，通過關(guān)鍵字*LOAD_BODY_X將加速度曲線輸入，*LOAD_BODY_Z將設(shè)置好的重力加速度曲線輸入，*LOAD_BODY_PARTS定義加速度場所作用的部件。

圖2 正碰B柱下端加速度曲線

2 有無靠背氣囊的保護(hù)效果對比

當(dāng)汽車在30 km/h低速行駛且無靠背氣囊時,后排乘員頭部損傷指標(biāo)HIC約為275，其頭部和胸部合成加速度曲線如圖3所示。由于低速無氣囊工況下的乘員頭部損傷指標(biāo)符合乘員保護(hù)法規(guī)要求，因此主要對比50 km/h時有無靠背氣囊這一工況。

圖330 km/h無氣囊時乘員頭部與胸部合成加速度曲線

保持后排乘員空間、乘員坐姿、后排座椅角度不變，根據(jù)駕駛員疲勞機(jī)理與舒適性研究結(jié)果，將座椅靠背傾角調(diào)整為15°，針對有無前排靠背氣囊分別進(jìn)行仿真。對仿真得到的乘員頭部質(zhì)心合成加速度峰值、頭部HIC、胸部合成加速度峰值進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表1和圖4、圖5所示。

圖4 50 km/h時乘員頭部質(zhì)心合成加速度曲線

圖5 50 km/h時乘員胸部合成加速度曲線

假人頭部損傷指標(biāo)[11]為

(1)

表1 有無駕駛員座椅靠背氣囊后排乘員損傷對比

由表1和圖4、圖5可知，加裝靠背安全氣囊與普通座椅相比，后排乘員頭部和胸部合成加速度峰值均下降21%以上，因此靠背安全氣囊對后排乘員安全保護(hù)具有良好的效果。假人與氣囊接觸時的動態(tài)響應(yīng)如圖6所示。

圖6 正面碰撞乘員動態(tài)響應(yīng)

3 靈敏度分析

為了準(zhǔn)確篩選對仿真結(jié)果影響較大的因素，采用靈敏度分析的方式來排除不敏感因素。考慮的影響因素如下：

1)為保證假人頭部能夠與氣囊充分接觸，考慮改變靠背氣囊的放置角度。

2)氣囊容積決定氣囊所能容納氣體的體積，而我國車用氣囊的容積小于美國轎車中的氣囊容積，所以以大多數(shù)普通車用安全氣囊容積為參考，考慮改變氣囊容積。

3)乘員與安全氣囊發(fā)生接觸的同時，氣體通過排氣孔泄漏，排氣的過程也即是能量吸收耗散的過程[12]。為了使發(fā)生碰撞時的能量耗散速度合理，將氣囊泄氣孔的面積作為因素之一。

4)在正面碰撞事故中，汽車駕駛員座椅靠背傾角不僅對駕駛員的安全性和舒適性有影響，對后排乘員的傷害也有影響[13]，因此將汽車駕駛員座椅靠背傾角作為因素之一。

分別選取各個因素的參數(shù)最大值與最小值來限定其變化范圍，每次仿真只調(diào)整其中一個因素的參數(shù)，其他參數(shù)保持不變，以初始建立的簡化模型為基礎(chǔ)，將用于靈敏度分析仿真模型中的前排座椅靠背傾角調(diào)整并保持為0°，最后調(diào)整參數(shù)后模擬真實(shí)碰撞事故。本文主要以各因素對頭部損傷指標(biāo)HIC以及加權(quán)傷害準(zhǔn)則WIC的靈敏度為依據(jù)，判斷對乘員損傷值較敏感的因素。各因素靈敏度分析試驗(yàn)見表2。各因素對假人損傷值的靈敏度分析如圖7所示。靈敏度計算公式[14]如下：

圖7 各因素靈敏度分析

(2)

表2 靈敏度分析試驗(yàn)

由圖7可知，氣囊放置角度對乘員的這兩項(xiàng)損傷指標(biāo)最為敏感，駕駛員靠背傾角和氣囊泄氣孔的面積對這兩項(xiàng)損傷指標(biāo)也較為敏感。氣囊泄氣孔面積的靈敏度為負(fù)值，說明當(dāng)泄氣孔面積增大到一定的數(shù)值時，相比于原始傷害指標(biāo)，后排乘員損傷程度有所下降。雖然調(diào)整氣囊容積后的損傷值靈敏度也為負(fù)值，傷害數(shù)值也有降低的趨勢，但其與其他因素相比對后排假人的損傷值并不敏感。

綜上所述，在考慮以各因素對頭部損傷指標(biāo)HIC以及加權(quán)傷害準(zhǔn)則WIC的靈敏度為依據(jù)后，選擇氣囊泄氣孔面積、氣囊放置角度、前排座椅靠背傾角作為進(jìn)一步優(yōu)化的因素。

4 正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計

在日常的仿真試驗(yàn)中，對結(jié)果影響較大的因素往往有多個，對于不同的試驗(yàn)，成本也截然不同。如果采用全面試驗(yàn)，將每個因素的每個水平之間都相互搭配，不僅會耗費(fèi)大量的時間，也會使試驗(yàn)成本直線上升。本文采用正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計方法合理地安排多個因素并進(jìn)行分析，選出具有代表性的少數(shù)試驗(yàn)方案并推出較優(yōu)方案，在科學(xué)的方案分配基礎(chǔ)上得到盡可能多的信息。

經(jīng)過靈敏度分析后得出的3個因素分別為氣囊泄氣孔面積、氣囊放置角度、前排座椅靠背傾角，將這3個因素作為主要優(yōu)化目標(biāo)，在同時考慮3個因素不同水平的影響時，以加權(quán)傷害準(zhǔn)則WIC為評價標(biāo)準(zhǔn)，推出較優(yōu)的試驗(yàn)方案。WIC為加權(quán)傷害準(zhǔn)則，其計算式為

0.05FLeft+FRight/20，

(3)

式中：HIC36為頭部損傷指標(biāo)；C3ms為胸部3 ms加速度；Ccomp為胸部壓縮量；FLeft、FRight分別為假人左大腿軸向力和右大腿軸向力。聯(lián)邦機(jī)動車安全法規(guī)規(guī)定胸部3 ms合成加速度不能高于60g[15]。

采用三因素四水平正交試驗(yàn)設(shè)計，即選取3個因素，每個因素對應(yīng)4個水平數(shù)，根據(jù)因素對乘員損傷影響分析以及參數(shù)靈敏度分析，確定因素水平數(shù)的具體取值范圍以及各水平的數(shù)值。各因素水平數(shù)分配見表3，表3中因素A為氣囊放置角度，由于氣囊放置在前排座椅靠背中，考慮到座椅靠背內(nèi)部空間以及氣囊能夠有效彈出，故分別選取水平為0°、-5°、-10°、-15°；因素B為駕駛員座椅靠背傾角，結(jié)合其對后排乘員損傷的影響，避免因座椅靠背傾角過大而產(chǎn)生負(fù)面保護(hù)效果，故分別選取水平為5°、10°、15°、20°；因素C為氣囊泄氣孔的面積，在其初始設(shè)置值的基礎(chǔ)上，分別設(shè)定水平數(shù)1 500 mm2、2 000 mm2、2 500 mm2、3 000 mm2。

表3 因素水平數(shù)分配表

若采用全面試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)次數(shù)為64次，需要耗費(fèi)較多時間。因此采用正交試驗(yàn)設(shè)計，選用L16(43)等水平正交表，只需按照既定的試驗(yàn)分配方案進(jìn)行16次仿真試驗(yàn)。等水平正交表中每列的因素水平數(shù)出現(xiàn)次數(shù)相同且任意列之間在同一行的水平搭配次數(shù)相同，保證了試驗(yàn)的正交性，即在試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)試驗(yàn)點(diǎn)分布均勻，正交試驗(yàn)表及試驗(yàn)結(jié)果見表4。由于需要進(jìn)一步分清各試驗(yàn)因素的重要性以及最優(yōu)方案，基于各因素水平對應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，采用極差分析法求解極差，確定因素的主次關(guān)系，推出最優(yōu)組合。極差分析的計算式為

(4)

式中：R為極差；Ki為任意列的水平數(shù)為i時所對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果的累加和；ki為任一列不同水平數(shù)對應(yīng)的結(jié)果累加和的平均值；s為每一列中各個水平數(shù)分配的次數(shù)。

由公式(4)可知,極差可通過各列水平數(shù)對應(yīng)的最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)累加和的最大最小值相減得到，極差越大說明因素對于乘員損傷指標(biāo)的影響越重要。以加權(quán)傷害準(zhǔn)則WIC作為評價依據(jù)，采用極差法的優(yōu)化結(jié)果分析見表5。

根據(jù)表5中計算得出的數(shù)據(jù)可知，3個因素的主次順序依次為因素B、因素A、因素C。ki為表4中任意一列不同水平數(shù)對應(yīng)的加權(quán)傷害準(zhǔn)則的平均值，由ki可知各因素對應(yīng)的優(yōu)水平，ki越小則相應(yīng)的因素水平越好。因素A為氣囊放置角度，其中k2為最小值，即水平2是因素A的優(yōu)水平，使得后排假人的加權(quán)傷害準(zhǔn)則WIC最??；因素B為駕駛員座椅靠背傾斜角度，與因素A相同，由于k2小于其他均值，故水平2是因素B的優(yōu)水平；因素C為氣囊泄氣孔面積，其ki的值呈現(xiàn)遞減的趨勢，說明氣囊泄氣孔的面積與乘員綜合損傷值呈現(xiàn)反比例關(guān)系，則水平4為因素C的優(yōu)水平。

綜上所述，根據(jù)正交優(yōu)化設(shè)計的極差分析，推出最優(yōu)分配方案為A2B2C4，說明當(dāng)氣囊與前排座椅靠背之間的夾角為-5°、座椅靠背傾角為10°、氣囊泄氣孔的面積為3 000 mm2時，前排座椅靠背氣囊對后排乘員安全的保護(hù)效果最好。

由于在正交表中沒有優(yōu)化后的最優(yōu)分配方案，因此重新調(diào)整模型的水平后進(jìn)行仿真試驗(yàn)，將優(yōu)化前后的方案進(jìn)行比對分析，優(yōu)化前的方案為初始設(shè)置，即座椅靠背傾角15°、氣囊放置角0°、氣囊泄氣孔的面積2 500 mm2。優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比見表6。由表6可知，優(yōu)化后的乘員各損傷指標(biāo)均有不同程度的降低，其中頭部HIC下降21.15%，WIC下降20.39%。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計表

表5 采用極差法的優(yōu)化結(jié)果分析

表6 優(yōu)化前后的乘員損傷值對比

5 結(jié)論

通過建立前排座椅靠背安全氣囊及后排乘員約束簡化模型，對比分析了有無保護(hù)后排乘員的頭部氣囊對假人的損傷影響，使用正交優(yōu)化得到最優(yōu)保護(hù)方案，并得出以下結(jié)論：

1)發(fā)生正面碰撞時，與普通座椅相比，在駕駛員座椅靠背中添加安全氣囊可以有效減小后排乘員的損傷；頭部是發(fā)生碰撞時較易受傷的部位，加裝氣囊后頭部損傷指標(biāo)保護(hù)效果提升21%。

2)為了選取合理的角度，保證發(fā)生碰撞時乘員頭部能夠與氣囊充分接觸，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計推出最優(yōu)分配方案。結(jié)果表明，優(yōu)化后乘員頭部損傷指標(biāo)HIC下降21.15%，加權(quán)傷害準(zhǔn)則WIC下降20.39%，對后排乘員的保護(hù)效果提升顯著。

3)為實(shí)現(xiàn)保護(hù)后排乘員的目的，有必要對前排座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，且靠背安全氣囊的其他參數(shù)影響還需進(jìn)一步詳細(xì)研究。