面向“離位”兒童乘員的常開式安全氣囊優(yōu)化設計*

劉 剛，洪 亮，2，葛如海，3

（1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013；2.好孩子兒童用品有限公司，昆山 215331；3.常熟理工學院汽車工程學院，常熟 215500）

前言

2017 至2019 年，我國小學在校人數(shù)連續(xù)3 年超過1 億人，如此數(shù)量龐大的兒童往返于學校與住所之間，亟需安全性能卓越的載運工具。校車被公認為最安全的兒童運載工具。然而，由于我國道路交通環(huán)境復雜、校車安全法規(guī)不完善等原因，致使校車事故頻發(fā)。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅2010 至2020 年，校車事故共造成173 名兒童乘員死亡，部分事故死亡率高達80%。

2012 年，我國頒布《專用校車安全技術條件》（GB24407—2012），強制性規(guī)定校車配備兩點式安全帶，以保護兒童乘員。但在校車正面碰撞中，兩點式安全帶僅能約束兒童乘員腰腹部的向前移動，無法有效限制兒童乘員頭部、頸部及胸部的運動，導致頭部、頸部等部位撞擊前排座椅靠背，造成嚴重傷害。三點式安全帶對于兒童乘員的保護效果明顯優(yōu)于兩點式安全帶。但在校車高速正面碰撞中，三點式安全帶中的肩帶嚴重擠壓兒童乘員的胸骨與肋骨，致使胸部損傷。

在汽車正面碰撞中，安全氣囊用于避免乘員與內飾件發(fā)生碰撞，在安全氣囊與安全帶的共同保護下，乘員的傷亡率降低61%。文獻［8］研究表明安全氣囊能夠有效避免或減輕乘員的面部傷害。文獻［9］研究指出在多種碰撞工況下，預觸發(fā)式安全氣囊對中等身材駕駛員的保護效果顯著。文獻［10］基于交通事故數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（NASS-CDS）和汽車碰撞傷害數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（CIREN），提出膝部安全氣囊能夠保護乘員的膝關節(jié)，防止膝關節(jié)至髖關節(jié)以及腰部以上的損傷。然而，兒童天性活潑好動，乘坐校車時常呈現(xiàn)多種非正常坐姿（即“離位”坐姿）。此時，安全氣囊的防護效果明顯下降，且安全氣囊的起爆方式大多為點爆式，氣囊在起爆瞬間產生巨大的沖擊力，導致處于“離位”坐姿的兒童乘員（簡稱“離位”兒童乘員）死亡或遭受嚴重傷害。因此，傳統(tǒng)安全氣囊對“離位”兒童乘員的保護效果不佳，甚至造成意外傷亡。

鑒于當前校車保護裝置和傳統(tǒng)安全氣囊的不足之處，文獻［14］中提出一種常開式安全氣囊，該氣囊安裝于前排座椅靠背的后表面，無瞬間點爆過程。在校車正常行駛中，常開式安全氣囊已完成充氣，呈膨脹狀態(tài)；當校車發(fā)生碰撞時，常開式安全氣囊保護兒童乘員的頭部、胸部以及腿部等部位。之前，常開式安全氣囊對兒童乘員保護功效的研究較少，主要基于通用兒童損傷閾值和正常兒童坐姿，開展常開式安全氣囊的優(yōu)化設計。然而，兒童處于快速生長發(fā)育階段，不同年齡兒童的人體尺寸與解剖結構差異明顯，導致各年齡兒童的損傷閾值區(qū)別較大，通用兒童損傷閾值無法衡量不同年齡兒童的損傷程度。兒童乘坐校車時，常呈現(xiàn)多種“離位”坐姿，正常坐姿工況難以全面厘清常開式安全氣囊的保護功效。因此，本文針對之前相關研究的局限性，基于12 歲兒童的損傷閾值，開展多種兒童坐姿下常開式安全氣囊的優(yōu)化設計，探究常開式安全氣囊對“離位”兒童乘員的保護功效，最終拓展其防護范圍，全面提升兒童安全。

1 12歲兒童損傷閾值的確定

Hybrid Ⅲ型第5 百分位女性假人與我國12 歲兒童的身高、坐高及體質量等人體參數(shù)相似，因此通常選用該型假人研究12 歲兒童的運動狀態(tài)與損傷情況。由于當前法規(guī)未涉及12 歲兒童各部位的損傷閾值，本文基于第50 百分位男性的損傷閾值，以及Hybrid Ⅲ型第50 百分位男性假人、Hybrid Ⅲ型第5 百分位女性假人的尺寸參數(shù)，利用基于量綱分析的比例縮放方法（見式（1）），獲得12歲兒童頭部、胸部與腿部的損傷閾值，如表1所示。

式中：λ、λ、λ、λ、λ、λ、λ、λ分別為尺寸比例系數(shù)、密度比例系數(shù)、彈性模量比例系數(shù)、時間比例系數(shù)、加速度比例系數(shù)、力比例系數(shù)、彎矩比例系數(shù)和頭部傷害指標比例系數(shù)；下標1和下標2分別代表12歲兒童與第50百分位男性的相關參數(shù)。

表1 12歲兒童的損傷閾值

式（1）中，加速度比例系數(shù)與尺寸比例系數(shù)成反比，力比例系數(shù)、彎矩比例系數(shù)與尺寸比例系數(shù)成正比；相比于第50 百分位男性的人體尺寸，12 歲兒童頭部、胸部和腿部的尺寸較小，因此，相對于第50 百分位男性的損傷指標，由加速度比例系數(shù)推導獲得的12 歲兒童的、有所增加；由力比例系數(shù)、彎矩比例系數(shù)推導獲得的12 歲兒童的、、有所下降。參照第50 百分位男性乘員的加權傷害指標，根據(jù)12 歲兒童的損傷閾值，本文提出12 歲兒童乘員的加權傷害指標（weighted injury criteria of 12-year-old child），其表達式如式（2）所示。

式中：、、、、分別為頭部傷害指標、胸部3 ms 合成加速度、胸部壓縮量、左大腿力、右大腿力；角下標T表示各損傷指標的閾值。

2 模型建立與驗證

2.1 校車仿真模型的建立

利用碰撞仿真軟件MADYMO，建立某型校車的兒童約束系統(tǒng)仿真模型（簡稱為“校車仿真模型”），其中包括地板、前后排座椅、Hybrid Ⅲ型第5百分位女性假人及兩點式安全帶等。模型建立的具體步驟為：①建立包含地板剛性模型、前后排座椅有限元模型的車內環(huán)境模型；②調入MADYMO 軟件中自帶的Hybrid Ⅲ型第5 百分位女性假人模型，并將其定位在后排座椅的居中位置，用于模擬12 歲兒童乘員的運動狀態(tài)和損傷情況；③建立包含錨點、帶扣和織帶的兩點式安全帶模型，并對假人模型進行安全帶預定位；④定義假人模型各部位與車內環(huán)境模型、安全帶模型接觸；⑤基于試驗數(shù)據(jù)，定義前后排座椅有限元模型中靠背和坐墊的剛度；⑥將30 km/h速度正面碰撞試驗臺上測得的加速度曲線（如圖1 所示）加載至校車仿真模型中，以模擬真實試驗中假人的運動狀態(tài)和損傷情況。由圖1 可知，碰撞試驗臺測得的加速度曲線的上升沿、峰值、波寬與下降沿均位于國家標準《專用校車座椅系統(tǒng)及其車輛固定件的強度》（GB 24406—2012）規(guī)定的標準通道之內，因而此加速度曲線符合國家標準，能夠再現(xiàn)真實的校車碰撞工況。

圖1 試驗曲線與標準通道

2.2 校車仿真模型的驗證

所建校車仿真模型需經樣車試驗驗證，以確保仿真結果的準確性。樣車試驗中測得的假人頭部、胸部、腿部傷害響應曲線與仿真模型計算獲得的對應傷害響應曲線之間的對比結果如圖2 所示，在碰撞的不同時刻，試驗與仿真中假人運動姿態(tài)的對比結果如圖3 所示。由圖2 和圖3 可知，試驗與仿真得到的假人頭部、胸部、腿部傷害響應曲線的線型、峰值基本吻合，試驗與仿真中假人的運動姿態(tài)基本一致，因此校車仿真模型具備較高的可信度，能夠作為基礎模型開展深入研究。

圖2 試驗與仿真中假人傷害響應曲線的對比

圖3 試驗與仿真中假人運動姿態(tài)的對比

2.3 校車—常開式安全氣囊耦合模型的搭建

采用三維設計軟件CATIA 和網格劃分軟件Hypermesh，構建常開式安全氣囊的網格模型（如圖4 所示），將其導入校車仿真模型中，搭建校車—常開式安全氣囊耦合模型，如圖5 所示。搭建此耦合模型的具體步驟為：①將常開式安全氣囊的網格模型安裝于前排座椅靠背后部；②設定常開式安全氣囊的上部拉帶、中部拉帶、下部拉帶的位置（如圖6所示）以及長度、安裝點高度、氣體質量流率（如圖7所示）、泄氣閥的開啟壓力與開度、材料屬性（彈性模量為2.5×10Pa，泊松比為0.3，密度為750 kg/m）等參數(shù)；③設置氣壓、溫度等外界環(huán)境參數(shù)；④配置時間開關，以防止常開式安全氣囊預充氣過程中泄氣閥的誤作用；⑤定義假人頭部、頸部、胸部、腹部、髖部、腿部與常開式安全氣囊的接觸，以及前排座椅靠背與常開式安全氣囊的接觸。

圖4 常開式安全氣囊的網格模型

圖5 校車—常開式安全氣囊耦合模型

圖6 氣囊拉帶的位置示意圖

圖7 氣體質量流率曲線

3 常開式安全氣囊的優(yōu)化設計

3.1 兒童“離位”坐姿的選取

文獻［22］中通過測量多名第5 百分位女性長時間乘坐客車時，其頸部與軀干的夾角，以及髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)的角度，獲知第5 百分位女性常以躺臥坐姿乘坐客車。由于Hybrid Ⅲ型第5 百分位女性假人與第5百分位女性的人體尺寸基本相同，第5百分位女性的坐姿能夠代表我國12 歲兒童乘員的坐姿。文獻［23］中指出乘員為獲得良好的舒適性，常以右傾坐姿乘坐汽車。因此本文選取躺臥坐姿和右傾坐姿作為12 歲兒童乘員的典型“離位”坐姿，展開不同兒童坐姿下常開式安全氣囊的優(yōu)化設計。

基于校車仿真模型中12 歲兒童乘員的正常坐姿（NP），調整12 歲兒童乘員頸部與軀干的夾角，髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)的角度以及側傾角，如圖8 和表2 所示，以獲得躺臥坐姿（OOP）和右傾坐姿（OOP），如圖9所示。

圖8 相關角度的示意圖

表2 3種坐姿對應的相關角度

圖9 3種兒童坐姿

3.2 3種坐姿下兒童乘員損傷程度的探析

當12歲兒童乘員處于正常坐姿（NP）、躺臥坐姿（OOP）和右傾坐姿（OOP）時，常開式安全氣囊對12歲兒童乘員頭部的傷害指標、胸部3ms 合成加速度、胸部壓縮量、左與右大腿力與和加權傷害指標的影響如表3所示。由表3可知，對于，OOP＞OOP＞NP；對于，OOP最大，NP 和OOP相似；對于和，NP 和OOP較 大，OOP較??；對于，OOP最大，NP和OOP相似；3種坐姿下，變化不大。

表3 3種坐姿下12歲兒童乘員的損傷情況

在OOP下最大的原因是正面碰撞前，頭部與常開式安全氣囊相距最遠，在碰撞過程中，頭部向前運動的速度逐漸變大，致使頭部與常開式安全氣囊接觸時，頭部動能較大，導致常開式安全氣囊難以快速吸收頭部動能；相反，在NP 下頭部與常開式安全氣囊相距最近，因而最?。幌啾扔贜P，OOP下頭部與常開式安全氣囊的接觸位置偏右，由于氣囊橫向表面存在一定曲率，致使頭部側向加速度增大（如圖10 所示），同時相對于氣囊中央，氣囊右側的氣體較少，泄氣量較小，最終導致較大。同理，在OOP下最大。相較于頭部，胸部與常開式安全氣囊的接觸面積較大，因而在NP、OOP下，相似。相比于OOP，NP、OOP時膝部與前排座椅靠背相距較遠，導致碰撞過程中，腿部向前運動產生的動能較大，且前排座椅靠背約束左、右大腿運動的時刻較晚，最終致使在NP、OOP下的和較大。

圖10 NP、OOP2下頭部側向加速度的對比

3.3 優(yōu)化因素的確立

常開式安全氣囊的上部、中部、下部拉帶的長度決定其外形特征；安裝點高度決定兒童乘員與氣囊的接觸位置；泄氣閥的開啟壓力與開度影響氣囊的泄氣特性。因此，選取上部拉帶長度、中部拉帶長度、下部拉帶長度、安裝點高度、泄氣閥開啟壓力以及泄氣閥開度作為靈敏度分析參數(shù)，確定優(yōu)化因素。以正常坐姿（NP）、躺臥坐姿（OOP）和右傾坐姿（OOP）3 種坐姿下，上述6 個設計參數(shù)對應的變化率之和的均值為基準，開展靈敏度分析，各設計參數(shù)的取值如表4 所示，靈敏度分析結果如圖11所示。

表4 設計參數(shù)及其取值

圖11 靈敏度分析結果

由圖11可知，泄氣閥開度對12歲兒童乘員損傷的影響最為顯著，其后依次為泄氣閥開啟壓力、安裝點高度、中部拉帶長度、上部拉帶長度、下部拉帶長度。因此，確立泄氣閥開度、泄氣閥開啟壓力、安裝點高度、中部拉帶長度作為優(yōu)化因素。

各優(yōu)化因素的取值范圍如下：

①中部拉帶長度（）：0.26～0.32 m；

②安裝點高度（）：0.345 0～0.410 0 m；

③泄氣閥開啟壓力（）：1.16×10～1.34×10Pa；

④泄氣閥開度（）：80%～200%。

3.4 響應面代理模型的構建與驗證

基于最優(yōu)拉丁超立方試驗設計方法，面向12歲兒童乘員的3 種坐姿，分別生成30 次試驗，如表5 所示。以最優(yōu)拉丁超立方試驗結果為依據(jù)，構建NP、OOP、OOP下，12 歲兒童乘員的加權傷害指標與各優(yōu)化因素間的響應面代理模型，其表達式如下：

表5 最優(yōu)拉丁超立方試驗表

3 個響應面代理模型的相關系數(shù)分別為90.95%、99.33%和94.29%，因而，所構建的響應面代理模型具有較高的擬合精度，能夠較好地代替仿真模型，可用于后續(xù)優(yōu)化研究。

3.5 基于改進型NSGA-Ⅱ算法的優(yōu)化研究

基于改進型NSGA-Ⅱ算法，開展3 種兒童坐姿下，常開式安全氣囊的優(yōu)化設計，其步驟如下：

步驟1：確定常開式安全氣囊優(yōu)化問題，選取中部拉帶長度、安裝點高度、泄氣閥開啟壓力和泄氣閥開度作為種群的個體。

步驟2：設定改進型NSGA-Ⅱ算法的參數(shù)，包括最大進化代數(shù)、交叉概率、變異概率和最優(yōu)前端個體系數(shù)等，其中編碼采用實數(shù)編碼，選擇操作采用競標賽法，交叉操作采用模擬二進制交叉，如式（6）和式（7）所示，變異操作采用多項式變異，如式（8）和式（9）所示。

步驟3：初始化初代種群，種群數(shù)目為，第代種群P通過選擇、交叉和變異等遺傳操作，產生子代種群Q，與其父代種群合并獲得種群R，種群數(shù)目為2。

步驟4：根據(jù)非支配排序生成多個前端，…，F，基于設定的最優(yōu)前端個體系數(shù)，確定最優(yōu)前端的個體保留數(shù)目，其他前端的個體保留數(shù)目則由式（10）確定。

步驟5：若所有前端的個體保留數(shù)目低于種群數(shù)目，則由前端F開始，以一個增量比例，擴大前端的個體保留數(shù)目，直至總個體保留數(shù)目大于等于。

步驟6：若所有前端的個體保留數(shù)目高于種群數(shù)目，則基于非支配排序和擁擠度，精簡個體保留數(shù)目，直至總個體保留數(shù)目等于。

步驟7：修剪后P的種群數(shù)目為，若進化代數(shù)未達到最大進化代數(shù)，則返回步驟3。

步驟8：獲取最后一個種群的最優(yōu)前端個體保留數(shù)目作為Pareto解集。

步驟9：根據(jù)多個優(yōu)化目標的優(yōu)先級，篩選Pareto解集，得到優(yōu)化問題的最優(yōu)解。

其中

式中：和為父代個體；和為子代個體；為分布指數(shù)；u為隨機數(shù)。

其中

式中：x(+1)和x()分別為父代和子代個體；為分布指數(shù)；u∈［0，1］。

式中：為前端個體保留數(shù)目；為控制前端個體保留數(shù)目的比例系數(shù)；ceil 為取整函數(shù)；為非支配排序后的前端總數(shù)。

基于改進型NSGA-Ⅱ算法的常開式安全氣囊的優(yōu)化流程如圖12 所示。常開式安全氣囊的優(yōu)化問題見式（11）。

圖12 常開式安全氣囊的優(yōu)化流程

對于3 種兒童坐姿，OOP下12 歲兒童乘員的加權傷害指標最高，OOP下12歲兒童乘員的加權傷害指標次之。因此，在優(yōu)化過程中，本文決選OOP下的加權傷害指標為最高級，OOP下的加權傷害指標為次高級，同時兼顧NP。最終篩選出各優(yōu)化因素的最優(yōu)值，實現(xiàn)常開式安全氣囊的優(yōu)化設計。優(yōu)化因素的初始值與最優(yōu)值的對比如表6所示。

表6 優(yōu)化因素的初始值與最優(yōu)值

優(yōu)化后的常開式安全氣囊與兩點式安全帶共同約束和協(xié)調兒童乘員頭部、胸部以及腿部等部位的運動，一方面充分緩沖兒童乘員的前沖能量，另一方面防止兒童乘員與前排座椅發(fā)生碰撞，實現(xiàn)3 種兒童坐姿下，12 歲兒童乘員的頭部、胸部損傷程度和加權傷害指標顯著下降。相對于原工況，優(yōu)化前后兒童乘員損傷指標和傷害響應曲線的變化情況如表7和圖13～圖15所示。

圖13 兒童乘員傷害響應曲線的變化情況（NP）

圖14 兒童乘員傷害響應曲線的變化情況（OOP1）

圖15 兒童乘員傷害響應曲線的變化情況（OOP2）

原工況時無常開式安全氣囊約束兒童乘員胸部的運動，然而優(yōu)化后，常開式安全氣囊約束兒童乘員胸部的運動，從而擠壓兒童乘員胸部，最終導致3 種兒童坐姿下，相對于原工況，優(yōu)化后兒童乘員的值有所上升，但均遠小于閾值51.5 mm。在OOP下，相對于原工況，優(yōu)化后兒童乘員的有所增加，但遠低于閾值69.6。增加的原因是：（1）在原工況下，頭部撞擊前排座椅靠背后部，但胸部未接觸前排座椅靠背后部，如圖3（f）所示；（2）在OOP下，正面碰撞前，兒童乘員的胸部與常開式安全氣囊相距較遠，在碰撞過程中，胸部向前運動的速度逐漸增大，致使胸部與常開式安全氣囊接觸時，胸部動能較大，導致常開式安全氣囊無法有效吸收胸部動能，因而增加。然而，在NP、OOP下，由于胸部與氣囊距離較近，常開式安全氣囊能夠有效吸收胸部動能，因而相對于原工況，優(yōu)化后兒童乘員的明顯降低。

表7 兒童乘員損傷指標的變化情況

為進一步研究優(yōu)化后常開式安全氣囊的保護功效，對比三點式安全帶和常開式安全氣囊防護下，12歲兒童乘員損傷指標的變化情況，如表8 所示。相比于三點式安全帶，常開式安全氣囊優(yōu)化后，在NP和OOP下，兒童乘員的頭部、胸部、腿部傷害指標顯著下降；在OOP下，和有所降低，、有所上升，但和分別遠低于閾值779.2和69.6。在OOP下，和有所上升的原因是：（1）在三點式安全帶的防護下，兒童乘員的頭部未與任何物體相接觸；由于兒童乘員的上軀干后傾，正面碰撞初期，兒童乘員上軀干的重力勢能能夠抵消上軀干向前轉動形成的部分動能，加之三點式安全帶中的肩帶始終約束上軀干，最終有效降低頭胸的動能及損傷。（2）相比于NP和OOP，在OOP下，正面碰撞前兒童乘員的頭部、胸部相對常開式安全氣囊距離最遠；碰撞中，在頭胸與常開式安全氣囊接觸前頭胸未受到任何約束，導致頭胸的運動速度逐漸增大，接觸時頭胸的動能已較大，因而常開式安全氣囊無法顯著降低頭胸損傷?？傮w而言，常開式安全氣囊在NP和OOP工況下的防護效果優(yōu)于三點式安全帶。不同于傳統(tǒng)安全氣囊，常開式安全氣囊能夠重復使用，使用成本較低。

表8 三點式安全帶與常開式安全氣囊的保護功效對比

4 結論

確立12 歲兒童頭部、胸部和腿部的損傷閾值，提出12歲兒童乘員的加權傷害指標，為提升12歲兒童乘員的乘車安全性確立基礎條件和研究目標。

選擇躺臥坐姿和右傾坐姿作為12 歲兒童乘員的典型“離位”坐姿，面向12 歲兒童乘員的正常坐姿、躺臥坐姿和右傾坐姿，厘清校車正面碰撞中，常開式安全氣囊對頭部傷害指標、胸部3ms 合成加速度、胸部壓縮量、左與右大腿力與和加權傷害指標的影響規(guī)律。經靈敏度分析表明：泄氣閥開度對12 歲兒童乘員損傷的影響最為顯著，其后依次為泄氣閥開啟壓力、安裝點高度、中部拉帶長度、上部拉帶長度和下部拉帶長度。以此作為依據(jù)開展3 種兒童坐姿下常開式安全氣囊的優(yōu)化研究。

獲得正常坐姿、躺臥坐姿和右傾坐姿下12 歲兒童乘員的加權傷害指標與泄氣閥開度、泄氣閥開啟壓力、安裝點高度以及中部拉帶長度之間的響應面代理模型，利用改進型NSGA-Ⅱ算法對響應面代理模型進行優(yōu)化求解，權衡確定常開式安全氣囊主要設計參數(shù)的最優(yōu)配置：泄氣閥開度為1.997 3、泄氣閥開啟壓力為1.1628×10Pa、安裝點高度為0.362 8 m、中部拉帶長度為0.315 2 m。此時，3 種兒童坐姿下常開式安全氣囊能夠最大限度地降低12 歲兒童乘員的損傷風險。上述結論有助于提升校車安全性，同時為新型兒童約束裝置的研發(fā)提供理論依據(jù)和工程參考。