正面碰撞條件下駕駛員安全氣囊的匹配優(yōu)化*

田鈺楠 郝琪 劉宇 崔宏偉

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院，十堰 442002）

主題詞：正面碰撞 安全氣囊 加權(quán)傷害指標(biāo) 正交試驗(yàn)

1 前言

安全氣囊作為汽車被動(dòng)安全裝置，在車輛發(fā)生碰撞時(shí)能有效減少乘員的損傷。氣囊參數(shù)的匹配對(duì)乘員損傷影響較大，不合理的參數(shù)設(shè)置甚至?xí)觿〕藛T損傷。

在進(jìn)行約束系統(tǒng)匹配試驗(yàn)前，安全氣囊的匹配工作采用仿真模型開展。錢國(guó)強(qiáng)等利用MADYMO 多剛體動(dòng)力學(xué)軟件建立了乘員約束系統(tǒng)仿真模型。曹立波等通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)安全氣囊進(jìn)行優(yōu)化并降低了乘員加權(quán)傷害指標(biāo)（Weighted Injury Criterion，WIC）。胡正才等確定安全氣囊的設(shè)計(jì)因素與水平后采用完全試驗(yàn)法得到多組仿真方案，并選擇了對(duì)乘員損傷最低的一組方案開展設(shè)計(jì)。葛如海利用拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)和多項(xiàng)式響應(yīng)面模型，采用非支配遺傳算法進(jìn)行了氣囊多目標(biāo)優(yōu)化。

大量的研究均針對(duì)傳統(tǒng)車型進(jìn)行匹配研究，而微型電動(dòng)車具有質(zhì)量小、碰撞加速度高的特點(diǎn)，同時(shí)，由于動(dòng)力源布置的差異，碰撞特性與傳統(tǒng)車型存在區(qū)別。本文以已驗(yàn)證過的微型電動(dòng)車正面碰撞B 柱加速度為輸入載荷，建立該車型簡(jiǎn)化乘員約束系統(tǒng)及安全氣囊有限元模型，研究氣囊各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)乘員WIC的影響特性，探討氣囊匹配中參數(shù)調(diào)整的優(yōu)先順序，并利用多項(xiàng)式代理模型技術(shù)優(yōu)化該微型純電動(dòng)汽車最低乘員損傷條件下的氣囊參數(shù)。

2 安全氣囊充氣模型

氣囊充氣展開過程的數(shù)值模擬一般有3種方法，即流固耦合法、粒子法和控制體積法。流固耦合法主要用于研究氣囊在展開過程中的氣囊內(nèi)流場(chǎng)變化細(xì)節(jié)和運(yùn)動(dòng)形態(tài)變化規(guī)律，但其對(duì)建模要求高，計(jì)算成本較高，不易成功。粒子法將氣囊內(nèi)的氣體等效成微粒子，通過粒子的運(yùn)動(dòng)與織布或其他結(jié)構(gòu)碰撞產(chǎn)生壓力使氣囊展開?？刂企w積法基于傳統(tǒng)的均勻壓力數(shù)學(xué)模型，不需建立充氣裝置模型，通過質(zhì)量流量和溫度2 個(gè)參數(shù)模擬充氣裝置特性。在流場(chǎng)影響不大的緩沖過程研究中，可以節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間，但是不能準(zhǔn)確描述氣囊充氣初期的外形及流場(chǎng)的變化。本文主要研究安全氣囊對(duì)正常坐姿乘員損傷的影響，匹配氣囊時(shí)要求氣囊完全展開后乘員與之接觸，對(duì)氣囊展開初期氣流的分布情況不作討論。本文的研究對(duì)象為某微型電動(dòng)車的安全氣囊，其形狀簡(jiǎn)單，為節(jié)約計(jì)算成本，選擇控制體積法為氣囊的充氣模型數(shù)值模擬方法。

氣囊充氣過程中模型內(nèi)部壓力均勻，同時(shí)考慮排氣孔處的泄氣，氣囊內(nèi)氣體質(zhì)量的變化情況為：

利用有限元軟件計(jì)算氣囊逐漸擴(kuò)大的體積：

3 有限元建模與驗(yàn)證

3.1 安全氣囊有限元模型

氣囊直徑660 mm，排氣孔直徑30 mm，拉帶長(zhǎng)度280 mm，均對(duì)稱分布。氣囊預(yù)先設(shè)定折疊線位置，上、下表面間距0.5 mm，四周由網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)連接，并通過關(guān)鍵字*AIRBAG_REFERENCE_GEOMETRY_RDT 設(shè)置氣囊參考幾何。氣囊織物材料為非正交的各向異性材料，采用LSDYNA 中MAT 34 號(hào)材料模擬，安全氣囊的材料基本性能如表1所示。氣囊拉帶用1維彈簧單元模擬，安全氣囊有限元模型如圖1所示。

表1 安全氣囊的材料性能參數(shù)

圖1 安全氣囊有限元模型

氣囊參考幾何的設(shè)置通過DYNA 中關(guān)鍵字*AIR?BAG_REFERENCE_GEOMETRY_RDT 定義。氣囊自接觸使用氣囊卡片*CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SUR?FACE 定義，氣囊織物與車輛部件的接觸使用面面接觸。氣囊充氣采用*AIRBAG_WANG_NEFSKE 控制體積法模擬，同時(shí)，卡片調(diào)用排氣孔編號(hào)模擬排氣孔泄氣。氣體質(zhì)量流曲線如圖2所示。

圖2 質(zhì)量流量曲線

3.2 安全氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 19949.2—2005 中的安全氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)固定安全氣囊，利用高速攝像機(jī)記錄氣囊展開過程。

試驗(yàn)完成后氣袋表面部分無破裂或燃燒，氣囊織物表面無破裂小洞，氣袋撕裂縫處保持完好無損。第0～30 ms氣囊正常展開，第30 ms左右試驗(yàn)與仿真的氣囊模型均完全展開，第30 ms后氣囊逐漸泄氣。圖3所示為30 ms時(shí)刻氣囊展開試驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比。

圖3 30 ms時(shí)刻安全氣囊展開試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

表2對(duì)比了30 ms時(shí)刻氣囊完全展開后仿真與試驗(yàn)的氣囊形狀參數(shù)。氣囊展開參數(shù)與試驗(yàn)誤差在3%以內(nèi)，仿真與試驗(yàn)中氣囊展開形狀和展開尺寸保持一致，驗(yàn)證了安全氣囊有限元模型的可靠性。

表2 30 ms時(shí)刻氣囊參數(shù)對(duì)比

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

乘員損傷值是評(píng)價(jià)乘員約束系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，損傷指標(biāo)涉及假人的頭部、胸部、腿部等多個(gè)部分。本文采用WIC作為對(duì)安全氣囊保護(hù)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)：

式中，為加權(quán)傷害指標(biāo)；為頭部傷害指數(shù)（Head Injury Criteria，HIC），根據(jù)GB 11551—2014，≤1 000；為胸部3 ms合成加速度，要求小于60；為胸部壓縮量，要求不大于75 mm；、分別為左、右大腿軸向壓力，并要求大腿總軸向壓力=+≤20 kN。

將各傷害指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，考慮不同部位損傷的重要程度，按不同權(quán)重建立WIC。WIC 越低，對(duì)假人損傷越小。

3.4 乘員約束系統(tǒng)模型

根據(jù)車輛駕駛室的位置參數(shù)建立簡(jiǎn)化乘員約束系統(tǒng)模型，包括假人、座椅、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、地板等，如圖4 所示。其中安全帶限力值為2 500 N，座椅靠背角為98°，座墊與假人的摩擦因數(shù)為0.5。輸入課題組經(jīng)過驗(yàn)證的整車50 km/h正面碰撞試驗(yàn)的B柱加速度曲線。

圖4 簡(jiǎn)化乘員約束系統(tǒng)模型

由式（3）知，在WIC中頭部損傷占比為60%，所以選取兩模型的乘員頭部加速度進(jìn)行對(duì)比分析，圖5所示為駕駛室約束系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型與整車模型駕駛員頭部加速度曲線。

圖5 頭部加速度曲線對(duì)比

由圖5 可知，2 個(gè)模型乘員頭部加速度曲線整體擬合程度較好。在第0～72 ms，乘員由于慣性向前移動(dòng)，2個(gè)模型加速度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上升曲線吻合較好；第72 ms 左右頭部加速度達(dá)到峰值后逐漸減小，整車結(jié)構(gòu)剛度較簡(jiǎn)化模型大，整車模型加速度峰值略高，簡(jiǎn)化模型中座椅系統(tǒng)的簡(jiǎn)化等因素使得最該峰值時(shí)間略有提前。表3所示為頭、胸部評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比。

表3 頭、胸部評(píng)價(jià)指標(biāo)

由表3可知，2個(gè)模型頭部傷害指數(shù)和胸部3 ms合成加速度誤差均為約5%，胸部壓縮量誤差為10.21%，誤差在可接受范圍內(nèi)，同時(shí)驗(yàn)證了簡(jiǎn)化乘員約束系統(tǒng)模型有效。

4 氣囊參數(shù)對(duì)乘員損傷的影響分析

4.1 設(shè)計(jì)變量范圍及邊界條件

選取氣囊氣體質(zhì)量流量縮放率、點(diǎn)火時(shí)刻、拉帶長(zhǎng)度、氣囊體積、排氣孔位置、排氣孔直徑、氣囊折疊類型為安全氣囊設(shè)計(jì)變量。由于氣囊設(shè)計(jì)變量數(shù)量較多，為尋找主要影響因素，需研究氣囊各參數(shù)對(duì)乘員損傷影響的靈敏度。設(shè)計(jì)參數(shù)涉及時(shí)間、長(zhǎng)度、位置等，各變量邊界范圍的選擇難以用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)確定。為控制變量在合理的范圍內(nèi)，本文以頭部和胸部為設(shè)計(jì)變量邊界評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，即頭部與轉(zhuǎn)向盤不發(fā)生硬性接觸、<1 000、<60為各變量的邊界條件。除氣囊折疊類型、排氣孔位置外，其余每個(gè)設(shè)計(jì)變量在變化范圍內(nèi)通過插值方法選擇10組變量進(jìn)行分析。

針對(duì)氣囊折疊類型的選擇，確定6種折疊類型，前5組為層狀折疊，左右及上下折疊次數(shù)不同，第6 組為卷繞折疊。排氣孔位置共6組，如圖6所示。表4所示為其余設(shè)計(jì)變量的變化范圍。

圖6 排氣孔位置

表4 變量的取值范圍

4.2 結(jié)果分析

圖7 所示為各設(shè)計(jì)變量對(duì)WIC 的影響。由圖7 可知，各設(shè)計(jì)變量對(duì)WIC的影響在第1～5組中變化平穩(wěn)，第6～10組除安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻、排氣孔直徑和質(zhì)量流量縮放率外，其余設(shè)計(jì)變量的WIC均分布在0.6～0.7范圍內(nèi)，變化較為平緩。其中拉帶長(zhǎng)度、氣囊折疊類型和氣囊體積影響相對(duì)平穩(wěn)，可以在氣囊匹配初期初步確定這3個(gè)參數(shù)，通過調(diào)整主要影響參數(shù)進(jìn)行氣囊匹配。排氣孔位置相對(duì)其余3個(gè)主要影響參數(shù)，整體調(diào)整空間有限，WIC在0.61～0.68之間變化，可作為后期微調(diào)的匹配變量。綜上，拉帶長(zhǎng)度、氣囊體積、排氣孔位置、折疊類型對(duì)乘員WIC的影響較小，所以選取安全氣囊的點(diǎn)火時(shí)刻、排氣孔直徑和質(zhì)量流量縮放率3個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化分析。

圖7 設(shè)計(jì)變量對(duì)WIC的影響

5 安全氣囊優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 正交試驗(yàn)

選取點(diǎn)火時(shí)刻、排氣孔直徑和質(zhì)量流量縮放率為因素，在滿足邊界條件的范圍內(nèi)選取水平數(shù)為7，進(jìn)行正交試驗(yàn)，如表5 所示。以WIC 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)生成49 組仿真方案，對(duì)應(yīng)正交表的WIC 計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表5 正交試驗(yàn)因素與水平

表6 正交試驗(yàn)表L49(73)

5.2 極差分析

對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行極差分析得到各影響因素對(duì)乘員WIC、HIC、胸部3 ms合成加速度和胸部壓縮量的影響程度，結(jié)果如表7～表10所示。其中，K(=1,2,…,7)為各因素的第水平對(duì)應(yīng)的各評(píng)價(jià)指標(biāo)之和，為K中最大值與最小值之差，即極差。越大說明該因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度越大。

由表7可以看出，3個(gè)因素對(duì)WIC的影響程度均較大，排序依次為點(diǎn)火時(shí)刻、排氣孔直徑和質(zhì)量流量縮放率，與圖7中曲線趨勢(shì)一致，3個(gè)變量的最大極差與中間極差、最大極差與最小極差比分別為1.36和1.58。由表8～表10可知，對(duì)HIC的影響程度排序依次為排氣孔直徑、點(diǎn)火時(shí)刻和質(zhì)量流量縮放率，其中排氣孔直徑和點(diǎn)火時(shí)刻影響較大，同上，3個(gè)參數(shù)的極差比分別為1.01和1.92。對(duì)胸部3 ms合成加速度影響程度的排序依次為排氣孔直徑、質(zhì)量流量縮放率和點(diǎn)火時(shí)刻，以排氣孔直徑影響最為重要，3個(gè)參數(shù)的極差比分別為1.89和3.77。對(duì)胸部壓縮量影響程度的排序依次為點(diǎn)火時(shí)刻、質(zhì)量流量縮放率和排氣孔直徑，以點(diǎn)火時(shí)刻和質(zhì)量流量縮放率對(duì)胸部壓縮量影響為主，3個(gè)參數(shù)的極差比分別為1.02和3.97。

表7 WIC極差分析結(jié)果

表8 HIC極差分析

表9 胸部3 ms合成加速度極差分析

表10 胸部壓縮量極差分析

通過極差分析可知，在進(jìn)行安全氣囊初期匹配時(shí)，點(diǎn)火時(shí)刻為最關(guān)鍵的參數(shù)，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)影響均較大，氣囊匹配設(shè)計(jì)時(shí)需首先考慮點(diǎn)火時(shí)刻。在安全氣囊對(duì)乘員局部某單一損傷特性進(jìn)行匹配時(shí)，可考慮改變單一參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性高效匹配，其中排氣孔直徑主要影響乘員HIC，質(zhì)量流量縮放率主要影響乘員胸部壓縮量。綜上所述，當(dāng)需單獨(dú)降低HIC 時(shí)可首先調(diào)整排氣孔直徑，當(dāng)需單獨(dú)降低乘員胸部壓縮量時(shí)可首先調(diào)整質(zhì)量流量縮放率達(dá)到匹配要求。

5.3 基于多項(xiàng)式代理模型的安全氣囊參數(shù)優(yōu)化

為優(yōu)化該車型安全氣囊設(shè)計(jì)參數(shù)，綜合考慮3個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)乘員損傷的影響，在Minitab 軟件中構(gòu)造設(shè)計(jì)變量與乘員損傷指標(biāo)的多項(xiàng)式代理模型。通過49組正交試驗(yàn)仿真結(jié)果構(gòu)造點(diǎn)火時(shí)刻、排氣孔直徑和質(zhì)量流量縮放率與WIC的三階非線性關(guān)系表達(dá)式：

式中，為點(diǎn)火時(shí)刻；排氣孔直徑；質(zhì)量流量縮放率。

式（4）的決定性系數(shù)=97.59%，滿足精度要求。

在滿足頭部與轉(zhuǎn)向盤不發(fā)生硬性接觸、<1 000、＜60的要求下，在HyperStudy 軟件中基于全局響應(yīng)面法（Adaptive Response Surface Method，ARSM）的優(yōu)化算法對(duì)式（4）進(jìn)行求解，得到最優(yōu)解：點(diǎn)火時(shí)刻為12 ms、排氣孔直徑為35 mm、質(zhì)量流量縮放率為1，進(jìn)而求得WIC為0.51，達(dá)到較好優(yōu)化效果。為進(jìn)一步驗(yàn)證代理模型的可靠性，將優(yōu)化解代入簡(jiǎn)化模型與整車模型中直接求解WIC，結(jié)果分別為0.49 和0.57，與代理模型的誤差分別為4.28%和10.50%，滿足精度要求。表11所示為整車模型優(yōu)化前、后乘員損傷對(duì)比。

表11 整車模型乘員損傷對(duì)比

由表11可知，優(yōu)化后WIC降低了14.92%。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了安全氣囊及乘員約束系統(tǒng)有限元模型，并利用靜態(tài)展開試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性，通過控制單變量方式，研究安全氣囊各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)WIC的影響，確定氣囊點(diǎn)火時(shí)刻、排氣孔直徑、質(zhì)量流量縮放率為對(duì)WIC影響較大的3個(gè)變量。通過正交試驗(yàn)中HIC、胸部3 ms合成加速度和胸部壓縮量對(duì)WIC影響的極差分析得到安全氣囊參數(shù)對(duì)乘員各部位及綜合損傷影響的重要程度。在此基礎(chǔ)上，對(duì)安全氣囊初期參數(shù)匹配及后期乘員某一局部損傷指標(biāo)細(xì)節(jié)調(diào)整值給出建議，為提高氣囊匹配效率提供了一定的理論依據(jù)。建立了WIC與氣囊3個(gè)主要設(shè)計(jì)變量的3階非線性代理模型，通過代理模型和仿真模型的計(jì)算結(jié)果雙向驗(yàn)證了優(yōu)化代理模型精度的可靠性。最終優(yōu)化后WIC下降14.92%，乘員保護(hù)效果明顯提高。