膝部安全氣囊仿真與優(yōu)化

欒海，田國紅，程海東

1.遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧錦州 121000；2.嵐圖汽車科技有限公司，湖北武漢 430051

0 引言

對于乘員下肢的損傷，71%發(fā)生在汽車前碰撞事故中[1]，下肢損傷會(huì)導(dǎo)致生理機(jī)能喪失甚至殘疾，給受傷人員帶來長期的身心傷害以及沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，因此引起人們越來越多的重視。膝部安全氣囊(knee air bag，KAB)可以分散集中撞擊力，減少骨折情況發(fā)生，從而降低膝部傷害風(fēng)險(xiǎn)。

20世紀(jì)70年代，荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織(TNO)開發(fā)了多剛體動(dòng)力學(xué)分析軟件MADYMO，擁有機(jī)械假人數(shù)學(xué)模型，提供安全帶及安全氣囊的模擬[2]，目前大多應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真軟件MADYMO搭建乘員約束系統(tǒng)模型，探究膝部安全氣囊對下肢的影響。李麗等[3]利用MADYMO軟件搭建車體-膝部安全氣囊模型，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對其進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的膝部安全氣囊降低了乘員加權(quán)傷害指標(biāo)。王含玉等[4]在MADYMO軟件搭建客車膝部安全氣囊正面碰撞約束系統(tǒng)模型，采用多目標(biāo)遺傳算法對其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，研究表明，膝部安全氣囊不僅能對大腿起到較好的保護(hù)效果，而且能減小頭、胸部損傷值。

上述文獻(xiàn)在進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)選取時(shí)，是根據(jù)膝部安全氣囊的特點(diǎn)和實(shí)際情況，并沒有進(jìn)行靈敏度分析，可能導(dǎo)致膝部安全氣囊優(yōu)化效果無法達(dá)到最佳，且在對乘員腿部受力分析時(shí)，只有對大腿所受合力的分析，沒有對大腿X、Y、Z方向的具體受力分析。本文針對中國新車評價(jià)規(guī)程(C-NCAP)中正面100%重疊剛性壁障碰撞(FRB)的要求，利用CATIA、Hyperworks和MADYMO等軟件建立了駕駛員側(cè)正碰約束系統(tǒng)，對有無膝部安全氣囊正碰約束系統(tǒng)模型各部位受力情況進(jìn)行精細(xì)化分析，結(jié)合實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行靈敏度分析、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和極差分析，然后進(jìn)一步優(yōu)化，探究膝部安全氣囊對乘員頭部和胸部的影響以及對下肢的保護(hù)情況。

1 駕駛員側(cè)正碰約束系統(tǒng)的建模及驗(yàn)證

根據(jù)相關(guān)的仿真理論搭建駕駛員側(cè)正面碰撞約束系統(tǒng)模型，由正碰車體(安全座椅、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、風(fēng)擋玻璃、方向盤、儀表板、護(hù)膝板、地板等車體組成部分)膝部安全氣囊、“混合型”安全帶和正碰假人等組成。C-NCAP中規(guī)定使用HybridⅢ50%假人模型，軟件MADYMO的假人庫中導(dǎo)出的假人模型是經(jīng)過驗(yàn)證后的有效模型，本文進(jìn)行正面碰撞仿真時(shí)選取MADYMO假人庫中的橢球型假人。C-NCAP中還規(guī)定正面100%FRB碰撞工況下模擬試驗(yàn)環(huán)境中車速為50 km/h，因此需給正碰車體模型和假人模型定義50 km/h的初速度[5]。

采用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA設(shè)計(jì)膝部安全氣囊的CAD模型，在前處理軟件Hypermesh中劃分網(wǎng)格，在仿真軟件MADYMO中設(shè)置各參數(shù)，最后對膝部安全氣囊進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[6]。在搭建完成膝部安全氣囊仿真模型之后，通過對仿真模型輸出的動(dòng)畫和隨時(shí)間變化曲線與實(shí)車試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通常認(rèn)為仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果重合度達(dá)到85%以上為有效[7]。膝部安全氣囊有效性驗(yàn)證試驗(yàn)包括氣囊靜態(tài)起爆試驗(yàn)和氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，因此兩種試驗(yàn)理論和方法比較成熟，在此將不詳細(xì)說明。

上述方法是建立帶有膝部安全氣囊的前部碰撞約束系統(tǒng)模型。如果要構(gòu)建沒有膝部安全氣囊的前部碰撞約束系統(tǒng)，只需要去掉上述膝部安全氣囊模型以及膝部安全氣囊加載的約束和邊界條件即可，膝部安全氣囊約束系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 膝部安全氣囊約束系統(tǒng)模型

2 駕駛員側(cè)正碰約束系統(tǒng)的仿真分析

本文研究膝部安全氣囊的初衷是輔助其他被動(dòng)安全裝置來保護(hù)乘員的下肢，由于車輛事故中因頭部和胸部受傷而死亡的人數(shù)較多，且C-NCAP中頭部和胸部的分?jǐn)?shù)占比相對較高，所以另選取了假人的頭部和胸部進(jìn)行研究。圖2為有無KAB的正面碰撞約束系統(tǒng)仿真輸出對比曲線。

由圖2可以看出，發(fā)生正碰時(shí)含有膝部安全氣囊中假人模型腿部初始接觸從原來的護(hù)膝板更改為膝部安全氣囊，這提早了假人腿部發(fā)生接觸的時(shí)間；假人的大腿受力曲線達(dá)到首次峰值時(shí)間提前；假人的大腿力受力值小，且隨時(shí)間變化更為平緩，這是因?yàn)榘l(fā)生碰撞時(shí)膝部安全氣囊在展開的過程中能夠阻攔護(hù)膝板與假人的腿部直接接觸而造成的擠壓，對正面碰撞產(chǎn)生的力進(jìn)行緩沖，從而減小大腿X方向受力；當(dāng)發(fā)生正面碰撞時(shí)，身體由于慣性向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)腿部向前移動(dòng)與展開的膝部安全氣囊發(fā)生接觸，抵擋了碰撞時(shí)產(chǎn)生的部分力，這種緩沖作用會(huì)降低頭部和胸部合成加速度峰值，并且到達(dá)峰值的時(shí)間延緩3 ms左右，膝部安全氣囊所具有的緩沖效果有利于駕駛員側(cè)正面氣囊的充分展開，那么兩者聯(lián)合可為假人提供更佳的保護(hù)效果。

3 乘員約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

通過靈敏度分析，確定了對約束系統(tǒng)影響較大的3個(gè)參數(shù)：膝部安全氣囊的排氣孔直徑比A(優(yōu)化后前比)、起爆時(shí)間B以及質(zhì)量流率比C(優(yōu)化后前比)。對其進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)來優(yōu)化約束系統(tǒng)，選取加權(quán)傷害指標(biāo)[8](weighted injury criterion，WIC)作為試驗(yàn)指標(biāo)。

在正交試驗(yàn)中，如果對每個(gè)因素選擇多水平試驗(yàn)可提高優(yōu)化效果，但增加因素水平數(shù)的同時(shí)會(huì)使試驗(yàn)次數(shù)呈幾何倍數(shù)增長，因此各因素將選取3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，正交試驗(yàn)因素水平見表1。若忽略各因素的交互作用，認(rèn)為各因素對約束系統(tǒng)的影響是獨(dú)立的，也就是說只需9次試驗(yàn)就可體現(xiàn)出33次試驗(yàn)的所有信息[9]，表2為正交試驗(yàn)。選取WIC用來評判約束系統(tǒng)的綜合保護(hù)效果，其數(shù)值越低保護(hù)效果越好。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

表2 正交試驗(yàn)

(1)

在MADYMO軟件中調(diào)整表1和表2中對含有膝部安全氣囊的正碰約束系模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，為確定各因素最佳水平，選擇各因素之間的最佳水平組合，有必要對含有膝部安全氣囊的正碰約束系統(tǒng)模型正交試驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行極差分析，詳見表3。

表3 極差分析

在表3中，Kj表示每次試驗(yàn)各因素在第j個(gè)水平的結(jié)果之和，j取1、2、3，kj代表Kj的均值。將假人的WIC值作為評價(jià)指標(biāo)，其中極差值RA>RC>RB，則這3個(gè)參數(shù)影響假人WIC值的主次順序分別為膝部安全氣囊排氣孔直徑比A、質(zhì)量流率比C、起爆時(shí)間B。將對這3個(gè)參數(shù)不同水平下假人WIC的平均值進(jìn)行比較，確定A2B1C2為最優(yōu)水平組合。為了驗(yàn)證膝部安全氣囊正碰約束系統(tǒng)的優(yōu)化效果，有必要研究所確定的最佳水平組合的假人相關(guān)損傷指數(shù)和假人身體各部分的時(shí)程曲線。

圖3 假人傷害曲線優(yōu)化前后對比

4 結(jié)束語

伴隨著國內(nèi)膝部安全氣囊的普及應(yīng)用，也會(huì)有越來越多對膝部安全氣囊的約束系統(tǒng)的研究。根據(jù)已有的正碰整車模型和膝部安全氣囊的有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，搭建駕駛員側(cè)正面碰撞整車模型、假人和膝部安全氣囊的仿真模型，并通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行模型優(yōu)化。通過輸出曲線可以直接反映出膝部安全氣囊對乘員身體各個(gè)部位尤其是腿部的保護(hù)效果。該研究為膝部安全氣囊對汽車正面碰撞時(shí)乘員安全性的提升提供了科學(xué)依據(jù)。