汽车侧面碰撞胸部安全气囊优化研究①

王晶晶， 朱西产， 马志雄， 董学勤， 丰 烨

(1．同济大学汽车学院，上海201804;2．承德石油高等专科学校，河北 承德067000)

0 引言

汽车碰撞安全性是汽车最为重要的整车性能之一．据有关机构调查研究表明，交通事故类型中最多的就是碰撞事故，其中侧面碰撞事故约占事故总数的30%，仅次于正面碰撞，而在造成死亡和重伤的事故中，侧碰事故约占35%[1]．在中国，由于城市道路交通以平面交叉路口为主，侧面碰撞事故发生概率最高[2]．中国的新车安全评估规程(CNCAP)实施后，对于侧面碰撞中乘员保护的要求也提到了一个更高的标准．C－NCAP侧面碰撞评定标准中不仅包含了所有国家强制性标准中所需评定的假人伤害值，还包括3个假人伤害的罚分项[3]．目前，在车辆的侧撞保护中，除了需要优化车身的侧面结构和内饰件，越来越多的车辆采用了侧面安全气囊和侧面气帘来提高乘员侧面保护效果，并希望提高车辆在C－NCAP测试中的星级水平．

本文通过侧面气囊匹配中的零部件试验和台车试验，利用MADYMO仿真软件，对某车型的侧面胸部气囊进行优化改进，在侧面碰撞中有效地降低了假人胸部伤害，提高了该车型侧面碰撞试验中假人胸部的得分．

1 整车碰撞试验结果分析

本文车型在进行企业内部的C－NCAP侧面碰撞标准试验中，胸部压缩量较大，导致假人胸部的得分较低．胸部三根肋骨的压缩变形量如图1所示，由图可知，三根肋骨的变形量相差较大，其中下肋骨变形量最大为32．67mm，远远超过C－NCAP中规定的22mm的高性能限值．因此可以通过对胸部气囊的包形进行优化，减小下肋骨变形量，使上中下三根肋骨的压缩变形量趋于一致，进而提高C－NCAP侧面碰撞试验中假人胸部的得分．

图1 胸部三根肋骨的压缩变形量

2 侧面胸部气囊的优化研究

2．1 胸部气囊静态起爆试验与模型验证

气囊静态起爆试验是气囊模块开发过程中比较常用的一种试验方法，可以用来进行气囊模块性能的考察，并在产品开发过程中对气囊模块进行优化设计．通过静态起爆试验可以查看气囊展开过程、展开时间、气囊起爆充气成功与否、是否有局部压力过大导致织物撕裂的情况等等．如果气囊性能不满足要求，再通过CAE分析对气囊模型进行修改，之后再进行静态起爆试验来验证所进行的改进[4]．

应用MADYMO软件，建立胸部气囊的静态起爆试验仿真模型，胸部气囊的充气过程采用均匀压力法(Uniform Pressure)．观察仿真模型中胸部气囊的展开过程，与试验的展开过程进行对比验证，如图2所示，验证后的模型能够真实反映气囊起爆的物理过程．

图2 胸部气囊静态起爆试验与仿真对比图

图3 胸部气囊动态冲击试验与仿真对比图

2．2 胸部气囊动态冲击试验与模型验证

气囊动态冲击试验的目的是为了进一步对气囊仿真模型展开过程中的内部压力、气囊的泄气性能、对冲击物加速度的影响等进行验证，可通过比较仿真计算与试验测得的冲击物的加速度曲线的一致性来验证仿真模型的正确性．

本文胸部气囊动态冲击试验用一矩形板状冲击块碰撞胸部安全气囊．

应用MADYMO软件，建立胸部气囊的动态冲击试验仿真模型．通过调整气囊的质量流、温度流、排气孔大小等参数，使仿真模型的气囊展开过程与试验的展开过程保持较好的一致性，如图3所示;同时要使仿真模型中冲击块的加速度曲线与试验的加速度曲线保持较好的一致性，如图4所示．

图4 胸部气囊动态冲击试验冲击块加速度与仿真对比图

2．3 侧面碰撞台车仿真模型验证与试验

在MADYMO中建立侧面碰撞的台车试验仿真模型，如图5所示．仿真模型采用MADYMO自带的ES－2多面体Q假人，气囊采用上文经过验证的胸部气囊模型，车体模型已经过验证．

图6所示为台车仿真模型中胸部三根肋骨的压缩变形量与整车侧面碰撞试验中三根肋骨压缩变形量的对比．由图可知，侧面碰撞台车仿真模型与整车试验具有较好的一致性．

图5 侧面碰撞台车仿真模型

图6 胸部压缩变形量的试验与仿真对比图

根据侧面碰撞台车仿真模型，进行侧面碰撞台车基础试验，如图7所示．进一步可对胸部气囊进行优化．

图7 侧面碰撞台车试验

2．4 胸部气囊的优化方案与验证

根据上文所述，假人胸部三根肋骨的变形量不一致，下肋骨变形量过大，说明三根肋骨的受力大小不一样，可通过对胸部气囊的包形进行优化，减小下肋骨变形量，使三根肋骨变形量趋于一致．经分析研究，胸部气囊最佳包形如图8所示，由图可知，优化后胸部气囊的保护范围明显改善．

原胸部气囊泄气孔开在靠近车门的一侧，气囊作用过程中，泄气孔可能会被车身某些部件阻塞，影响气囊泄气，进而降低气囊对车内乘员的保护作用．因此，优化后胸部气囊的泄气孔采用在缝合线处开孔的形式，即泄气孔位置不缝合．

图8 优化前后胸部气囊包形对比

建立优化后胸部气囊的静态起爆仿真模型，查看气囊展开过程、展开时间等，如图9所示．

图9 优化后胸部气囊的静态起爆仿真模型

图10 优化后胸部气囊动态冲击试验与仿真对比图

图11 优化后胸部气囊动态冲击试验冲击块加速度与仿真对比图

进行优化后胸部气囊的动态冲击试验，建立动态冲击试验的仿真模型并验证仿真模型的正确性．仿真模型的气囊展开过程与试验的展开过程一致性较好，如图10所示;仿真模型中冲击块的加速度曲线与试验中冲击块的加速度曲线一致性较好，如图11所示．

在MADYMO中建立优化后侧面碰撞的台车试验仿真模型，图12所示为优化后台车仿真模型中胸部三根肋骨的压缩变形量与优化前台车仿真模型中三根肋骨压缩变形量的对比．由图可知，仿真模型中，下肋骨压缩变形量明显减小，上肋骨和中肋骨的压缩变形量也有一定程度的减小．用台车试验进一步验证胸部气囊优化效果．

图12 优化前后台车仿真模型中胸部压缩变形量对比图

图13 优化前后侧碰台车试验中胸部压缩变形量对比图

采用优化后的气囊，进行侧面碰撞台车试验，比较试验得到的胸部三根肋骨的压缩变形量与优化前侧碰台车基础试验中三根肋骨的压缩变形量，如图13所示．可以看出胸部肋骨压缩变形量由最初的32．6mm减小为27．7mm，从而可以提高CNCAP侧面碰撞试验中假人胸部的得分．

3 结论

本文针对某车型在C－NCAP侧面碰撞试验中得分较低的情况，通过侧面气囊的零部件试验和台车试验，利用MADYMO仿真软件，对该车型的侧面胸部安全气囊进行了优化改进．优化后的胸部气囊有效地降低了侧面碰撞中假人胸部的伤害值，提高了该车型侧面碰撞试验中假人胸部得分．

[1] McNeill A et al．Current Worldwide Side Impact Activities －Divergence Versus Harmonisation and the Possible Effect on Future Car Design[C]．The 19th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles，2005．

[2] 沈宇明．汽车侧面碰撞安全防护措施[J]．Auto＆Safety，2009:61－65．

[3] 王大志，胡徐强，苏醒．利用侧面安全气囊提高侧碰乘员保护效果的研究[J]．上海汽车，2008．10:39－42．

[4] 李东军．汽车帘式气囊仿真优化方法的研究[D]．长春:吉林大学，2008:24．