汽车膝部气囊设计与优化＊

李丽 朱西产 王晶晶 马志雄

（1.同济大学；2.北京奔驰汽车有限公司）

汽车膝部气囊设计与优化＊

李丽1朱西产1王晶晶2马志雄1

（1.同济大学；2.北京奔驰汽车有限公司）

针对某车型建立了MADYMO车体模型和膝部气囊模型，并通过试验验证了模型的有效性。利用该模型对安装与未安装膝部气囊情况下假人的运动响应和伤害值进行了仿真分析，研究了膝部气囊在正面碰撞中对假人各部位的影响。根据仿真结果，通过正交试验对初步设计的膝部气囊进行了优化设计，优化后WIC值减小了3.39%，表明膝部气囊对下肢的保护性能得到很大提升。

1 前言

在车辆碰撞事故中，驾驶员和前排乘员不仅头部、颈部和胸部容易受到伤害，同时下肢也会不同程度地受到伤害。据统计，70%以上的大腿部位的伤害发生在正碰事故中，而其中1/2的伤害指数超过AIS2级[1～3]。目前各国的正面碰撞法规都对大腿、小腿部位的伤害做出相应的规定，如在C-NCAP中以大腿力（FFC）、膝盖滑动位移、胫骨指数（TI）以及小腿压缩力（TCFC）等4个指标进行评分。为改善在正面碰撞测试中大腿、小腿部位的得分，各大厂商主要从两方面改进车型，一方面采用带有填充材料的护膝板，用以在一个更大的区域内分散接触力，减少下肢的伤害，但增加填充材料会减少驾驶员腿部与护膝板之间本就有限的空间，降低了舒适性；另一方面安装膝部气囊（KAB），在正碰中展开膝部气囊以限制伤害的严重程度及控制下肢的运动过程，但整车开发成本较高。

本文基于某车型建立MADYMO车体模型，以该车50 km/h正面100%重叠刚性壁障的加速度作为模型输入，对安装膝部气囊与未安装膝部气囊时假人头部、胸部、大腿和小腿部位的响应曲线以及伤害值进行比较，研究膝部气囊在正碰中对假人各部位以及对驾驶员在正面碰撞中的运动响应的影响，并通过正交试验法对初步设计的膝部气囊进行优化。

2 模型建立与验证

2.1 车体模型建立

车体模型的坐标原点选择在前轴附近，此处也通常作为总布置图的原点（即前轴中心线与汽车中心线的交点）。坐标系的x轴指向后方，y轴指向右侧，z轴指向正上方，车体模型采用的刚体、几何外形及运动铰均根据所采用车型的实际结构确定。对风窗、仪表板、脚踏板、地板的数模划分网格，将网格信息导入MADYMO中，对其定义材料和属性，并支撑在对应的铰上；座椅系统采用平面刚板（SURFACE. PLANE）进行模拟，对其定义接触特性；转向系统采用椭球（SURFACE.ELLIPSOID）进行模拟。每个刚体都设有相应的质量参数以模拟整车质量。车体模型刚体之间用运动铰（JOINT.*）连接，根据实车碰撞中车体的变形特点和实际经验来确定铰的类型和位置。采用HybridⅢ第50百分位男性假人，其在MADYMO中对应的假人模型文件是d-hyb350el-Q-inc. xml。使用MADYMO自带的Belt Fitting程序建立混合安全带，并根据该车型已有驾驶员侧安全气囊建立正碰气囊模型，最终模型如图1所示。

2.2 车体模型验证

将实车碰撞试验测得的加速度波形作为模型的加速度场，如图2所示，实车试验为正面100%重叠刚性壁障碰撞试验，碰撞速度为50 km/h。通过MOTION.JOINT-ACC将加速度波形加载到车体模型上，此外需要给车体和假人定义50 km/h的初速度。

图3为假人头部、胸部、大腿和小腿等部位的响应曲线与实车试验曲线对比；针对C-NCAP的评分规则，假人伤害指标的对比结果见表1。

表1 试验与仿真假人伤害指标对比结果

图3中，试验曲线与仿真曲线的趋势基本一致，虽然实车试验中假人胸部合成加速度峰值出现时刻比仿真计算结果略有延迟，仿真计算中假人的右大腿力峰值出现时刻比实车试验略有延迟，但伤害指标的误差均在10%以内，表明该基础模型的建立有效，可用于下一步的研究。

2.3 气囊模型建立

由于原车型并没有安装膝部气囊，所以根据膝部气囊需要覆盖保护的范围进行膝部气囊的几何设计，其尺寸和形状需要覆盖各种坐姿、不同百分位驾驶员的膝部区域，同时也要满足车型的内饰几何尺寸要求。为了控制气囊的展开形状以及其在汽车前进方向上的气囊厚度，在膝部气囊气袋内部设计了上、下2根拉带。由于膝部气囊的上、下厚度一致对乘员保护不利，经综合考虑，将上侧拉带宽度设计为80 mm，下侧拉带宽度设计为50 mm。

对膝部气囊进行网格划分，使用10 mm左右的三角形网格，共有5 339个节点和10 798个单元，如图4所示。气囊划分为8个PART（部分），气袋两侧各分为3个PART，上侧拉带为1个PART，下侧拉带为1个PART，拉带分别与气袋的两侧面缝合起来。

网格划分完成后，在MADYMO中建立膝部气囊仿真模型。考虑到该正面碰撞模拟不涉及离位乘员（OOP）及计算效率，所以气囊充气采用均匀压力法（UP）。膝部气囊织物表面的建模采用三节点膜单元（MEM3），这种单元没有沙漏模式，并且可以更好地描述气囊织物的几何特征。根据膝部气囊织物及缝纫线的特性将气囊材料定义为正交各向异性材料，具体参数设置根据气囊织物实际材料特性确定。气囊的充气展开过程通过气体发生器进行控制，气体发生器的2个主要参数是质量流率和温度随时间的变化率，2个参数通过容器试验获得[4，5]。

所设计的膝部气囊采用三气室模型，下侧拉带既属于第1气室也属于第2气室，上侧拉带既属于第2气室也属于第3气室。相邻气室之间通过拉带两端与气袋左右侧边之间的通气空间来连通，气体发生器位于第1气室。使用MADYMO Folder对气囊进行折叠，并通过预模拟对气囊进行松弛。膝部气囊点火时间设定为10 ms，气囊整个展开过程持续14 ms，如图5所示。

2.4 气囊模型验证

对所试制的膝部气囊样件（图6）进行静态起爆试验，查看气囊样件静态展开过程、展开时间和展开后的形态，以验证膝部气囊仿真模型是否正确。将膝部气囊折叠后置于气囊盒内，将气囊盒固定于试验台架上，气囊盒水平放置，放置高度距台架上表面15 cm。

根据前述膝部气囊模块仿真模型建立膝部气囊静态起爆试验的仿真模型。静态起爆仿真模型中膝部气囊的展开过程与试验的展开过程对比如图7所示。

从图7可看出，虽然静态起爆仿真模型与试验结果对应较好，但二者之间仍存在一定误差。产生误差的原因为：膝部气囊仿真模型折叠时，一部分单元发生了变形，产生了初始应力和应变，虽然进行了预模拟松弛，但是松弛后仍有少数单元发生交叉，影响了气囊模型的展开过程；该气囊模块采用的UP充气模式不能精确模拟气体在气囊中的流动过程；用椭球模拟气囊盒，与实物存在一定的误差。由于这些误差不会对之后的仿真计算结果产生很大影响，因而可忽略不计。静态起爆试验验证了所建立的膝部气囊仿真模型的正确性，即膝部气囊仿真模型可作为正面碰撞乘员约束系统集成仿真，研究膝部气囊对乘员的保护作用。

3 仿真分析

以所建立的车体模型为基础，对安装膝部气囊与未安装膝部气囊2种工况下的假人运动响应与伤害值进行比较。在2种工况下，假人仿真运动过程如图8所示，仿真曲线如图9所示，假人伤害指标对比结果如表2所列。通过对比可以发现，头部、胸部伤害指标和小腿胫骨指数有不同程度的降低，合成加速度变化很小；大腿压缩力和膝盖滑动位移都大幅度增加，分别达到34.93%和38.80%，但仍低于C-NCAP规定的高性能限值3.8 kN和6 mm指标；小腿压缩力的增加也相对较大，达到17.60%，处于C-NCAP规定的高性能值2 kN与低性能8 kN之间；胫骨指数虽有减小，但是也处于规定的高低性能值之间。所以，该车型小腿部分可以得分，只是无法获得满分。

表2 安装与未安装膝部气囊时假人伤害指标对比

由于安装膝部气囊后，膝盖与气囊发生接触的时间比未安装膝部气囊时膝盖与内饰板接触的时间提前，故大腿力相对未安装膝部气囊时更早达到峰值，从而导致大腿压缩力、膝盖滑动位移增加较明显。接触力通过膝盖沿着胫骨/腓骨向下传递至脚踝，由于脚部受到踏板等的阻碍使传递受阻，导致小腿压缩力增加，虽然C-NCAP正面100%重叠刚性壁障中并没有对脚踝的伤害做出量化评价，但可知在此情况下脚踝会成为受伤的薄弱环节。由于膝部气囊的展开，阻止了驾驶员的向前运动，使驾驶员胸部与车内饰之间的接触时间延迟，驾驶员侧安全气囊有更充足的时间展开，可更好地保护头、胸部。

安装膝部气囊的初衷是保护驾驶员的膝盖、小腿和大腿，但从仿真分析中发现，安装膝部气囊后乘员下肢以外的其它部位的伤害值减小了，而下肢伤害指标却有所增加，并且胸部的伤害指标明显降低，该结果未达到安装膝部气囊的目的。此外，从图9d和图9e可看出，安装膝部气囊后右大腿压缩力增加明显，而且左腿和右腿受力非常不均，左腿力为1.25 kN，而右大腿力达2.12 kN。为改善这些情况，加强膝部气囊对乘员的保护，需要对膝部气囊进行优化。

4 优化研究

加权伤害准则WIC（Weighted Injury Criterion）是美国通用公司为了评价约束系统的整体性能，引入加权因子，将各项伤害指标（HIC36、胸部3 ms准则、胸部压缩量以及大腿骨轴向力）用加权的方法综合到一起，得到的一个正则化的伤害评估值。

WIC的定义为：

式中，HIC36为头部伤害准则的数值；C3MS为胸部3 ms准则的数值；CCOMP为胸部压缩量；Ffemurleft为左大腿骨最大轴向力；Ffemurright为右大腿骨最大轴向力。

WIC值越低，约束系统的保护性能越好。为此，选择WIC值作为优化目标，采用正交试验设计法对膝部气囊影响较大的设计参数进行优化。

式（1）中每项指标前的加权系数表明了该种伤害类型的重要程度，重要程度来自于对大量事故的统计分析。

影响安全气囊的设计参数包括气袋的形状和体积、气袋织物材料、排气孔的大小、气体的组成和比例、气体发生器的质量流率、点火时间等。根据膝部气囊的特点和实际情况，选择气体发生器质量流率、点火时间、拉带宽度以及气袋织物材料泄气率常数等4个参数对膝部气囊进行优化。

根据实际情况和相关资料确定4个参数的变化范围如表3所列。

表3 膝部气囊设计参数变化范围

4.1 正交试验法

根据选定的膝部气囊4个设计参数及其变化范围，选用正交表L9（34），见表4。正交试验的4个因素为气体发生器质量流率、点火时间、拉带宽度及气袋织物材料泄气率常数，分别用A、B、C、D表示，在变化范围内每个因素有3个水平，分别为最小值、初始值和最大值，用1、2、3表示。

表4 正交表L9(34)

按照正交表，在MADYMO中安排仿真正交试验，根据每次仿真试验结果计算出每次试验的WIC值。每次仿真试验的和WIC值见表5。

表5 正交试验结果

4.2 结果分析

正交试验完成后，为确定各试验因素在试验范围内的最优组合，需要对膝部气囊正交试验结果进行极差分析，如表6所列。

表6 正交试验结果极差分析

Rj反映了第j列因素水平波动时试验指标的变动幅度。依据Rj可判断试验因素水平对试验指标影响的主次顺序，Rj越大说明该因素水平变化对试验指标的影响越大。

由表6可知，RD＞RC＞RA＞RB，所以4个因素对试验指标影响的主次顺序为D＞C＞A＞B，即膝部气囊4个因素对约束系统整体性能影响的主次顺序分别为气袋织物材料泄气率常数、拉带宽度、气体发生器质量流率、点火时间。

选取K¯jm值最小的水平作为第j列因素的优水平，判断4个试验因素的最优组合为A3B2C1D1。由于正交试验表中未出现A3B2C1D1这样的组合形式，所以需要对最优组合进行仿真，以验证膝部气囊的优化效果。图10为优化前、后假人伤害曲线，伤害指标对比结果见表7。

表7 优化前、后假人伤害指标对比

由表7可知，优化后试验指标WIC减小了3.39%。头部HIC36、胸部3 ms合成加速度、胸部变形量、大腿压缩力、膝盖滑动位移和小腿胫骨指数都有不同程度的减小；头部3 ms合成加速度和小腿压缩力有所增加，但增幅很小；左腿和右腿受力不均的现象得到明显改善。膝部气囊对下肢的保护得到提升，同时约束系统的整体性能也得到了很大提高，达到了很好的优化效果。

5 结束语

根据某车型C-NCAP的正面100%刚性重叠壁障碰撞试验结果，通过MADYMO仿真分析研究安装与未安装膝部气囊时乘员的运动响应曲线与伤害，并根据仿真结果对膝部气囊进行了优化设计。优化后试验指标WIC减小了3.39%，表明膝部气囊对下肢的保护得到提升，整体提高了约束系统性能。

1孙振东，朱海涛，刘玉光.正面碰撞试验中乘员小腿伤害特性研究.第五届国际汽车交通安全学术会议，湖南，2007.

2Miyahara R，Miyajima Y，Ogawa S.The Application of Optimization Techniques to Design a Foam Pad to Reduce Lower-Extremity Injuries.SAE Technical Paper.2008，2014（1）:10～30.

3Krishnaraj S，Kulkarni K B，Narayanasamy V，et al. Occupant knee impact simulations:A parametric study.SAE Technical Paper.2003，112（5）:650～656.

4MADYMO Theory Manual，Release 7.3.TASS，2010.

5MADYMO Applications Manual，Release 7.3.TASS，2010.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2013年11月8日。

Design and Optimization of Knee Airbag

Li Li1，Zhu Xichan1，Wang Jingjing2，Ma Zhixiong1
（1.Tongji University；2.Beijing Benz Automotive Co.，Ltd）

Automotive body simulation model and knee airbag model are established by MADYMO，and then these two models are validated by test.In two cases of with knee airbag and without knee airbag，dummy's motion response and injury values were simulated and analyzed，and the protection of knee airbag to various parts of the dummy during frontal impact was studied.According to simulation results，the knee airbag with primary design was optimized through orthogonal test，after which WIC declined by 3.39%，indicating sizeable improvement of protection of the knee airbag on the lower limbs.

Knee airbag,Optimal design

膝部气囊优化设计

U467.1+4

：A

：1000-3703(2014)01-0001-06

国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA111205）。