基于数据分析的某车型侧面安全气囊的深度优化

商恩义 鞠春贤 蒋斌庆 王刚

（长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心）

1 前言

《欧洲新车评价规程（Euro-NCAP）》（2013版）中规定了侧面撞柱试验，并给出了相关试验要求。但2013年Euro-NCAP官网发布的22款车型试验结果中，侧面撞柱试验的胸部评价无一满分[1]，其中肋骨变形量是主要失分点。目前，我国没有相关法规规定侧面撞柱试验，《中国新车评价规程（C-NCAP）》（2012版）和GB 20071中也只规定了侧面碰撞试验。

对同一款车而言，侧面碰撞中整个碰撞侧车门变形侵入，而侧面撞柱只是与柱状壁障接触，其两侧部分变形侵入，因而侧面撞柱试验中假人伤害更严重[2～4]。因此，在侧面安全气囊（SAB）开发时，在保证侧面碰撞安全性的基础上必须再进行深度优化，以提高侧面撞柱试验中的评分。目前SAB的开发方法主要是仿真试验和侧面台车模拟试验，但仿真结果难以体现约束系统的细小改变，可信度较低，而侧面台车模拟试验结果又与实际情况偏离较多。因此，当需要通过微调SAB来提高其在侧面撞柱试验中的保护效果时，很难再依赖仿真或台车试验进行优化。在这种情况下，可通过对碰撞过程中假人试验数据的综合分析确认各约束系统的细微影响，为此，本文基于试验数据的分析，对某车型侧面安全气囊的优化方法进行了研究。

2 ES-2假人胸骨架结构及传感器布置

Euro-NCAP中规定侧面撞柱试验时，在驾驶员侧放置ES-2假人，试验车辆以29 km/h速度与直径为254 mm的刚性柱进行呈90°角侧面碰撞，评价部位包括假人头部、胸部、腹部和骨盆[5，6]等。

为收集前排假人各部位在碰撞过程中的受力、变形等信息，需要在假人身上布置大量传感器，假人结构及主要传感器位置如图1所示[7]，定义假人坐标系左、右为y向，向右为正[8]。

图1中，肋骨变形传感器与肋骨加速度传感器共同反映肋骨受力情况；背板传感器处于假人后背位置，外侧罩有尼龙护板，背板力Fy反映假人上半身与座椅间的左、右相对运动关系；T12传感器位于胸部与腹部之间，T12-Fy反映假人上半身与下半身的左、右相对运动关系；腹部力是通过假人侧面的3个条形力传感器测量，取3个传感器测量结果之和对腹部力进行评价。

3 某车型侧面撞柱试验中侧气囊保护效果分析

某车型SAB开发后，按照《中国新车评价规程（C-NCAP）》（2012版）的要求进行了侧面碰撞试验，并按照E-NCAP的要求进行了侧面撞柱试验。两试验结果中，假人头部和髋部试验结果均较好，胸部和腹部试验结果对比见表1。

表1 侧面碰撞试验与侧面撞柱试验中假人胸部和腹部试验结果对比

由表1可知，侧面碰撞试验中各部位评分均为满分，且各测量值均低于高性能限值的50%。而侧面撞柱试验结果较差，虽然腹部评分为满分，但胸部只有0.63分，因此SAB需要进一步优化。

3.1 基于肋骨变形量分析

侧面撞柱试验中假人胸部失分主要原因是肋骨变形量偏大，其中上肋骨变形量最大。假人上、中、下3根肋骨变形量曲线如图2所示。

由图2可看出，在碰撞50 ms时，3根肋骨的变形量均为25 mm左右，并且前50 ms内3条曲线具有同步性，表明SAB对3根肋骨的保护效果一致，但肋骨变形量超过了高性能限值（22 mm），表明SAB的保护效果并不理想。在碰撞约50 ms后，下肋骨的变形缓解，但上肋骨和中肋骨先后有突变上升趋势，其中上肋骨突变最明显，最大变形达到38.8 mm，表明随门内饰板的不断侵入，上肋骨对应的气囊处发生触底。

3.2 基于肋骨加速度分析

在侧面碰撞过程中，假人肋骨加速度曲线是假人肋骨空间运动的反映，但在碰撞初期，在假人未发生明显移动的情况下，肋骨加速度曲线的变化反映了肋骨相对胸椎的运动情况，进而也反映了该加速度传感器所在肋骨的受力情况，即当假人与SAB接触时，如果SAB依然处于展开阶段，SAB将对假人肋骨造成冲击。在SAB的冲击下，肋骨加速度曲线将产生一个尖峰，且尖峰的上升过程较快，近似垂直上升，因此，该尖峰与横坐标所围成的图形可近似看作直角三角形；当假人与SAB接触时，如果SAB已完全展开，SAB将平缓地泄荷吸能。在SAB泄荷吸能作用下，假人肋骨加速度曲线也将产生一个波峰，但波峰上升的过程相对较慢，该波峰与横坐标所围成的形状可近似看作等腰三角形。因此，在假人未发生明显移动的情况下，为分析肋骨变形量产生的主要原因，可借助肋骨加速度曲线所形成的三角形形状进行分析，即当肋骨加速度曲线的第1个峰近似成直角三角形时，若下肋骨变形量偏大，则应提前SAB点火时间来优化SAB，避免SAB充气过程中与假人侧面发生接触；当肋骨加速度曲线的第1个峰近似等腰三角形时，若下肋骨变形量偏大，则应从降低三角形高度，即降低SAB刚度来优化SAB；当肋骨加速度曲线在碰撞后期出现峰尖时，则视为气囊发生触底。当气囊发生触底造成肋骨变形量偏大时，应提高气囊刚度来优化SAB。

对于侧面撞柱试验中3根肋骨变形量均偏大的情况，通过肋骨加速度曲线来分析导致肋骨变形量偏大的原因。侧面撞柱试验中假人上、中、下3根肋骨加速度曲线如图3所示。

由图3可看出，不考虑安全带预紧作用在碰撞17 ms左右产生的负向加速度，加速度曲线前端可视为直角三角形，表明气囊在充气过程中与假人侧面发生碰撞，且碰撞强度较高，导致三角形的“高”也较长，最高达83g。对于上肋骨和中肋骨加速度曲线，在碰撞50 ms左右出现了第2个峰尖，属于异常，是气囊触底产生；而上肋骨第2个峰尖较高，达88g，即气囊触底严重。

综合分析3根肋骨加速度曲线可知，碰撞前期，SAB充气过程中假人与气囊发生接触；碰撞后期，假人上肋骨位置对应的气囊触底严重。

3.3 基于腹部力分析

该车型初步设计的SAB具有对乘员胸部侧面和腹部侧面共同保护的功能。侧面撞柱试验后，假人侧面腹部力曲线如图4所示。

图4中，在碰撞约20～30 ms内，腹部力上升明显；在约30～50 ms内，假人腹部力上升趋势变缓；在约50 ms后，腹部力开始减小。整个碰撞过程中，假人腹部力的最大幅值为555 N，仅约为高性能限值的1/2。结合图3中肋骨加速度曲线来分析腹部受力情况，在碰撞约30～50 ms内是安全气囊泄荷吸能阶段，假人侧面均得到了较好保护；碰撞约50 ms后，上肋骨对应气囊发生触底，上肋骨与门内饰板间的撞击力突然增大，则腹部受车门内饰板的撞击强度得到明显缓解。

4 优化方案

对该车型试验中假人肋骨变形量、肋骨加速度曲线、腹部受力等分析表明，在当前SAB配置下，碰撞过程中门内饰板侵入造成的冲击主要由假人上肋骨部位承受。因此，对SAB的深度优化应从两方面考虑:一是提高SAB胸部保护刚度，平均上、中、下肋骨变形程度。目前情况下，因假人与SAB接触时SAB正处于充气过程，因此中、下肋骨的最大变形量达27.29 mm，已经高于高性能限值，但如果通过提前气囊点火时间来降低这2根肋骨的变形量，则碰撞后期气囊触底将更加严重，因此不能将提前气囊点火时间作为优化方案。另外，降低气囊刚度的方法也不可取，因当前的气囊在碰撞过程中已经发生触底，上肋骨的变形量因发生触底而异常偏高，所以为降低上肋骨的变形量，气囊的刚度不但不能降低，反而还需要提高。在这种情况下，在优化后的SAB作用下，肋骨的最大变形量不会低于27 mm，故3根肋骨的最大变形量目标应为30 mm。二是增大腹部分担撞击力的比重，以均衡胸部侧面和腹部侧面受力损伤，使腹部在不失分的情况下所承担的力越大越好，即略低于腹部力高性能限值（1 kN）为最佳。

无论何种优化方案，前提是在C-NCAP侧面碰撞试验中假人损伤无明显加重，至少确保当前侧面碰撞中得分不会降低，即气囊的优化要在不降低中国星级评价等级的情况下进行。

在提高SAB刚度（提高假人与SAB接触时的撞击强度）以及直接提高假人腹部受力的情况下，都会导致侧面碰撞试验中假人局部伤害增加。但由表1可知，该车型在按照C-NCAP中的要求进行试验时，假人胸部和腹部各伤害值均较小，远低于高性能限值的1/2，因此，仅适当提高当前SAB刚度，即使假人某些部位的伤害会有所增加，但对C-NCAP的评价不会产生影响。

提高SAB的刚度可以从以下几方面着手:提高气体发生器产生量；减小气囊排气孔尺寸；减小气袋体积。因气体发生器为标准系列产品，通过调换发生器以得到理想气囊刚度较难，且深度优化阶段更不能轻易变更；另外，当前气囊的排气孔尺寸已较小，且位置处于气袋下端，加之碰撞过程中门板侵入后的分隔作用，所以通过减小排气孔尺寸来解决上肋骨位置气囊触底情况较难；减小气袋体积以提高整个SAB的刚度相对较易，但要牺牲某些部位的保护功能。综合考虑各因素，最终确定优化方向为缩短气袋长度，即减小SAB对腹部的保护作用，让腹部下端与侵入的门内饰板直接发生撞击，同时提高气囊刚度，增大气囊在碰撞过程中对乘员胸部侧面的推力。结合当前SAB与腹部的对应位置，最终确定优化方案为将SAB下端缩短80 mm。

5 优化后SAB的保护效果分析

5.1 优化后SAB在侧面撞柱试验中的保护效果

根据SAB优化方案加工出样件，优化前、后样件对比结果见图5。经测量，优化后SAB容积为14.8 L，比优化前（15.5 L）减小0.7 L。对优化后的SAB保护效果进行了仿真试验验证，结果表明，SAB减小0.7 L后对假人的保护效果没有任何变化。对优化后的SAB进行了实车侧面撞柱试验，试验结果见表2。

表2 SAB优化后侧面撞柱试验中前排假人胸部和腹部试验结果

由表2可知，3根肋骨变形量均约为28 mm，低于30 mm的目标值，满足要求。胸部得分由优化前的0.63分提高到2.46分，提高了1.83分，达到目标值；腹部力由优化前的0.555 kN提高到0.995 kN，虽然提高明显，但低于1 kN，未造成失分。

SAB优化后侧面撞柱试验中假人上、中、下肋骨变形量如图6所示，优化前、后侧面撞柱试验中腹部力曲线对比结果如图7所示。

由图6可看出，3条曲线整体变化趋势及幅值都较接近，表明碰撞过程中3根肋骨所受撞击力得到了平衡。但需要注意的是，上肋骨变形量曲线在60 ms后出现了第2个峰，说明此次试验中SAB在上肋骨位置依然发生了触底，但气囊触底产生的第2个峰值略低于气囊作用阶段产生的第1个峰值。该结果表明，如果气囊刚度再提高一些，则气囊作用下的上肋骨变形量就会增加，高于当前值；如果气囊刚度再低一些，则气囊触底造成的上肋骨变形量就会增加，也会高于当前值，即当前的SAB刚度比较合适。

由图7可看出，SAB优化后的侧面撞柱试验中，腹部力在整个碰撞阶段均高于优化前试验结果，尤其在SAB作用阶段，所承担抗撞击作用得到明显提升。虽然在60 ms后因保护腹部的气囊下端被剪短了80 mm，气囊发生触底，导致腹部力异常上升，但并未造成失分。

由上述可知，3根肋骨变形量曲线彼此接近，腹部作用力提升至临界失分点，表明整个侧面受力达到了较好的平衡，气囊优化基本达到最佳状态。

5.2 SAB优化后对侧面碰撞结果的影响

SAB优化前、后侧面碰撞试验中假人胸部和腹部试验结果对比见表3。

表3 SAB优化前、后侧面碰撞试验中假人胸部和腹部试验结果对比

由表3可知，SAB优化后侧面碰撞试验结果较好，与SAB优化前的侧面碰撞试验结果相比，腹部力提高了0.17 kN，同时下肋骨变形量增大，上肋骨变形量减小，与SAB优化前、后侧面撞柱试验结果相一致。但需要强调的是，虽然SAB优化后假人有些部位的伤害有所增加，但仍远低于相应部位的高性能限值，对试验结果的评价没有产生影响。

6 结束语

在试验数据分析基础上，通过对某车型SAB的深度优化研究得出如下结论:

a.在对约束系统进行深度优化时，与仿真和台车试验相比，数据分析方法更具有灵活性和可信度；

b.在针对肋骨变形量进行优化时，应该在协调肋骨加速度形状基础上平衡3根肋骨变形量，使3根肋骨的变形量尽可能接近，且不存在气囊触底导致伤害加重情况；另外，均衡假人胸部侧面与腹部侧面所分担的撞击力，以使乘员侧面损伤综合评价得分最高。

1 European New Car Assessment Program:Pole Side Impact Testing Protocol(version5.2,November 2011)[S/OL].http//www.euroncap.com:1～2.

2 Euro NCAP Rating Review Report from the Rating Group(January 2012)[S/OL].http//www.euroncap.com:11～12.

3 European New Car Assessment Program(Euro-NCAP)Offi⁃cial Web[S/OL].(2013-11-01).http//www.euroncap.com

4 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.汽车侧面碰撞的乘员保护,GB 20071—2006.北京:中国标准出版社，2006.

5 中国汽车技术研究中心(天津).C-NCAP管理规则（2012年版）[S/OL].(2013-06-20).http//www.c-ncap.org.

6 刘静波.某轿车侧面碰撞被动安全性仿真分析与试验研究:[学位论文].长春:吉林大学，2012.

7 Humanetics Innovative Solutions,User’s Manual for Euro⁃SID-250tf percentile side impact Crash Test Dummy(Janu⁃ary 2007)[S/OL].Web:www.humaneticsatd.com:15～16.

8 USA Society of Automotive Engineers(USA SAE).SAE J211-1:Instrumentation for Impact Test-Part1-Electron⁃ic Instrumentation,REV.MAR95[S].USA SAE,2003.