安全气囊参数对离位儿童损伤影响研究

张学荣　许长龙　刘秋（江苏大学，镇江 212013）



安全气囊参数对离位儿童损伤影响研究

张学荣许长龙刘秋
（江苏大学，镇江 212013）

【摘要】以某汽车乘员侧安全气囊为研究对象，采用计算流体动力学方法在MADYMO软件中建立了安全气囊仿真模型。根据FMVSS 208法规中关于离位儿童乘员保护的要求，建立了3岁儿童离位仿真模型，并通过气囊静态起爆试验、线性冲击试验及三岁儿童离位试验验证了所建仿真模型的有效性。采用该模型研究了安全气囊参数对离位儿童损伤的影响。结果表明，排气孔大小、气体发生器产气量、织布渗透率以及起爆角度等气囊参数对离位儿童的损伤影响较为显著。

主题词：安全气囊离位儿童损伤仿真

1　前言

汽车乘员的离位状态（out of position）是指不系安全带的情况下，乘员的乘坐位置比较靠前或者在碰撞发生时由于惯性力向前运动，在安全气囊未完全展开的情况下与气囊发生接触的乘坐状态［1］。安全气囊在车辆发生碰撞时对于50百分位处于正常乘坐位置的成年男性具有较好的保护效果，能够显著减少乘员的伤害，但是对于离位儿童以及5百分位成年女性来说，由于其身材较小，乘坐位置靠近安全气囊，在气囊展开过程中，会因气囊内部压力较大而对离位乘员造成致命伤害［2，3］。

本文采用计算机仿真与试验相结合的方法，研究乘员侧安全气囊排气孔大小、气体发生器产气量、织布渗透率、起爆角度等气囊参数对离位儿童乘员的损伤影响。

2　仿真模型的建立及试验验证

2.1气囊仿真模型的建立

气囊仿真模型的建立主要包括气袋有限元模型的建立及充气过程的模拟。其中气袋有限元模型是对实际气囊物理特性的模拟，包括气囊几何模型、折叠方式和材料参数的设定；充气过程的模拟是定义气室的充气方式以及气体发生器的参数，确保气囊展开过程与试验相一致。

为准确模拟气囊的起爆过程，选用真实折叠法建立气囊模型，折叠工具为MADYMO软件中的Folder工具［4］。因乘员侧安全气囊（Passenger Airbag）展开后的形状是三维立体形状，使用Folder软件折叠前必须获得平面网格，所以需要对其进行部分展平处理。将二维模型导入Hypermesh软件中进行网格逐片重建，然后合并相互连接的对应节点，生成一个部分折叠的气囊网格模型，如图1所示。将部分展平的气囊网格导入folder折叠工具中，由于折叠步骤多，折叠过程中为了减小网格单元的变形程度选择了薄折叠和较小的折叠间隙，图2为折叠完成的气囊形状。但该气囊有限元模型不能直接作为仿真计算的初始网格，因为气囊在折叠过程中将发生不可避免的形变，从而造成气囊内部应力和能量的不平衡，因此在气囊展开之前需要对折叠气囊进行松弛，松弛后得到的网格可作为初始网格。

按照软件MADYMO的计算要求，除设置气囊的初始网格外，还需要设置参考网格。为此，在Hypermesh软件建立气囊的有限元模型作为参考网格的模具，将已经折叠完成的气囊放在此模具中充气展开，充气结束后，若气囊与模具贴合，则此时的单元网格即可作为乘员侧安全气囊的最终参考网格。

气囊的真实充气过程是一个流体动力学过程，通过计算流体力学（CFD）可以对其充气过程进行精确模拟［5］。本文基于CFD模拟气囊气体流动，将气囊模型体积离散化分为30×30×50（分别为栅格不同方向的单元数）个单元，在 MADYMO软件中通过ANTI_THROUGH_FLOW命令防止互不连通的气囊层之间出现不应有的气体交换，从而模拟出气囊内部气体的实际流动过程。

2.2线性冲击模型的建立

通过对台架进行实地测量，得到台架的几何尺寸和定点参数以及冲击平板的质量参数，建立线性冲击试验仿真模型，模拟气囊展开后与冲击平板的接触过程，如图3所示。

2.3离位儿童仿真模型的建立

离位儿童仿真模型主要包括乘员舱模型及假人模型。将汽车厂家提供的乘员舱CAD模型导入Hypermesh建立乘员舱网格模型，生成的节点和单元导入MADYMO软件得到乘员舱有限元模型。FMVSS 208法规中要求乘员离位试验使用Hybrid III假人，由于假人试验设备的限制，台车试验中使用的是3岁儿童P3假人。为了便于仿真模型的验证，本文使用P3假人建立离位儿童仿真模型，待模型验证成功后用Hybrid III 3岁儿童假人替换P3假人，同时调整假人坐姿，离位儿童仿真模型如图4所示。

2.4仿真模型试验验证

2.4.1气囊仿真模型

2.4.1.1安全气囊静态起爆试验

在离位儿童损伤仿真研究中，对气囊系统的仿真模型要求较高，必须保证乘员侧安全气囊的静态展开过程及最终的展开形状与试验相一致，通过气囊静态起爆试验可验证仿真模型的准确性。气囊静态起爆试验主要用来考察安全气囊的展开包形以及完全展开的时刻是否符合设计要求，并以此为依据，在产品开发过程中对气囊的气袋包形和充气特性进行优化设计［6，7］。图5为气囊展开过程的仿真结果与试验录像对比。

由图5可看出，气囊仿真模型的展开过程以及最终的展开形状与试验结果有较好的一致性，说明该气囊仿真模型的运动学特性与试验结果较接近。

2.4.1.2线性冲击试验

气囊仿真模型的动力学特性主要通过线性冲击试验验证，线性冲击试验台架如图6所示。

以气囊的起爆时刻作为仿真的初始时刻，冲击平板与安全气囊在不同时刻的运动仿真与试验对比结果如图7所示。由图7可看出，气囊的展开过程以及冲击平板与气囊的相对运动过程能够很好地吻合。冲击平板的减速度时间历程曲线对比如图8所示，由图8可看出，试验与仿真在起始时刻、峰值大小、峰值出现时刻等方面具有较好的一致性，说明该气囊仿真模型的动力学特性与试验比较接近。

2.4.23岁离位儿童仿真模型

静态离位试验模型的调试较复杂，影响因素较多，除气囊模块本身、假人离位姿态以外，仪表板刚度、座椅刚度等因素对模型的准确性也有一定影响［8，9］，因此要综合验证仿真模型与试验的一致性。仿真模型有效性验证主要包括假人运动姿态验证及动力学响应验证。仿真与试验的儿童假人运动姿态对比结果如图9所示，由图9可看出，仿真假人与试验假人运动姿态较为一致。

仿真与试验的儿童假人加速度时间历程曲线对比结果如图10所示，由图10可看出，通过仿真得到的加速度时间历程曲线与通过试验所得相应曲线吻合较好，曲线脉宽、升降趋势以及达到峰值时刻具有较好的一致性。

由上述分析可知，所建立的仿真模型能够较准确地反映实际物理情况，而且模型的稳定性也较好。因此，该模型可用来进行儿童乘员离位损伤的研究。

3　　气囊参数影响分析

3.1气囊排气孔大小对离位儿童损伤影响

在Hybrid III 3岁离位儿童仿真模型（排气孔直径为50 mm）基础上，改变排气孔的大小，分别选取排气孔直径为40 mm、45 mm、50 mm、55 mm和60 mm，经过仿真计算后输出假人的伤害值。FMVSS 208法规规定的3岁离位儿童损伤阀值见表1。

表1　FMVSS 208法规中3岁离位儿童损伤阀值

图11为不同排气孔大小对儿童损伤影响结果。由图11可看出，当排气孔直径增大时，HIC15、T3 ms和Nij显著减小；Chest-D没有明显变化规律，但是都远小于法规规定的损伤上限。因此可以得出，当增大排气孔直径时，气囊内部的泄气速度变快，有利于儿童的离位保护。

3.2气体发生器产气量对离位儿童损伤影响

在原有气体发生器的基础上，通过减少或增加产气量的百分比（-30%、-20%、-10%、10%、20%），仿真分析气体发生器产气量对离位儿童损伤的影响。图12为仿真环境下不同产气量对离位儿童损伤的影响结果，由图12可看出，随气体发生器产气量的增加，儿童假人的HIC15、T3 ms均提高；随气体发生器产气量的减少，气囊的内部压力减小，儿童乘员的综合损伤减小。因此，产气量越少对儿童的离位保护越好。但是当产气量减少20%时，气囊气袋将无法完全展开，不能够对成年乘员起到很好的保护作用，在车辆碰撞时会导致严重的碰撞伤害。

3.3气囊织物渗透率对离位儿童损伤影响

气囊织物渗透率的大小决定气囊展开的可靠性和稳定性。为研究织物渗透率对离位儿童损伤的影响，在MADYMO软件中设定PERMEABILITY.MODEL1透气性系数分别为0.025、0.030、0.035、0.040和0.045，并进行相应的仿真计算。图13为仿真环境下不同织物渗透率对离位儿童的损伤影响结果，由图13可看出，当织物渗透率增大时，气体泄气量增加，气囊内部压力减小，对儿童假人的冲击作用力减少，从而使儿童假人的HIC15、T3 ms以及颈部的轴向力降低。因此，当增大织布渗透率时，气囊的泄气速度变快，离位儿童综合损伤减小。

3.4气囊起爆角度对离位儿童损伤影响

气囊的起爆角度决定了气囊展开初期的冲击方向，其对离位儿童的损伤会有一定影响。图14为仿真环境下不同起爆角度对离位儿童的损伤影响结果。由图14可看出，当气囊的起爆角度≤90°时，儿童假人的HIC15满足法规要求，但是Nij明显增加。原因是气囊的起爆角度过大，气囊冲击到挡风玻璃并通过挡风玻璃与假人头部之间的间隙冲击出来，巨大冲击力对乘员颈部造成较大损伤。当气囊的起爆角度为60°时，气囊对假人造成的伤害最大，此时气囊的冲击方向即为假人的头部方向，气囊直接冲击到假人的头部，从而对假人造成巨大伤害。当起爆角度逐渐偏离60°时，假人的伤害值逐渐减小，在起爆角度为80°时，假人伤害值达到最小。所以针对儿童的乘坐位置，可以通过调节气囊的起爆角度来提高对儿童的离位保护。

4　　结束语

根据FMVSS 208法规建立了3岁儿童离位仿真模型，并通过相关试验验证了仿真模型的有效性，在仿真环境中研究了排气孔大小、气体发生器产气量、织布渗透率以及起爆角度等气囊参数对离位儿童损伤的影响。结果表明，当增大安全气囊排气孔直径或增大织布渗透率时，气囊内部的泄气速度变快，有利于儿童的离位保护；产气量越少对离位儿童的保护越好，但是当产气量小到一定程度时，气囊气袋无法完全展开，不能够对成年乘员起到很好的保护作用；安全气囊的起爆角度对离位儿童损伤影响较大，当起爆角度为60°时，气囊对儿童乘员造成的伤害最大，可以通过调节气囊的起爆角度来提高儿童的离位保护。

参考文献

1陶颖，朱西产，马志雄.中国儿童乘员安全现状及发展趋势探讨.汽车与配件，2009（5）：30～35.

2高伟.汽车侧碰撞中三岁儿童乘员的动力学响应和损伤防护研究：［学位论文］.长沙：湖南大学，2005.

3蓝善斌，葛如海，陈晓东，等.安全气囊对离位乘员损伤影响的仿真研究.汽车工程，2007，27（9）：766～770.

4TASS Group，MADYMO∕3-D PAB Modeling，TNO Automotive China.

5王福军.计算流体动力学分析.北京：清华大学出版社，2011.

6Zhiqing Cheng and Annette L.Rizer.Joseph A.Pellettiere. Modeling and Simulation of OOP Occupant-Airbag.Interaction.SAE.TECHNICAL PAPER.2003-01-0510.

7陆善彬，刘立勇，张君媛.安全气囊仿真技术在乘员离位模拟中的应用研究.合肥工业大学学报，2009，32（12）：1793～1796.

8连广宇，朱西产.安全气囊对离位乘员的损伤及其改善措施的研究.汽车工程，2009，31（12）：1153～1157.

9Craig A Good，Marshal H Paulo，Paul R Lewis，et al.Experimental Analysis of Head and Neck Loads for the Out-of-Position Occupant with Single and Dual-Stage Depowered Airbags.SAE Technical Paper 2004-01-0311.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2016年2月1日。

中图分类号：U463.85

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）06-0053-05

Research on the Effect of Airbag Parameters on the Injury of Out-of-Position Children

Zhang Xuerong，Xu Changlong，Liu Qiu
（Jiangsu university，Zhenjiang 212013）

【Abstract】With a passenger airbag as research object，an airbag simulation model is established in MADYMO with computational fluent dynamics method.According to the requirements of FMVSS 208 regulations on the protection of outof-position（OOP）child occupant，a three-year old OOP children simulation model is established，which is verified through airbag static deployment test，linear impact test and three-year-old children OOP test.The influence of airbag parameters on injuries of OOP children occupant is analyzed.The simulation results show that the effect of airbag parameters including air vent size，gas mass of inflator，fabric permeability and deployment angle on OOP children damage is more significant.

Key words:Airbag，Out-of-position children，Injury，Simulation