双级气体发生器安全气囊性能仿真*

田国红 程海东 孙鹏雨 武晓林

（1.辽宁工业大学；2.沈阳工业大学）

安全气囊作为汽车被动安全的重要部件，在碰撞事故中对乘员的生命和财产安全起着巨大的保护作用。一般情况下，汽车发生碰撞的时间都比较短，安全气囊要在极短的时间内充满，在汽车内饰和乘员之间形成一个软气垫，这就要求气体发生器除了要有一定的充气效率还要有一定的充气量，所以说气体发生器性能的优劣直接影响到安全气囊对乘员的保护效果。普通安全气囊由于其自身技术的一些缺陷，在碰撞中保护乘客的同时，还有可能对乘客造成不同程度的伤害。据相关数据统计，普通的安全气囊在碰撞事故中每挽救1 000名乘员的生命，就会导致57例伤亡[1]。因此生产厂家发明了双级气体发生器的安全气囊，双级自适应技术通过传感器系统与控制系统的配合能够根据碰撞程度的不同来控制气囊完全打开还是只打开一部分。不仅可以根据碰撞强度调节充气量，还具有较平缓的充气速率，在发生碰撞事故时可以大大地减小气囊的攻击性。由于这种气囊系统在乘员保护中所表现出的出色性能，这种新型气囊已经在欧美一些国家得到了广泛应用和发展。文章通过建立并优化遵循N-NCAP标准的正碰MADYMO模型，对汽车安全气囊的设计给出了参考意见。

1 双级气体发生器安全气囊参数分析

双级气体发生器的第1个主要参数是第1级和第2级气体发生器的气体发生剂填装比例，目前已知的双级气体发生器两级气体发生量之比通常有70/30，60/40及50/50[2]。另外在双级气体发生器的基础上，还可以分为多级气体发生器。发生器的另一个主要参数是第1级发生器和第2级发生器的起爆时间延迟，并且先起爆装填量大的，后起爆装填量小的，延迟时间一般有10 ms和20 ms。不同起爆延迟时间对发生器的升压速率有一定影响，两级气体发生器之间的起爆时间延迟越大则气体的升压率就越小[3]。气体发生器的特性曲线一般是由生产厂家的压力容器试验测得，而在仿真模型中，起爆时间的延迟可通过设置时间窗来实现。图1示出不同气体发生剂比例和不同延迟时间所对应的升压曲线。

2 单/双级气体发生器安全气囊的建模和对比分析

2.1 仿真模型建立和验证

基于实车碰撞的几何参数，在MADYMO软件中建立驾驶员侧的正面碰撞仿真模型，模型包括：车体中的重要表面、挡风玻璃、转向系统、座椅、安全气囊、安全带及假人等[4]。安全带模型结合多刚体和有限元方法来模拟，安全带包括卷收器、限力器及预紧器，根据实车数据定义限力器力量大小和预紧器的预紧长度；假人采用第50百分位HybridⅢ男性假人，通过调整位置使其以正常姿态坐于驾驶室内；安全气囊采用均匀压力法进行气囊充气，安全气囊直径为600 mm，排气孔为25 mm。配备普通的单级气体发生器气囊。此外，需要将车体、安全带及安全气囊等部分均定义为不同的系统，便于进行模型替换调整。图2示出正碰仿真模型。

实车碰撞是根据N-NCAP标准进行50 km/h刚性固定壁障100%重叠率正面碰撞试验，根据实车碰撞设置仿真模型中相应参数。由于在正碰试验中，汽车A柱和车前部分的变形较大，其加速度的响应与假人的相差甚大，因此通常认为在碰撞发生时，假人的加速度与汽车B柱下端的加速度较为相近，所以在正碰系统的仿真中通常把驾驶员侧B柱下端的加速度曲线作为此约束系统的输入[5]。通过计算假人在不同碰撞波形和不同气囊充气形式激励下的不同作用区域的伤害值（包括HIC，NIC，胸部3 ms及胸部压缩量等），将仿真数据与试验数据进行对比来验证所建模型的合理性。图3示出配备单级气体发生器模块的仿真模型仿真值与实车试验值部分对比曲线。

将仿真得到的头部x方向加速度、胸部x方向加速度及颈部x方向受力等数据与实车试验数据对比，误差均在15%以内，可知该仿真模型是有效的，可以作为驾驶员正碰约束系统仿真模型的基础模型进行优化分析。

由图3a可知，假人的头部合成加速度在74 ms达到了688 m/s2，其原因可能是由于安全气囊点火过早，气囊在展开后期与假人接触时能量不足，对驾驶员缓冲性能减小，使假人头部在驾驶舱向前冲击速度过大。由图3b可知，假人的胸部加速度在65 ms达到了398 m/s2，原因可能为气囊点火过晚，使假人胸部提前与正在充气的气袋接触，气袋的冲击力和膜张力对假人造成伤害。同时，根据假人的伤害值曲线做出如下判断：配有此单级气体发生器的气囊由于气囊展开的能量过于集中，导致驾驶员与气囊接触时气囊较硬，对驾驶员不能起到很好的保护作用。

2.2 模型优化及仿真结果对比分析

通过对单级气体发生器安全气囊模型的有效性进行验证，以及其对驾驶员的保护效果进行分析，可知单级气体发生器在碰撞中对乘员的保护效果不尽如人意。而双级气体发生器安全气囊因在充气时有较大质量流率，还可以根据碰撞时的不同车速和碰撞强度来选择不同的点火装置模式，通过理论定性分析可知其对乘员在正碰中起到较好的保护效果。

修改仿真模型，仅把单级气体发生器模块换成双级气体发生器模块，其余部件不变。这里双级气体发生器采用60/40气体发生量组合、10 ms起爆时间延迟及1个Φ25排气孔组合，与相同起爆时间及相同排气孔直径的单级气体发生器在相同的碰撞波形下进行仿真试验，然后对配有2种发生器的假人伤害曲线进行对比。图4示出单/双级气体发生器安全气囊仿真模型对假人伤害值对比曲线。

从图4可以看出，配有双级模块的气囊在假人头部加速度及颈部受力方面均优于单级气囊系统，因此对假人头部和颈部的保护效果优于单级模块气囊。而双级气体发生器气囊系统对于假人胸部的保护效果和单级气囊差不多，可能是由于双级气体发生器延迟起爆时间较短，使得气囊展开能量过于集中，导致假人胸部加速度较大。

通过对双级气体发生器的参数进行优化，主要是对气体发生剂比例和起爆延迟时间进行修改，共有6种参数组合：1）50/50，10 ms；2）50/50，20 ms；3）60/40，10 ms；4）60/40，20 ms；5）70/30，10 ms；6）70/30，20 ms。然后对这6组参数仿真模型进行求解，得出头部和胸部的加速度曲线。图5示出不同气体发生剂比例和起爆延迟时间所对应的头部和胸部加速度曲线图。

由图5可知，发生剂比例为60/40、延迟时间为20 ms的双级气体发生器气囊在6种参数组合中对假人头部和胸部的保护效果最好，比单级气体发生器气囊对乘员的保护效果更好。

3 结论

根据某实车正面碰撞试验数据，结合MADYMO软件建立仿真模型，对配备单级气体发生器气囊和双级气体发生器气囊进行仿真，并对结果进行对比分析，得出配有双级气体发生器的安全气囊在正面碰撞时，可根据碰撞程度来控制2级气体发生器点火，对乘员有更好地保护作用，尤其对假人头部和颈部的保护效果明显优于单级气体发生器安全气囊。因此双级气体发生器气囊是未来安全气囊发展的一个重要方向，可为进一步研究双级气体发生器气囊的工作提供参考。