正面碰撞前后双气室气囊的设计与优化*

葛如海，顾瑶芝，蔡朝阳，黄可鑫，陈宇航

（1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013； 2.硅湖职业技术学院，昆山 215332）

前言

正面碰撞是最常见的碰撞形式，死亡人数最多［1］，前排乘员显然更加危险［2］。现有的研究中大多针对第50百分位的男性假人进行研究，对95百分位的大体型男性假人的研究较少，然而这种大体型的假人容易击穿安全气囊而与转向盘发生碰撞，因此本文中设计一个新型的气囊，并进行最优参数匹配，提升了对大体型假人的保护效果。

1 正面碰撞仿真模型的建立与验证

以某A级车驾驶室的实际尺寸为基础，采用MADYMO软件，建立正面碰撞仿真模型，如图1所示［3］。

将实车碰撞中采集的B柱下方的X向加速度波形（图2）输入到模型中。Y，Z向的加速度一般很小，且对假人的伤害值影响不大，予以忽略不计。

图1 正面碰撞MADYMO模型

图2 车辆X方向加速度

图3 正面碰撞模型中假人伤害与碰撞试验伤害响应的对比

按照实车试验中假人的位置调整模型中假人的H点坐标、骨盆角和假人姿态等。模型的验证主要通过原模型计算后与实车碰撞曲线进行对比，经过对原模型的不断调整，逐渐提高模型与试验的吻合度，最终使误差控制在15%以内［4］。依次将加速度和力的时间历程曲线进行验证，主要对曲线的起始时刻、峰值时刻、峰值和曲线形状等基本特征进行比较［5］。图3为仿真与碰撞试验中伤害响应的对比。仿真与试验结果对比及误差如表1所示。

表1 仿真与试验结果对比及误差

2 安装双气室气囊的模型仿真

将前面已验证的正面碰撞模型中的气囊替换为创新设计的前后双气室气囊进行仿真，并用CNCAP法规验证其保护性能。

2.1 气囊设计

根据已有的气囊尺寸确定双气室气囊的具体尺寸与形状，双气室气囊与传统单气室气囊结构对比如图4所示。与传统的单气室气囊相比，本文中所设计的双气室气囊有前后两个气室，均设有排气孔。双气室气囊的具体尺寸与形状确定后，采用CATIA建立几何模型，将建立的双气囊几何模型导入HYPERMESH中进行网格划分，如图5所示。在网格划分完之后须进行网格质量检查，对不合格单元进行适当调整。

图4 双气室气囊与传统单气室气囊结构对比

图5 气囊网格图

进一步采用Oasys Suite Primer对气囊进行折叠，如图6所示。而后在MADYMO软件中进行气囊仿真。气囊采用双气体发生器分别对前后气囊进行充气，主要通过控制气体质量流率和温度变化率来控制气囊的充气展开过程。气囊展开模式采用的是均匀压力法［6-7］。模型中所输入的温度和质量流率的时间历程如图7所示。

2.2 仿真分析

为检验所设计的气囊的性能，对建立的模型进行碰撞仿真，得到该工况下对乘员保护的各项数据。结合C-NCAP碰撞法规，使用50百分位的男性假人验证双气室气囊的保护效果。假人伤害指标对比见表2。由表可见：头部的HIC值、3 ms合成加速度、颈部剪切力、颈部张力、胸部肋骨黏性指数、大腿压缩力、膝盖滑动位移和小腿压缩力明显低于CNCAP规定的高性能限值指标；颈部伸张弯矩、胸部压缩变形量和胫骨指数则介于高性能值与低性能值之间。因此总体来说装有前后双气室气囊的正面碰撞模型符合C-NCAP的要求，可作为基础模型进行后续仿真［8］。

3 两种气囊模型的保护效果对比

图6 气囊折叠图

图7 质量流率与温度函数曲线

将95百分位男性假人导入前面建好的单气室气囊模型和前后双气室气囊模型，在车速为50 km／h条件下分别进行碰撞仿真，对95百分位假人的运动形态和伤害值进行对比，结果如图8和表3所示。

表2 假人伤害与C-NCAP指标对比

图8 95百分位运动假人形态对比

从图8可见，碰撞开始后95百分位的男性假人向爆开的气囊挤压，但由于惯性力过大，假人头部穿透了单气囊，与坚硬的转向盘直接碰撞。而换上双气室气囊后，同一运动形态下，假人头部在通过第一个气囊缓冲后到达小气囊进行了二次缓冲，头部没有撞到转向盘，说明所设计的双气囊能有效地防止大体型假人穿透气囊造成伤害。

由表3可以看出，改进后的双气囊与单气囊相比，着重保护头部，头部和颈部的伤害值明显降低，同时胸部的伤害值也略有降低，大腿和小腿的损伤几乎没有变化。因此，下面主要针对假人的头部和颈部进行优化，旨在寻找最优的参数匹配，实现对大体型假人最优的保护效果。

表3 两种气囊模型假人伤害值对比

4 优化研究

乘员约束系统优化目标是找到一种设计方案，能为乘员提供最佳的保护［9］。本节中对气囊系统参数进行优化。

4.1 设计变量筛选

从假人损伤值的评价指标中，选取安全气囊两个排气孔直径、安全气囊点火时间、安全气囊两个气室的质量流率、两个气囊的拉带长度共7个因素对第95百分位男性假人正面碰撞的模型进行灵敏度分析。每个因素上下浮动20%，构成7个因素的大值和小值，共14个编号，如表4所示。在MADYMO中计算出损伤值，通过灵敏度分析，确定影响WIC的主要因素，结果如图9所示。

根据图9最终选定安全气囊点火时间、小气囊排气孔直径、大气囊质量流率、大气囊排气孔直径、小气囊质量流率5个因素进行优化。

表4 参数的选取及变化范围

图9 参数灵敏度分析图

加权伤害指标WIC作为优化的目标函数，利用正交试验方法对双气囊的设计参数进行优化［10］。WIC的表达式为

式中：HIC36为头部伤害值；C3ms为胸部3 ms加速度值；Ccomp为胸部压缩量，mm；FL和FR分别为左右大腿骨最大轴向压缩力，kN。

4.2 正交试验

根据五因素三水平正交试验表［11］构造18个试验点，得出其各响应值并计算极差值，见表5和表6。

表5 因素水平表

表中Ki为每一列上因素取水平i时所得结果的平均值，R为极差。

表6 正交试验表

4.3 结果分析

从极差值上可以看出，RE＞RA＞RC＞RD＞RB，即前后双气囊的5个因素对约束系统整体性能影响的主次顺序为气囊点火时间、大气囊的质量流率、大气囊排气孔直径、小气囊排气孔直径和小气囊质量流率。根据均值选取各因素的最优水平值，其最优组合为A3B2C1D2E2，由于正交试验中没有该组合，需要对最优组合进行仿真。优化前后假人伤害值及其变化率见表7，优化后的双气室气囊与传统单气室气囊的保护效果对比见表8。

表7 优化前后假人伤害值及其变化率

表8 单双气囊假人伤害值及其变化率

由表7可知，优化后头部HIC值减少了18.1%，胸部压缩量减小了3.8%，胸部3 ms加速度虽然略有增大，但是也满足法规要求，伤害指标WIC减小了10.2%。由表8可知，优化后的双气室气囊较传统的单气室气囊WIC值降低了30.7%。因此前后双气囊对头胸部位保护得到有效提升，提高了约束系统性能，达到了优化效果。

5 结论

建立某A级车100%正面碰撞驾驶员侧的仿真模型，并进行了模型验证。针对现有气囊对大体型乘员的保护效果较差的问题，创建了一个新型的双气室安全气囊，旨在更好地保护大体型假人免受因穿透气囊造成的伤害。设计正交试验优化气囊参数，找到了气囊的最优匹配参数。结果表明，在大气囊质量流率缩放系数为1.2，小气囊质量流率缩放系数为1，大气囊排气孔直径为20 mm，小气囊排气孔直径为10 mm，气囊点火时间为22 ms时，乘员综合伤害最小。