校车主动式安全气囊包形对儿童乘员保护效果的研究

陈 珣，张美娟，王 莹

（无锡职业技术学院汽车与交通学院，江苏无锡 214121）

0 引言

根据现行国家标准《专用校车安全技术条件》[1]规定，校车乘员约束系统由前后排座椅、2 点式安全带和扶手组成。对于约束系统的保护效果，国内外学者开展了一系列研究。McGeehan 等[2]通过对美国校车儿童伤害情况进行统计分析，得知儿童头部和颈部更容易受到损伤，且10～14 岁儿童受伤比例最高；李志刚等[3]研究表明，采用现有校车乘员约束系统，儿童乘员颈部在正面碰撞过程中易发生严重伤害，可使用3 点式安全带降低颈部伤害风险；Elias 等[4-5]通过整车和台车碰撞试验指出，座椅靠背高度、座椅刚度、座椅间距会影响乘员伤害水平，且使用3 点式安全带有助于降低乘员伤害，但错误使用反而会使乘员伤害水平更加严重；韩勇等[6]发现，在校车乘员约束系统中使用3 点式安全带会对乘员胸部带来较大伤害，且肩带高度的不匹配将会增加儿童颈部的损伤风险。

由以上研究可知，使用2 点式安全带与3 点式安全带进行儿童乘员约束效果均不理想。此外，实际乘车儿童常处于离位状态，安全带佩戴率较低[7]。为提高校车乘员约束系统对儿童乘员的保护效果和主动性，将安全气囊引入现有校车乘员约束系统，提出一种新型常开式的主动式校车安全气囊。以某校车乘员约束系统正面碰撞仿真模型为基础，基于12 岁儿童模型建立主动式安全气囊模型，并对12 岁儿童进行防护效果仿真分析，探索设计出合适的安全气囊包形。

1 校车主动式安全气囊设计思路

1.1 设计概念

与传统点爆充气式安全气囊相比，校车主动式安全气囊为常开式，即在车辆起步后，有乘员乘坐位置的安全气囊充气打开，且在整个行车过程中保持充满气体的状态。该气囊安装于前排座椅靠背背面的盒体中，当乘员落座车辆启动达到一定车速后，气囊缓慢充气面向后排乘员展开，限制乘员离位活动，能有效约束后排儿童乘员的乘坐姿势，并能在儿童乘员周围形成柔软的吸能缓冲保护层，实现碰撞、紧急制动等工况下对校车儿童乘员的全方位保护。当校车停车时，驾驶员可操作关闭气囊，气囊泄气由卷簧自动收回，方便乘员上下车。校车上安装气泵，通过管路为车上的所有主动式气囊充气。座椅座垫中安装压力感应装置，检测乘员质量，根据乘员体重控制气囊的充气压力及排气阀开度，以达到对不同体型乘员都能提供最佳保护的目标。

1.2 正向设计开发流程

以某小学校车乘员约束系统台车试验数据为基础，利用MADYMO（Mathematical Dynamic Model，多刚体动力学软件）建立校车乘员正面碰撞仿真模型，完成模型验证，如图1 所示。在此基础上，建立主动式安全气囊模型。图2 为校车主动式安全气囊正向开发过程，主要内容包括：①校车主动式安全气囊几何设计；②校车主动式安全气囊有限元模型及MADYMO 仿真模型的建立；③校车主动式安全气囊乘员伤害仿真分析与包形判断选择。

2 校车主动式安全气囊几何包形模型的建立

采用CATIA V5 进行校车主动式安全气囊的几何造型设计，所有几何尺寸均与已建立的某小学校车乘员约束系统模型相匹配。

2.1 儿童乘员几何模型的选用

因小学校车座椅不可调，所以在座位上，12 岁儿童占据最大空间，为保证气囊可保护所有乘员且同时不压迫乘员，以12岁儿童为基准进行包形设计。在台车试验和校车儿童乘员约束系统模型中[8-9]，均采用Hybrid Ⅲ型5 百分位女性假人模拟我国12 岁平均身材儿童，该假人尺寸根据美国女性统计数据得到，故在使用CATIA 进行包形设计时，使用其中的Human builder 模块建立美国5%女性人体模型，模拟我国12 岁儿童。

2.2 气囊几何模型的建立

（1）乘员坐姿。气囊展开时应与乘员坐姿相适应，既能约束乘员位置正确，又保证乘员的舒适性。在CATIA 中调整人体模型位置及各关节角度，使其处于舒适坐姿，根据人体模型的多种坐姿轮廓，初步建立气囊的几何模型。

图1 校车儿童乘员约束系统模型

图2 校车主动式安全气囊的正向开发流程

（2）气囊的保护范围。由台车实验和MADYMO 仿真模型可知，使用现有的校车乘员约束系统时，5 百分位女性假人的头部与前排座椅靠背碰撞，头部和颈部的伤害水平较高，因而所设计气囊应对乘员头部和颈部起到有效保护。而5 百分位女性假人胸部在碰撞时不会与前排座椅靠背发生碰撞，若添加安全气囊，虽能吸收一部分胸部运动动能，但有可能增加胸部二次碰撞伤害风险，所以可建立保护范围包含胸部和不含胸部的气囊进行伤害对比分析。

（3）气囊充气变形。气囊充气后会发生边缘变薄、中间鼓胀变形，气囊到人体的距离及保护范围会发生一定变化，可使用拉带限制其变形，以满足其保护效果以及乘员的舒适性要求。

综合考虑以上因素，建立多个气囊几何模型（图3）。

3 安全气囊有限元模型及MADYMO 仿真模型的建立

3.1 安全气囊有限元模型的建立

将CATIA 中建立的气囊几何模型导入Hypermesh 中，采用三角形膜单元进行网格划分。考虑到拉带布置问题，气囊与人体接触主面和靠背固定面的网格划分需平整。划分网格时，在气囊左右两侧相同位置各留一直径相等的不封闭孔洞作为气囊排气孔，用于后面MADYMO建模。气囊有限元网格模型如图4 所示。

3.2 气囊MADYMO 仿真模型的建立

图3 校车儿童乘员约束系统模型

将气囊有限元模型导入校车乘员正面碰撞MADYMO 仿真模型中，调整气囊位置，使之与前排座椅靠背相固定。根据气囊包形的不同，采用拉带控制气囊充气后的形状，调整气囊的厚度以及到人体各部位的距离，建立4 个保护范围不同的安全气囊MADYMO模型（图5），4 个气囊顶点高度相同，至下部长度依次增加，保护范围逐步扩大。

为比较4 个气囊对乘员的碰撞保护效果，对气囊织物属性、气囊充气压力以及排气孔开启压力均采用相同设置。碰撞开始前对气囊进行预充气，充气结束后加载台车实验实际碰撞加速度场，假人向前运动撞击压缩气囊，当气囊内部压力上升达到排气孔开启压力时，排气孔开启，气囊泄气，进一步吸收乘员动能。

图4 安全气囊有限元网格模型

4 安全气囊包形保护效果比较分析

4.1 头部气囊保护范围对乘员伤害的影响

1、2 号气囊到假人面部距离相同，1 号气囊保护范围为乘员头部和颈部，2 号比1 号略长，下端保护至人体肩部。仿真时2个气囊均保证假人头部不与前排座椅靠背发生碰撞。经过MADYMO 碰撞仿真分析，得到乘员伤害指标（表1），乘员运动姿态如图6 所示，乘员各部位伤害曲线如图7 所示。

根据表1、图6、图7 可知，2 号气囊与1 号气囊相比，头部伤害评价指标HIC15 低37.3%，颈部伤害评价指标Nij低63.5%，2 号气囊对乘员头部和颈部的保护效果明显优于1 号气囊，对胸部和腿部的保护效果则没有显著差异。这是由于2 号气囊对乘员肩部有所支撑，降低了乘员头部和胸部的相对运动幅度，减少了乘员颈部伤害，同时肩部可以与头部共同接触气囊，分担头部的能量耗散，降低头部伤害。

表1 1 号2 号气囊乘员伤害指标

图5 安全气囊MADYMO 模型

图6 1 号、2 号气囊假人运动姿态

图7 1 号、2 号气囊假人各部位伤害曲线

4.2 胸腹部气囊对乘员伤害的影响

2、3、4 号气囊的上顶点高度一致，气囊到乘员面部、颈部、胸部的距离相同，通过MADYMO 正面碰撞模拟仿真，得到乘员运动姿态（图8）、伤害指标（表2）及伤害曲线（图9）。由图8 可知，3 个气囊都在55 ms 左右的时刻与乘员面部发生接触。2 号气囊下端与乘员上胸部平齐，当发生碰撞时，气囊下端可对乘员肩部起到支撑，肩部以下无气囊接触；3 号气囊下端保护范围涵盖整个胸部，碰撞时除头颈部外，胸部大部分面积都与气囊发生接触；4号气囊下端一直到乘员大腿表面，整个气囊保护范围涵盖了乘员的头部颈部胸部及腹部，与3 号气囊相比，碰撞时胸部及上腹部会与气囊发生接触。

图8 2、3、4 号气囊对假人的保护范围

图9 2、3、4 号气囊假人各部位伤害曲线

表2 2、3、4 号气囊乘员伤害指标对比

由表2 和图9 可知，3 个气囊碰撞模型中，乘员的头部伤害指标HIC 和腿部伤害指标大腿轴向力FFC 相差不大，对乘员的头部和腿部保护效果基本一致。而乘员胸部伤害指标T3ms和颈部伤害指标Nij差距较为显著，2 号气囊和3 号气囊胸部伤害T3ms比4 号分别高高15.4%和8%，颈部伤害Nij分别高19.6%和18.6%。3 个气囊对乘员的保护效果：4 号＞3 号＞2 号。由于4 号气囊与乘员躯干接面积最大，相同刚度下，乘员受到气囊的支撑力最大，胸部运动速度下降快，减速度变化更平稳（图9b），胸部向前下方的运动量相对2 号和3 号更少，气囊的支承效果更好。气囊对胸部运动的有效阻止，使得乘员头胸运动一致性得到提高，颈部剪切力和颈部弯矩下降（图9c、图9e），提高了气囊对乘员的颈部保护效果。总体而言，4 号气囊对乘员的保护效果最好，选取该包形为最优包形。

4.3 最优包形与原乘员约束系统乘员伤害对比分析

原乘员约束系统与最优4 号包形对乘员伤害指标如表3 所示。由表3 可知，与原仅使用安全带相比，增加新型主动式安全气囊后，乘员的头部和颈部伤害有明显改善，分别下降77.3%和83.2%；胸部伤害下降7.1%，腿部伤害下降不大，所有伤害指标值均明显低于伤害极限，对乘员保护效果显著。

表3 原乘员约束系统与4 号包形乘员伤害指标

5 结论

（1）校车主动式安全气囊，可以显著提高12 岁儿童乘员的头部和颈部保护效果，对胸部保护效果也有所提升。

（2）校车主动式安全气囊的设计，应减小头部与胸部的相对运动，以提高对乘员颈部的保护效果。

（3）校车主动式安全气囊在上顶点高度相同的情况下，向下对乘员的保护范围越大，对乘员的保护效果越好。保护范围包含乘员的头部、颈部、胸部和腹部的气囊，对12 岁儿童乘员的保护效果最优。