面向“离位”儿童乘员的常开式安全气囊优化设计*

刘 刚，洪 亮，2，葛如海，3

（1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013；2.好孩子儿童用品有限公司，昆山 215331；3.常熟理工学院汽车工程学院，常熟 215500）

前言

2017 至2019 年，我国小学在校人数连续3 年超过1 亿人，如此数量庞大的儿童往返于学校与住所之间，亟需安全性能卓越的载运工具。校车被公认为最安全的儿童运载工具。然而，由于我国道路交通环境复杂、校车安全法规不完善等原因，致使校车事故频发。据不完全统计，仅2010 至2020 年，校车事故共造成173 名儿童乘员死亡，部分事故死亡率高达80%。

2012 年，我国颁布《专用校车安全技术条件》（GB24407—2012），强制性规定校车配备两点式安全带，以保护儿童乘员。但在校车正面碰撞中，两点式安全带仅能约束儿童乘员腰腹部的向前移动，无法有效限制儿童乘员头部、颈部及胸部的运动，导致头部、颈部等部位撞击前排座椅靠背，造成严重伤害。三点式安全带对于儿童乘员的保护效果明显优于两点式安全带。但在校车高速正面碰撞中，三点式安全带中的肩带严重挤压儿童乘员的胸骨与肋骨，致使胸部损伤。

在汽车正面碰撞中，安全气囊用于避免乘员与内饰件发生碰撞，在安全气囊与安全带的共同保护下，乘员的伤亡率降低61%。文献［8］研究表明安全气囊能够有效避免或减轻乘员的面部伤害。文献［9］研究指出在多种碰撞工况下，预触发式安全气囊对中等身材驾驶员的保护效果显著。文献［10］基于交通事故数据库系统（NASS-CDS）和汽车碰撞伤害数据库系统（CIREN），提出膝部安全气囊能够保护乘员的膝关节，防止膝关节至髋关节以及腰部以上的损伤。然而，儿童天性活泼好动，乘坐校车时常呈现多种非正常坐姿（即“离位”坐姿）。此时，安全气囊的防护效果明显下降，且安全气囊的起爆方式大多为点爆式，气囊在起爆瞬间产生巨大的冲击力，导致处于“离位”坐姿的儿童乘员（简称“离位”儿童乘员）死亡或遭受严重伤害。因此，传统安全气囊对“离位”儿童乘员的保护效果不佳，甚至造成意外伤亡。

鉴于当前校车保护装置和传统安全气囊的不足之处，文献［14］中提出一种常开式安全气囊，该气囊安装于前排座椅靠背的后表面，无瞬间点爆过程。在校车正常行驶中，常开式安全气囊已完成充气，呈膨胀状态；当校车发生碰撞时，常开式安全气囊保护儿童乘员的头部、胸部以及腿部等部位。之前，常开式安全气囊对儿童乘员保护功效的研究较少，主要基于通用儿童损伤阈值和正常儿童坐姿，开展常开式安全气囊的优化设计。然而，儿童处于快速生长发育阶段，不同年龄儿童的人体尺寸与解剖结构差异明显，导致各年龄儿童的损伤阈值区别较大，通用儿童损伤阈值无法衡量不同年龄儿童的损伤程度。儿童乘坐校车时，常呈现多种“离位”坐姿，正常坐姿工况难以全面厘清常开式安全气囊的保护功效。因此，本文针对之前相关研究的局限性，基于12 岁儿童的损伤阈值，开展多种儿童坐姿下常开式安全气囊的优化设计，探究常开式安全气囊对“离位”儿童乘员的保护功效，最终拓展其防护范围，全面提升儿童安全。

1 12岁儿童损伤阈值的确定

Hybrid Ⅲ型第5 百分位女性假人与我国12 岁儿童的身高、坐高及体质量等人体参数相似，因此通常选用该型假人研究12 岁儿童的运动状态与损伤情况。由于当前法规未涉及12 岁儿童各部位的损伤阈值，本文基于第50 百分位男性的损伤阈值，以及Hybrid Ⅲ型第50 百分位男性假人、Hybrid Ⅲ型第5 百分位女性假人的尺寸参数，利用基于量纲分析的比例缩放方法（见式（1）），获得12岁儿童头部、胸部与腿部的损伤阈值，如表1所示。

式中：λ、λ、λ、λ、λ、λ、λ、λ分别为尺寸比例系数、密度比例系数、弹性模量比例系数、时间比例系数、加速度比例系数、力比例系数、弯矩比例系数和头部伤害指标比例系数；下标1和下标2分别代表12岁儿童与第50百分位男性的相关参数。

表1 12岁儿童的损伤阈值

式（1）中，加速度比例系数与尺寸比例系数成反比，力比例系数、弯矩比例系数与尺寸比例系数成正比；相比于第50 百分位男性的人体尺寸，12 岁儿童头部、胸部和腿部的尺寸较小，因此，相对于第50 百分位男性的损伤指标，由加速度比例系数推导获得的12 岁儿童的、有所增加；由力比例系数、弯矩比例系数推导获得的12 岁儿童的、、有所下降。参照第50 百分位男性乘员的加权伤害指标，根据12 岁儿童的损伤阈值，本文提出12 岁儿童乘员的加权伤害指标（weighted injury criteria of 12-year-old child），其表达式如式（2）所示。

式中：、、、、分别为头部伤害指标、胸部3 ms 合成加速度、胸部压缩量、左大腿力、右大腿力；角下标T表示各损伤指标的阈值。

2 模型建立与验证

2.1 校车仿真模型的建立

利用碰撞仿真软件MADYMO，建立某型校车的儿童约束系统仿真模型（简称为“校车仿真模型”），其中包括地板、前后排座椅、Hybrid Ⅲ型第5百分位女性假人及两点式安全带等。模型建立的具体步骤为：①建立包含地板刚性模型、前后排座椅有限元模型的车内环境模型；②调入MADYMO 软件中自带的Hybrid Ⅲ型第5 百分位女性假人模型，并将其定位在后排座椅的居中位置，用于模拟12 岁儿童乘员的运动状态和损伤情况；③建立包含锚点、带扣和织带的两点式安全带模型，并对假人模型进行安全带预定位；④定义假人模型各部位与车内环境模型、安全带模型接触；⑤基于试验数据，定义前后排座椅有限元模型中靠背和坐垫的刚度；⑥将30 km/h速度正面碰撞试验台上测得的加速度曲线（如图1 所示）加载至校车仿真模型中，以模拟真实试验中假人的运动状态和损伤情况。由图1 可知，碰撞试验台测得的加速度曲线的上升沿、峰值、波宽与下降沿均位于国家标准《专用校车座椅系统及其车辆固定件的强度》（GB 24406—2012）规定的标准通道之内，因而此加速度曲线符合国家标准，能够再现真实的校车碰撞工况。

图1 试验曲线与标准通道

2.2 校车仿真模型的验证

所建校车仿真模型需经样车试验验证，以确保仿真结果的准确性。样车试验中测得的假人头部、胸部、腿部伤害响应曲线与仿真模型计算获得的对应伤害响应曲线之间的对比结果如图2 所示，在碰撞的不同时刻，试验与仿真中假人运动姿态的对比结果如图3 所示。由图2 和图3 可知，试验与仿真得到的假人头部、胸部、腿部伤害响应曲线的线型、峰值基本吻合，试验与仿真中假人的运动姿态基本一致，因此校车仿真模型具备较高的可信度，能够作为基础模型开展深入研究。

图2 试验与仿真中假人伤害响应曲线的对比

图3 试验与仿真中假人运动姿态的对比

2.3 校车—常开式安全气囊耦合模型的搭建

采用三维设计软件CATIA 和网格划分软件Hypermesh，构建常开式安全气囊的网格模型（如图4 所示），将其导入校车仿真模型中，搭建校车—常开式安全气囊耦合模型，如图5 所示。搭建此耦合模型的具体步骤为：①将常开式安全气囊的网格模型安装于前排座椅靠背后部；②设定常开式安全气囊的上部拉带、中部拉带、下部拉带的位置（如图6所示）以及长度、安装点高度、气体质量流率（如图7所示）、泄气阀的开启压力与开度、材料属性（弹性模量为2.5×10Pa，泊松比为0.3，密度为750 kg/m）等参数；③设置气压、温度等外界环境参数；④配置时间开关，以防止常开式安全气囊预充气过程中泄气阀的误作用；⑤定义假人头部、颈部、胸部、腹部、髋部、腿部与常开式安全气囊的接触，以及前排座椅靠背与常开式安全气囊的接触。

图4 常开式安全气囊的网格模型

图5 校车—常开式安全气囊耦合模型

图6 气囊拉带的位置示意图

图7 气体质量流率曲线

3 常开式安全气囊的优化设计

3.1 儿童“离位”坐姿的选取

文献［22］中通过测量多名第5 百分位女性长时间乘坐客车时，其颈部与躯干的夹角，以及髋关节、膝关节、踝关节的角度，获知第5 百分位女性常以躺卧坐姿乘坐客车。由于Hybrid Ⅲ型第5 百分位女性假人与第5百分位女性的人体尺寸基本相同，第5百分位女性的坐姿能够代表我国12 岁儿童乘员的坐姿。文献［23］中指出乘员为获得良好的舒适性，常以右倾坐姿乘坐汽车。因此本文选取躺卧坐姿和右倾坐姿作为12 岁儿童乘员的典型“离位”坐姿，展开不同儿童坐姿下常开式安全气囊的优化设计。

基于校车仿真模型中12 岁儿童乘员的正常坐姿（NP），调整12 岁儿童乘员颈部与躯干的夹角，髋关节、膝关节、踝关节的角度以及侧倾角，如图8 和表2 所示，以获得躺卧坐姿（OOP）和右倾坐姿（OOP），如图9所示。

图8 相关角度的示意图

表2 3种坐姿对应的相关角度

图9 3种儿童坐姿

3.2 3种坐姿下儿童乘员损伤程度的探析

当12岁儿童乘员处于正常坐姿（NP）、躺卧坐姿（OOP）和右倾坐姿（OOP）时，常开式安全气囊对12岁儿童乘员头部的伤害指标、胸部3ms 合成加速度、胸部压缩量、左与右大腿力与和加权伤害指标的影响如表3所示。由表3可知，对于，OOP＞OOP＞NP；对于，OOP最大，NP 和OOP相似；对于和，NP 和OOP较 大，OOP较小；对于，OOP最大，NP和OOP相似；3种坐姿下，变化不大。

表3 3种坐姿下12岁儿童乘员的损伤情况

在OOP下最大的原因是正面碰撞前，头部与常开式安全气囊相距最远，在碰撞过程中，头部向前运动的速度逐渐变大，致使头部与常开式安全气囊接触时，头部动能较大，导致常开式安全气囊难以快速吸收头部动能；相反，在NP 下头部与常开式安全气囊相距最近，因而最小；相比于NP，OOP下头部与常开式安全气囊的接触位置偏右，由于气囊横向表面存在一定曲率，致使头部侧向加速度增大（如图10 所示），同时相对于气囊中央，气囊右侧的气体较少，泄气量较小，最终导致较大。同理，在OOP下最大。相较于头部，胸部与常开式安全气囊的接触面积较大，因而在NP、OOP下，相似。相比于OOP，NP、OOP时膝部与前排座椅靠背相距较远，导致碰撞过程中，腿部向前运动产生的动能较大，且前排座椅靠背约束左、右大腿运动的时刻较晚，最终致使在NP、OOP下的和较大。

图10 NP、OOP2下头部侧向加速度的对比

3.3 优化因素的确立

常开式安全气囊的上部、中部、下部拉带的长度决定其外形特征；安装点高度决定儿童乘员与气囊的接触位置；泄气阀的开启压力与开度影响气囊的泄气特性。因此，选取上部拉带长度、中部拉带长度、下部拉带长度、安装点高度、泄气阀开启压力以及泄气阀开度作为灵敏度分析参数，确定优化因素。以正常坐姿（NP）、躺卧坐姿（OOP）和右倾坐姿（OOP）3 种坐姿下，上述6 个设计参数对应的变化率之和的均值为基准，开展灵敏度分析，各设计参数的取值如表4 所示，灵敏度分析结果如图11所示。

表4 设计参数及其取值

图11 灵敏度分析结果

由图11可知，泄气阀开度对12岁儿童乘员损伤的影响最为显著，其后依次为泄气阀开启压力、安装点高度、中部拉带长度、上部拉带长度、下部拉带长度。因此，确立泄气阀开度、泄气阀开启压力、安装点高度、中部拉带长度作为优化因素。

各优化因素的取值范围如下：

①中部拉带长度（）：0.26～0.32 m；

②安装点高度（）：0.345 0～0.410 0 m；

③泄气阀开启压力（）：1.16×10～1.34×10Pa；

④泄气阀开度（）：80%～200%。

3.4 响应面代理模型的构建与验证

基于最优拉丁超立方试验设计方法，面向12岁儿童乘员的3 种坐姿，分别生成30 次试验，如表5 所示。以最优拉丁超立方试验结果为依据，构建NP、OOP、OOP下，12 岁儿童乘员的加权伤害指标与各优化因素间的响应面代理模型，其表达式如下：

表5 最优拉丁超立方试验表

3 个响应面代理模型的相关系数分别为90.95%、99.33%和94.29%，因而，所构建的响应面代理模型具有较高的拟合精度，能够较好地代替仿真模型，可用于后续优化研究。

3.5 基于改进型NSGA-Ⅱ算法的优化研究

基于改进型NSGA-Ⅱ算法，开展3 种儿童坐姿下，常开式安全气囊的优化设计，其步骤如下：

步骤1：确定常开式安全气囊优化问题，选取中部拉带长度、安装点高度、泄气阀开启压力和泄气阀开度作为种群的个体。

步骤2：设定改进型NSGA-Ⅱ算法的参数，包括最大进化代数、交叉概率、变异概率和最优前端个体系数等，其中编码采用实数编码，选择操作采用竞标赛法，交叉操作采用模拟二进制交叉，如式（6）和式（7）所示，变异操作采用多项式变异，如式（8）和式（9）所示。

步骤3：初始化初代种群，种群数目为，第代种群P通过选择、交叉和变异等遗传操作，产生子代种群Q，与其父代种群合并获得种群R，种群数目为2。

步骤4：根据非支配排序生成多个前端，…，F，基于设定的最优前端个体系数，确定最优前端的个体保留数目，其他前端的个体保留数目则由式（10）确定。

步骤5：若所有前端的个体保留数目低于种群数目，则由前端F开始，以一个增量比例，扩大前端的个体保留数目，直至总个体保留数目大于等于。

步骤6：若所有前端的个体保留数目高于种群数目，则基于非支配排序和拥挤度，精简个体保留数目，直至总个体保留数目等于。

步骤7：修剪后P的种群数目为，若进化代数未达到最大进化代数，则返回步骤3。

步骤8：获取最后一个种群的最优前端个体保留数目作为Pareto解集。

步骤9：根据多个优化目标的优先级，筛选Pareto解集，得到优化问题的最优解。

其中

式中：和为父代个体；和为子代个体；为分布指数；u为随机数。

其中

式中：x(+1)和x()分别为父代和子代个体；为分布指数；u∈［0，1］。

式中：为前端个体保留数目；为控制前端个体保留数目的比例系数；ceil 为取整函数；为非支配排序后的前端总数。

基于改进型NSGA-Ⅱ算法的常开式安全气囊的优化流程如图12 所示。常开式安全气囊的优化问题见式（11）。

图12 常开式安全气囊的优化流程

对于3 种儿童坐姿，OOP下12 岁儿童乘员的加权伤害指标最高，OOP下12岁儿童乘员的加权伤害指标次之。因此，在优化过程中，本文决选OOP下的加权伤害指标为最高级，OOP下的加权伤害指标为次高级，同时兼顾NP。最终筛选出各优化因素的最优值，实现常开式安全气囊的优化设计。优化因素的初始值与最优值的对比如表6所示。

表6 优化因素的初始值与最优值

优化后的常开式安全气囊与两点式安全带共同约束和协调儿童乘员头部、胸部以及腿部等部位的运动，一方面充分缓冲儿童乘员的前冲能量，另一方面防止儿童乘员与前排座椅发生碰撞，实现3 种儿童坐姿下，12 岁儿童乘员的头部、胸部损伤程度和加权伤害指标显著下降。相对于原工况，优化前后儿童乘员损伤指标和伤害响应曲线的变化情况如表7和图13～图15所示。

图13 儿童乘员伤害响应曲线的变化情况（NP）

图14 儿童乘员伤害响应曲线的变化情况（OOP1）

图15 儿童乘员伤害响应曲线的变化情况（OOP2）

原工况时无常开式安全气囊约束儿童乘员胸部的运动，然而优化后，常开式安全气囊约束儿童乘员胸部的运动，从而挤压儿童乘员胸部，最终导致3 种儿童坐姿下，相对于原工况，优化后儿童乘员的值有所上升，但均远小于阈值51.5 mm。在OOP下，相对于原工况，优化后儿童乘员的有所增加，但远低于阈值69.6。增加的原因是：（1）在原工况下，头部撞击前排座椅靠背后部，但胸部未接触前排座椅靠背后部，如图3（f）所示；（2）在OOP下，正面碰撞前，儿童乘员的胸部与常开式安全气囊相距较远，在碰撞过程中，胸部向前运动的速度逐渐增大，致使胸部与常开式安全气囊接触时，胸部动能较大，导致常开式安全气囊无法有效吸收胸部动能，因而增加。然而，在NP、OOP下，由于胸部与气囊距离较近，常开式安全气囊能够有效吸收胸部动能，因而相对于原工况，优化后儿童乘员的明显降低。

表7 儿童乘员损伤指标的变化情况

为进一步研究优化后常开式安全气囊的保护功效，对比三点式安全带和常开式安全气囊防护下，12岁儿童乘员损伤指标的变化情况，如表8 所示。相比于三点式安全带，常开式安全气囊优化后，在NP和OOP下，儿童乘员的头部、胸部、腿部伤害指标显著下降；在OOP下，和有所降低，、有所上升，但和分别远低于阈值779.2和69.6。在OOP下，和有所上升的原因是：（1）在三点式安全带的防护下，儿童乘员的头部未与任何物体相接触；由于儿童乘员的上躯干后倾，正面碰撞初期，儿童乘员上躯干的重力势能能够抵消上躯干向前转动形成的部分动能，加之三点式安全带中的肩带始终约束上躯干，最终有效降低头胸的动能及损伤。（2）相比于NP和OOP，在OOP下，正面碰撞前儿童乘员的头部、胸部相对常开式安全气囊距离最远；碰撞中，在头胸与常开式安全气囊接触前头胸未受到任何约束，导致头胸的运动速度逐渐增大，接触时头胸的动能已较大，因而常开式安全气囊无法显著降低头胸损伤。总体而言，常开式安全气囊在NP和OOP工况下的防护效果优于三点式安全带。不同于传统安全气囊，常开式安全气囊能够重复使用，使用成本较低。

表8 三点式安全带与常开式安全气囊的保护功效对比

4 结论

确立12 岁儿童头部、胸部和腿部的损伤阈值，提出12岁儿童乘员的加权伤害指标，为提升12岁儿童乘员的乘车安全性确立基础条件和研究目标。

选择躺卧坐姿和右倾坐姿作为12 岁儿童乘员的典型“离位”坐姿，面向12 岁儿童乘员的正常坐姿、躺卧坐姿和右倾坐姿，厘清校车正面碰撞中，常开式安全气囊对头部伤害指标、胸部3ms 合成加速度、胸部压缩量、左与右大腿力与和加权伤害指标的影响规律。经灵敏度分析表明：泄气阀开度对12 岁儿童乘员损伤的影响最为显著，其后依次为泄气阀开启压力、安装点高度、中部拉带长度、上部拉带长度和下部拉带长度。以此作为依据开展3 种儿童坐姿下常开式安全气囊的优化研究。

获得正常坐姿、躺卧坐姿和右倾坐姿下12 岁儿童乘员的加权伤害指标与泄气阀开度、泄气阀开启压力、安装点高度以及中部拉带长度之间的响应面代理模型，利用改进型NSGA-Ⅱ算法对响应面代理模型进行优化求解，权衡确定常开式安全气囊主要设计参数的最优配置：泄气阀开度为1.997 3、泄气阀开启压力为1.1628×10Pa、安装点高度为0.362 8 m、中部拉带长度为0.315 2 m。此时，3 种儿童坐姿下常开式安全气囊能够最大限度地降低12 岁儿童乘员的损伤风险。上述结论有助于提升校车安全性，同时为新型儿童约束装置的研发提供理论依据和工程参考。