侧面碰撞双气室气囊的性能优化研究

葛如海，贺文平，应 龙

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

侧面碰撞双气室气囊的性能优化研究

葛如海，贺文平，应 龙

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

为了增强侧面安全气囊对乘员的保护效果，减轻侧面碰撞中乘员的损伤，搭建了车辆侧面碰撞PSM子结构模型，并通过试验对模型进行验证。首先建立了驾驶员侧双气室侧气囊模型，验证双气室气囊相对单级气囊的优越性，并进一步研究驾驶员侧和车体侧两个气室的气体发生器质量流率、泄气孔大小对双气室气囊保护效果的影响。试验结果表明：双气室气囊能有效提高对乘员的保护作用，减少乘员伤亡；气囊泄气孔大小对乘员伤害影响最大。这一研究为侧气囊的开发提供了新思路。

汽车被动安全；侧面碰撞；侧面气囊；双气室；乘员损伤；参数分析；正交优化

Abstract: To improve the protection effect for occupant of side airbag and reduce the passenger’s injury in side crash, vehicle side impact PSM substructure model was established and verified by test. The simulating model of double-chamber airbag was built to analyze that how the mass flow rate and frustrated hole size of the driver side and body side air chambers effect the protection for passenger. Results show that the double-chamber bag can effectively improve the occupant protection, and the frustrated hole size on driver side chamber is the biggest influence on occupant injury and death. This study offers a new way for the development of side airbags and foundation.

Keywords: automotive passive safety; side impact; side airbags; double chamber; occupant injury; parameter analysis; orthogonal optimization

我国的城市道路交通路况错综复杂，汽车侧面碰撞事故发生的几率较高。由于车辆侧面变形缓冲吸能空间小，当车身侧围承受来自侧面的撞击力时，车体挤压车内乘员，容易造成乘员损伤。与正面碰撞相比，侧面碰撞引发乘员致死、致伤的概率更大[1]。

事故分析显示：汽车发生侧面碰撞时，乘员与车门、车窗及外部物体的撞击是导致乘员死亡的主要原因之一，占侧面碰撞死因的60%[2-4]。汽车侧气囊系统作为一种重要的保护措施，在侧面碰撞发生时会从车座椅饰盖下瞬间弹出并快速充气膨胀，将乘员与车门等坚硬物体隔开，从而有效地保护乘员。

目前，国内外关于侧面安全气囊的研究已经趋于成熟。付艳[5]认为对气囊的气袋、饰盖结构的设计和优化可使气囊的保护效果最佳，白雪飞[6]分析了不同叠袋方式对假人的保护效果的影响。这些研究目前集中于单级气囊，而在通过建立双气室气囊来保护乘员的胸部和骨盆[7]的研究中，采用上下划分气囊的方式。目前，还未有将气囊在碰撞方向上划分为两层气室的研究成果报道。基于此，本文将采用CATIA、Hypermesh和MADYMO等软件对驾驶员侧胸腹式双气室气囊进行仿真建模研究。

1 侧碰乘员约束系统仿真模型

充分利用实车侧面碰撞试验的数据，建立车辆侧面碰撞PSM子结构乘员约束系统仿真模型。

1.1 汽车侧碰试验及相关数据提取

试验按照C-NCAP要求进行。移动台车前端加装可变形吸能壁障冲击试验车辆驾驶员侧。移动壁障行驶方向与试验车辆垂直，移动壁障中心线对准试验车辆R点，碰撞速度为50 km/h[8]。在建立PSM子结构模型时，除需采集实车碰撞假人伤害数据和假人伤害部位相对应车体结构的运动情况外，还需要在汽车座椅、汽车门槛等位置布置传感器用于测量运动情况。

假人上肋骨、中肋骨、下肋骨、骨盆和趾骨等伤害感应位置以及车门内板相关位置均布置了传感器。在撞击侧车门内板布置了8个传感器， B柱内板布置有4个传感器，分别布置在顶端、中部、底部和最底部。试验前需要对假人和座椅的相关数据进行测量来确定仿真模型中假人的坐姿，主要有假人H点位置、靠背角、骨盆水平夹角、大小腿间夹角以及上臂膀和躯干的夹角等。

1.2 车体结构建模

汽车侧面车体结构包括驾驶员侧A柱、B柱、C柱、B柱内饰、前门内板以及前门内饰板等。侧碰过程中对乘员伤害影响较大的是车门的倾入速度[9]，仿真模型中车门的运动以实车试验中获得的车门内板的加速度波形作为输入。建模时，先获得车门内板运动初始PSM模型，在车门内板传感器所在位置，分别输入所测得的位移-时间函数进行PSM scaling计算。B柱内板和B柱内饰板的PSM建模方法同车门内板、车门内饰板建模方法。其余车体结构的运动不考虑车体变形，采用B柱顶端传感器测得的加速度波形，和B柱顶端一起运动。

1.3 座椅和地板建模

座椅是乘员约束系统中一个非常重要的子系统，由头枕、靠背、侧翼和座垫组成。按照试验中测得的座椅运动加速度波形处理座椅的运动。对地板可以直接进行网格划分，并赋予座椅加速度运动波形。

1.4 假人的定位和模型接触的定义

仿真模拟前需对假人进行定位。本文基于试验测得的座椅和假人相关数据对假人进行定位，保证仿真模型中假人坐姿和试验中假人坐姿高度一致。

在建立侧碰PSM子结构仿真模型时涉及到的接触主要有：假人与帘式气囊的接触、假人与侧气囊的接触、假人与座椅的接触、假人与门内饰板的接触、侧气囊与门内饰板的接触、帘式气囊与前后窗以及B柱的接触等。

2 侧碰乘员约束系统仿真模型的验证

汽车侧碰PSM子结构仿真模型建立后，对模型进行验证。对模型的验证主要从假人的运动响应以及假人伤害值两个方面进行[10]。MADYMO侧碰模型的验证需遵循接触时刻先后的原则，即按接触时刻先后顺序。力和加速度信号需要满足“起始时刻、形状、峰值、峰值时刻及脉宽”等基本特征[8]。模型验证之后才可进行气囊模块参数、点火时间等参数的优化分析。

图1为不同时刻实车试验中假人运动响应和MADYMO仿真模拟假人运动响应的对比。

图2～6为部分试验得到的假人伤害值响应和MADYMO仿真假人伤害值响应对比。

图1 实车试验和仿真模拟的假人运动响应对比

图2 头部Y向加速度

图3 头部合成加速度

图4 中肋骨Y向压缩量

图5 髋部合成加速度

图6 后部腹Y向受力

乘员在侧面碰撞中的伤害指标一般有:头部伤害准则(HIC)、胸部损伤评价指标(TTI)、胸部黏性伤害指标(VC)、胸部肋骨变形量(RDC)、腹部受力伤害指标(APF)、盆骨趾骨受力伤害评价指标(PSPF)[11]。表1为试验和仿真的假人伤害指标对比。从表中可以看出：除T12受力Fy以及T12力矩Mx外，其他关键伤害指标值的误差都能控制在10%以内。由于在最终的碰撞伤害综合评价指标中T12受力和T12力矩不作为目标函数的选取变量，因此仿真模型满足对标要求。

表1 模型计算结果和试验结果对比

综上，无论是假人运动响应对比还是假人伤害值响应对比，汽车侧碰PSM子结构仿真模型计算结果与实车试验结果都能较准确地吻合。这表明建立的侧碰PSM子结构仿真模型能部分代替实车试验进行后续侧面约束系统的优化设计。

3 双气室侧气囊仿真建模

3.1 双气室气囊的几何设计

在气囊的设计中一般首先按照车体结构以及多假人、多工况的要求确定保护区域[12]：依据 50百分位和95百分位假人保护区域进行气袋几何设计，保证覆盖面积全面，让气囊能发挥出最佳性能来保护驾驶员胸部和腹部，使假人不受侵入车门的伤害。如果气袋展开后覆盖面积不全，最终将降低气囊性能。

根据气囊与假人的接触面积划分保护区域的包络线进行气袋外形尺寸的设计，气袋充满后保证尺寸要求如下：

高度：至少覆盖假人腹部和胸部上部，约等于650 mm。

宽度：至少覆盖假人胸部宽度，约等于450 mm。

厚度：最厚处约120 mm。

3.2 气囊有限元模型的建立

本文研究的气囊由驾驶员侧气室气室、车门侧气室两部分组成，2个气室共用1个内侧面，外侧面上分别有泄气孔。2个气室不连通，分别由2个气体发生器控制。

气囊采用三角形膜单元划分网格，单元尺寸选取为10 mm，最小单元尺寸控制在2 mm。利用Hypermesh划分网格时，先画出气囊的折叠线，然后沿气囊的折叠线位置进行网格划分，以减少由此产生的初始应力与应变[13]。网格划分后采用Oasys Suite 12.0 Primer12_x64对气囊进行折叠(见图7)，然后使用Hypermesh对折叠好的气囊进行弯曲。对本文建立的气囊模型共进行了7次折叠。

图7 气囊的折叠

3.3单、双气室气囊模型的保护效果对比

在建立气囊模型过程中，首先建立了带有驾驶员侧气室和车体侧气室的双气室模型，模拟2个气体发生器分别控制2个气室的情况。该模型中气室与气室之间没有交换区域，2个气室通过共用中间面来连接，有独立的泄气孔。为了研究双气室气囊和单气室气囊的保护效果，将建好的双气室气囊的中间面删除，形成了只有1个气室的侧气囊，并对其设定2个气体发生器。

在单气室气囊和双气室气囊的仿真模型建立之后，对单气室气囊和双气室气囊单独作静态起爆仿真，然后分别放入侧碰子结构系统模型中进行运算。在运算结果的Peak文件中可以找到相应的假人伤害响应值。通过对比两种状态下假人的伤害响应值来探讨双气室是否具有一定的优越性。表2是单气室气囊和双气室气囊保护下的假人伤害值对比，双气室气囊保护下的假人伤害值相对于单气室气囊有明显的下降。

表2 单、双气室气囊模型假人伤害响应值对比

单气室气囊和双气室气囊仿真模型保护下的假人腹部响应值见图8～12。

图8 中肋骨Y向位移

图9 下肋骨Y向位移

图10 上肋骨Y向加速度

图11 中肋骨Y向加速度

图12 下肋骨Y向加速度

从图8～12可以看出：不论是胸部的Y向加速度还是胸部的Y向位移，双气室气囊保护下的假人胸部加速度峰值和位移峰值都小于采用单气室气囊保护的情况。

通过上、中、下肋骨的Y向加速度对比可以看出：在单腔气囊保护下，假人的胸部加速度出现了两次峰值，分别出现在45 ms和65 ms左右。45 ms时刻，假人向气囊侧运动，气囊对假人开始产生明显的缓冲作用，假人胸部开始减速；65 ms时刻，假人的胸部再次减速，此时的减速度主要由车门提供。这说明此时的气囊压缩量达到最大或者气囊发生了击穿现象。而在双腔气囊的保护下，假人胸部加速度的变化一直处在比较平稳的状态，低于高性能限值。因此，双气室气囊具有明显的优越性。

4 双气室气囊参数优化

4.1 气囊匹配实验设计

双气室气囊相对于单气室气囊增加了1个气体发生器，对乘员伤害影响比较敏感的气囊参数依次为气体发生器质量流、排气孔大小、织物渗透率等[10]。本文的参数优化主要探讨在2个气室几何形状相同的情况下，2个气室的质量流率、气囊泄气孔大小同时变化时，如何通过优化设计以达到使假人伤害指标值最小的目的。气体发生器质量流量和驾驶员侧气室泄气孔大小参数值及设计水平如表3 所示。水平1根据汽车侧面碰撞仿真的经验值来选取，气室1为车体侧气室，气室2为驾驶员侧气室。

表3 设计变量参数水平

本文采用假人的伤害值加权后的综合伤害评估值WIC[13]作为优化的目标函数，数学表达式如下：

(1)

其中WIC作为目标响应综合伤害评估值，其值越低，气囊对乘员的保护性能越好。

4.2 侧面安全气囊设计参数的优化

根据3因素3水平正交试验表构造9个试验点，见表4。

由正交试验得到的9组响应值见表5。

表4 双气室气囊正交试验设计

表5 正交试验的响应值

由响应值可以看出：在气室1气体发生器质量流量系数为 1.0,气室2气体发生器质量流量系数为 1.0、气室2泄气孔直径为36 mm时，WIC值最小，乘员保护效果最好。按照CNCAP标准[6]，假人侧面碰撞胸部得分从原始模型的2.76分增加为3.53分。

表6给出了初始设计与优化设计的假人伤害响应值的对比。可以看出：优化设计后的胸部变形指标降低了12.5%,年限指标降低了16%，腹部变形指标降低了20%，达到法规要求。头部损伤指标和胸部黏性指标相比初始设计明显降低，骨盆损伤指标满足法规要求。因此，优化设计已达到要求。

表6 初始设计与优化设计响应值

5 结束语

本文建立了侧碰子结构仿真模型，分析了单气室气囊和双气室气囊的不同保护效果。研究结果表明：双气室气囊相对于单气室气囊而言能对假人提供更好的保护效果，双气室气囊在侧面碰撞过程中能起到两级缓冲作用，最大化地吸收假人在侧碰中的能量。采用双气室气囊还能避免侧面碰撞过程中的气囊击穿现象，防止因单气室气囊击穿导致的气囊在击穿后无法对假人起到缓冲作用的情况出现。

本文还通过正交试验设计，使侧面碰撞乘员约束系统的可靠性满足设计要求。优化设计之后，胸部压缩量的分布范围为13～17 mm，黏性指标的分布范围为0.072～0.113 m/s，腹部力约为1.17～1.73 kN，耻骨力约为1.98～2.21 kN，WIC约为0.28～0.34，满足可靠性设计的要求。

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[5] 付艳.LY车型轿车侧面安全气囊设计与开发[D].长春：吉林大学，2013.

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(责任编辑杨黎丽)

ResearchonSideCrashDouble-ChamberAirbagDevelopmentandExperimentOptimization

GE Ruhai，HE Wenping，YING Long

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

2017-01-18

中国博士后科学基金资助项目 (2013M541607)

葛如海(1957—)，男，江苏如皋人，教授，博士生导师，主要从事汽车主、被动安全研究，E-mail：grh@ujs.edu.cn； 贺文平(1991—)，男，湖北随州人，硕士研究生，主要从事侧面碰撞乘员约束系统研究，E-mail：hewenping2000@126.com。

葛如海，贺文平，应龙.侧面碰撞双气室气囊的性能优化研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(9):1-7.

formatGE Ruhai，HE Wenping，YING Long.Research on Side Crash Double-Chamber Airbag Development and Experiment Optimization[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):1-7.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.001

U461

A

1674-8425(2017)09-0001-07