侧面多腔室气囊的设计与优化研究*

葛如海，陈宇航，洪 亮，蔡朝阳，崔义忠

（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

侧面碰撞是仅次于正面碰撞的碰撞类型。汽车在发生侧面碰撞时所产生的能量主要由门槛梁、防撞杆和B柱等侧面结构以及侧面气囊、侧气帘等约束系统吸收。头部伤害是侧面碰撞造成死亡的最主要伤害形式，胸腹部伤害次之，同时也是最主要的致残伤害形式［1-2］。配备侧面气囊（SAB）是侧面碰撞中对乘员的一种有效保护方式。当发生侧面碰撞时，侧面气囊通过排气来吸收侧面碰撞产生的能量，减少乘员吸收能量，以达到保护乘员的目的［3］。目前国内外对于侧面安全气囊的研究已趋于成熟，但大多集中在单腔室气囊的研究上。本文中针对某车型的侧面气囊对乘员保护效果不佳的现象，重新设计了一种侧面多腔室安全气囊，对新型气囊进行了建模仿真与参数优化。

1 侧面碰撞PSM模型的建立与验证

1.1 侧面碰撞PSM子结构模型的建立与验证

PSM子结构法是MADYMO软件提供的一种侧面碰撞仿真的简化方法。使用该方法可将整车有限元碰撞模型计算得到的运动作为边界条件，建立包括车门、内饰、座椅和约束系统等直接影响乘员伤害的部件在内的子结构模型［4］。利用PSM方法，基于碰撞试验，建立某车型包括地板、车门、座椅、侧气囊、侧气帘和假人在内的子结构模型，见图1。

图1 侧面碰撞PSM子结构模型

依据试验中假人的位置坐标，调整模型中假人的H点坐标和假人姿态。获取车门内板与内饰板和B柱内板与内饰板的初始PSM模型后，将实车试验中采集到的车门内板和B柱内板的位移-时间函数进行PSM scaling计算。并将座椅与地板同时赋予座椅Y向加速度波形，完成PSM子结构模型建立。座椅Y向加速度波形见图2。

图2 座椅Y向加速度波形

将建好的模型在MADYMO中提交运算，并从假人的运动响应和假人的伤害值两个方面对所建模型对标。假人的运动响应验证要遵循“从下至上”的原则，即先下肢、髋部、腹部和胸部，最后验证头部运动响应情况［5］。图3为试验与仿真中假人的运动姿态对比，图4为试验与仿真中假人各部位伤害响应曲线与实车试验曲线对比，表1为仿真值与试验数据的误差。

图3 试验与仿真中各时刻假人运动姿态

由图4和表1可知，仿真中假人的运动状态与实车试验中的运动状态基本吻合，假人各部位响应曲线与试验曲线对比后满足起始时刻、形状、峰值、峰值时刻和脉宽等误差要求［6］，仿真结果与试验结果误差均在15%以内，故该模型可用于后续研究。

1.2 原有约束系统乘员损伤分析

参照中国汽车技术研究中心发布的2015年版C-NCAP管理规则，原约束系统中假人的头部、胸部、腹部和髋部的损伤值均低于标准规定的高性能限值，但胸部压缩变形量、耻骨力与其高性能限值较为接近，且腹部力数值大于高性能限值，无法在评价中得到满分。

图5为原约束系统中假人髋部加速度、胸部加速度和压缩量曲线。

表1 实车试验结果与仿真值对比

图5 原约束系统中假人部分伤害值曲线

由图5可以看出，在15 ms左右，气囊与假人胸部发生接触，使假人产生较小的Y向加速度，20-50 ms期间气囊处于排气过程，假人的胸部加速度由排气中的气囊提供，其数值处于较低的稳定状态，50 ms后气囊达到体积最小值，假人胸部加速度由车门内饰提供，在54 ms左右出现加速度峰值。该峰值数值较大，判断气囊可能发生击穿现象［7］。在29 ms左右侧面内饰与髋部发生接触，髋部产生加速度，此后胸部和髋部加速度数值逐渐增大，在43 ms左右达到峰值。

原有气囊重点保护乘员胸部，而保护腹部部分碰撞方向上尺寸不足，且没有与髋部接触的部分。假人最先与气囊接触的部位是胸部，髋部并未与气囊或内饰接触而产生加速度，而该时刻气囊已造成肋骨的压缩，故在后续的侵入过程中可能造成肋骨压缩量过大。

2 多腔室侧面气囊的设计与仿真

文献［8］中通过台车试验对侧撞工况下驾驶位乘员损伤因素进行量化分析，得出在一定的碰撞速度下，使侧面碰撞结构对于乘员具有一定的髋部提前量，能有效提高乘员安全等级的结论。综合所研究的侧气囊出现的击穿现象，结合已有研究，决定对气囊结构进行重新设计。

将新型侧面气囊设计成多腔室结构，气囊上下分两腔室，分别对胸部及其以上部分和腹部及其以下部分进行保护，上腔室又分成靠近乘员侧腔室A与靠近车门内饰侧腔室B，两个腔室各设有独立的内拉带以控制气囊碰撞方向上的尺寸。气囊的3个腔室互不连通，且各有一个排气孔，用于控制气囊的泄气率。控制腔室A的气体流率在较低水平，在碰撞初期令假人接触到腔室A时不产生过大的加速度。控制腔室B的气体流率与泄气率，使腔室A与腔室B先后泄气完成，形成二级缓冲来降低肋骨压缩量，减小加速度。腔室C用于保护腹部及以下部位。新型气囊结构简图见图6。

图6 新型气囊结构简图

2.1 多腔室气囊设计

气囊的几何设计要保证其X向与Z向长度满足ES-Ⅱ假人各部位保护要求［9］，并用拉带约束其Y向尺寸在合理范围内。最终确定的气囊几何参数为高度630 mm，宽度315 mm，厚度180 mm，按照尺寸要求在CATIA中进行造型设计，见图7。

图7 气囊几何造型设计

几何设计后将模型导入Hypermesh中进行网格划分。为能更好地模拟气囊展开时的特性，采用三角形膜单元进行网格划分，单元尺寸选取为10 mm。注意检查网格质量，使其最小尺寸不小于2 mm。划分网格后将模型导入OASYSPRIMER软件中进行气囊折叠。气囊折叠前后如图8和图9所示。

图8 气囊折叠前

图9 气囊折叠后

2.2 多腔室气囊仿真分析

在MADYMO中进行气囊仿真，使用均匀压力法模拟气囊的展开。分别在3个腔室中各定义一个气体发生器来模拟多导管充气方式。气体发生器流率采用Tank试验中测得的气体质量流率曲线。对气体质量流率函数曲线添加FUNC_USAGE.2D命令，并使用Y_SCALE定义质量流率缩放系数来制造不同气体流率。气体发生器质量流率和温度随时间变化的函数曲线如图10和图11所示。

图10 气体发生器质量流率

图11 温度函数曲线

原有气囊与新型气囊的展开状况对比见图12。

图12 原有气囊（左）与新型气囊（右）展开状况对比

利用C-NCAP的规定指标来评价新型多腔室气囊的保护效果。两种气囊模型下假人损伤统计见表2，与C-NCAP规定指标比对，各指标数值均低于高性能限值。

表2 不同气囊模型下假人伤害对比

从表2可看出，腹部力变化较大，这是因为相比原有气囊，多腔室气囊对腹部进行有针对性的腔室设计，从而保障了假人在碰撞过程中不直接与车门内饰接触，减少了损伤。值得一提的是，头部伤害指标HIC36在使用新型气囊的情况下减小了11%，因为新型气囊在尺寸上保证了碰撞方向上的厚度，在不增加胸腹部伤害的同时起到了将假人向非碰撞侧推离的效果，降低了头部与气帘接触的剧烈程度。综上所述，可见多腔室气囊对侧面碰撞中的乘员具有良好的保护效果。

3 基于正交试验的多腔室气囊参数优化

文献［10］中根据已有研究提出了侧面碰撞除头部外的综合伤害指标C：

式中：CRDC为胸部压缩变形量；VVC为黏性指数；FAPF为腹部力；FPSPF为耻骨力。C越小，说明约束系统对乘员的保护效果越好。

参考该综合伤害指标C，基于正交试验对所设计的多腔室气囊进行优化［11］，同时考察头部伤害评价指标HIC36，以保证在优化胸腹部伤害的同时降低对头部伤害的影响。

本文中所研究气囊采用单气体发生器多导管的方式控制各腔室的气体质量流率，各腔室均有一个排气孔，故选择各腔室的气体流率和排气孔直径为设计变量，进行6因素5水平的正交试验，各设计变量不同水平的选取和正交试验结果分别如表3和表4所示。表3中：x1，x2，x3分别为A，B，C 3个腔室的气体发生器质量流率缩放系数；x4，x5，x6分别为A，B，C 3个腔室的排气孔直径。表4中：Ki为各因素取水平i时伤害指标C的均值；R为该因素K值的极差。

表3 设计变量参数水平

由表4可知，气囊各腔室排气孔大小对气囊保护效果的影响普遍大于气体流率的影响。各试验组的头部伤害值均在高性能限值以下且变化趋势不明显。根据各平均值选择参数最优组合为x1＝0.6，x2＝0.8，x3＝0.9，x4＝40 mm，x5＝35mm，x6＝40mm，对该组合进行仿真，统计原有气囊和新型气囊优化前后假人伤害值，相关数据见表5。

由表5可知，气囊优化后使假人 CRDC下降14.80%，VVC下降 7.69%，FAPF下降 21.51%，FPSPF下降11.62%，综合伤害指标下降14.77%；与原气囊相比，则 CRDC下降 20.95%，VVC下降20.0%，FAPF下降 55.49%，FPSPF下降 18.97%，综合伤害指标下降31.35%，有效增强了多腔室气囊的保护性能。

4 结束语

以国内某款车型为对象，建立了侧面碰撞PSM子结构模型并完成模型验证。研究发现，该车型侧面气囊在碰撞过程中发生击穿，对下胸部和腹部保护效果不佳。为此重新设计了一种多腔室侧面气囊，它具有各腔室气体流率、泄气率独立控制和对胸部二级缓冲的功能。采用正交试验对所设计气囊进行了优化。结果表明，多腔室气囊对乘员有良好的保护效果，参数优化后的气囊令综合伤害指标比优化前下降14.77%，比原气囊下降31.35%，有效增强了侧面气囊的保护效果。

表4 正交试验结果

表5 不同气囊模型下假人伤害对比