汽車膝部氣囊設計與優化＊

李麗 朱西產 王晶晶 馬志雄

（1.同濟大學；2.北京奔馳汽車有限公司）

汽車膝部氣囊設計與優化＊

李麗1朱西產1王晶晶2馬志雄1

（1.同濟大學；2.北京奔馳汽車有限公司）

針對某車型建立了MADYMO車體模型和膝部氣囊模型，并通過試驗驗證了模型的有效性。利用該模型對安裝與未安裝膝部氣囊情況下假人的運動響應和傷害值進行了仿真分析，研究了膝部氣囊在正面碰撞中對假人各部位的影響。根據仿真結果，通過正交試驗對初步設計的膝部氣囊進行了優化設計，優化后WIC值減小了3.39%，表明膝部氣囊對下肢的保護性能得到很大提升。

1 前言

在車輛碰撞事故中，駕駛員和前排乘員不僅頭部、頸部和胸部容易受到傷害，同時下肢也會不同程度地受到傷害。據統計，70%以上的大腿部位的傷害發生在正碰事故中，而其中1/2的傷害指數超過AIS2級[1～3]。目前各國的正面碰撞法規都對大腿、小腿部位的傷害做出相應的規定，如在C-NCAP中以大腿力（FFC）、膝蓋滑動位移、脛骨指數（TI）以及小腿壓縮力（TCFC）等4個指標進行評分。為改善在正面碰撞測試中大腿、小腿部位的得分，各大廠商主要從兩方面改進車型，一方面采用帶有填充材料的護膝板，用以在一個更大的區域內分散接觸力，減少下肢的傷害，但增加填充材料會減少駕駛員腿部與護膝板之間本就有限的空間，降低了舒適性；另一方面安裝膝部氣囊（KAB），在正碰中展開膝部氣囊以限制傷害的嚴重程度及控制下肢的運動過程，但整車開發成本較高。

本文基于某車型建立MADYMO車體模型，以該車50 km/h正面100%重疊剛性壁障的加速度作為模型輸入，對安裝膝部氣囊與未安裝膝部氣囊時假人頭部、胸部、大腿和小腿部位的響應曲線以及傷害值進行比較，研究膝部氣囊在正碰中對假人各部位以及對駕駛員在正面碰撞中的運動響應的影響，并通過正交試驗法對初步設計的膝部氣囊進行優化。

2 模型建立與驗證

2.1 車體模型建立

車體模型的坐標原點選擇在前軸附近，此處也通常作為總布置圖的原點（即前軸中心線與汽車中心線的交點）。坐標系的x軸指向后方，y軸指向右側，z軸指向正上方，車體模型采用的剛體、幾何外形及運動鉸均根據所采用車型的實際結構確定。對風窗、儀表板、腳踏板、地板的數模劃分網格，將網格信息導入MADYMO中，對其定義材料和屬性，并支撐在對應的鉸上；座椅系統采用平面剛板（SURFACE. PLANE）進行模擬，對其定義接觸特性；轉向系統采用橢球（SURFACE.ELLIPSOID）進行模擬。每個剛體都設有相應的質量參數以模擬整車質量。車體模型剛體之間用運動鉸（JOINT.*）連接，根據實車碰撞中車體的變形特點和實際經驗來確定鉸的類型和位置。采用HybridⅢ第50百分位男性假人，其在MADYMO中對應的假人模型文件是d-hyb350el-Q-inc. xml。使用MADYMO自帶的Belt Fitting程序建立混合安全帶，并根據該車型已有駕駛員側安全氣囊建立正碰氣囊模型，最終模型如圖1所示。

2.2 車體模型驗證

將實車碰撞試驗測得的加速度波形作為模型的加速度場，如圖2所示，實車試驗為正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗，碰撞速度為50 km/h。通過MOTION.JOINT-ACC將加速度波形加載到車體模型上，此外需要給車體和假人定義50 km/h的初速度。

圖3為假人頭部、胸部、大腿和小腿等部位的響應曲線與實車試驗曲線對比；針對C-NCAP的評分規則，假人傷害指標的對比結果見表1。

表1 試驗與仿真假人傷害指標對比結果

圖3中，試驗曲線與仿真曲線的趨勢基本一致，雖然實車試驗中假人胸部合成加速度峰值出現時刻比仿真計算結果略有延遲，仿真計算中假人的右大腿力峰值出現時刻比實車試驗略有延遲，但傷害指標的誤差均在10%以內，表明該基礎模型的建立有效，可用于下一步的研究。

2.3 氣囊模型建立

由于原車型并沒有安裝膝部氣囊，所以根據膝部氣囊需要覆蓋保護的范圍進行膝部氣囊的幾何設計，其尺寸和形狀需要覆蓋各種坐姿、不同百分位駕駛員的膝部區域，同時也要滿足車型的內飾幾何尺寸要求。為了控制氣囊的展開形狀以及其在汽車前進方向上的氣囊厚度，在膝部氣囊氣袋內部設計了上、下2根拉帶。由于膝部氣囊的上、下厚度一致對乘員保護不利，經綜合考慮，將上側拉帶寬度設計為80 mm，下側拉帶寬度設計為50 mm。

對膝部氣囊進行網格劃分，使用10 mm左右的三角形網格，共有5 339個節點和10 798個單元，如圖4所示。氣囊劃分為8個PART（部分），氣袋兩側各分為3個PART，上側拉帶為1個PART，下側拉帶為1個PART，拉帶分別與氣袋的兩側面縫合起來。

網格劃分完成后，在MADYMO中建立膝部氣囊仿真模型?？紤]到該正面碰撞模擬不涉及離位乘員（OOP）及計算效率，所以氣囊充氣采用均勻壓力法（UP）。膝部氣囊織物表面的建模采用三節點膜單元（MEM3），這種單元沒有沙漏模式，并且可以更好地描述氣囊織物的幾何特征。根據膝部氣囊織物及縫紉線的特性將氣囊材料定義為正交各向異性材料，具體參數設置根據氣囊織物實際材料特性確定。氣囊的充氣展開過程通過氣體發生器進行控制，氣體發生器的2個主要參數是質量流率和溫度隨時間的變化率，2個參數通過容器試驗獲得[4，5]。

所設計的膝部氣囊采用三氣室模型，下側拉帶既屬于第1氣室也屬于第2氣室，上側拉帶既屬于第2氣室也屬于第3氣室。相鄰氣室之間通過拉帶兩端與氣袋左右側邊之間的通氣空間來連通，氣體發生器位于第1氣室。使用MADYMO Folder對氣囊進行折疊，并通過預模擬對氣囊進行松弛。膝部氣囊點火時間設定為10 ms，氣囊整個展開過程持續14 ms，如圖5所示。

2.4 氣囊模型驗證

對所試制的膝部氣囊樣件（圖6）進行靜態起爆試驗，查看氣囊樣件靜態展開過程、展開時間和展開后的形態，以驗證膝部氣囊仿真模型是否正確。將膝部氣囊折疊后置于氣囊盒內，將氣囊盒固定于試驗臺架上，氣囊盒水平放置，放置高度距臺架上表面15 cm。

根據前述膝部氣囊模塊仿真模型建立膝部氣囊靜態起爆試驗的仿真模型。靜態起爆仿真模型中膝部氣囊的展開過程與試驗的展開過程對比如圖7所示。

從圖7可看出，雖然靜態起爆仿真模型與試驗結果對應較好，但二者之間仍存在一定誤差。產生誤差的原因為：膝部氣囊仿真模型折疊時，一部分單元發生了變形，產生了初始應力和應變，雖然進行了預模擬松弛，但是松弛后仍有少數單元發生交叉，影響了氣囊模型的展開過程；該氣囊模塊采用的UP充氣模式不能精確模擬氣體在氣囊中的流動過程；用橢球模擬氣囊盒，與實物存在一定的誤差。由于這些誤差不會對之后的仿真計算結果產生很大影響，因而可忽略不計。靜態起爆試驗驗證了所建立的膝部氣囊仿真模型的正確性，即膝部氣囊仿真模型可作為正面碰撞乘員約束系統集成仿真，研究膝部氣囊對乘員的保護作用。

3 仿真分析

以所建立的車體模型為基礎，對安裝膝部氣囊與未安裝膝部氣囊2種工況下的假人運動響應與傷害值進行比較。在2種工況下，假人仿真運動過程如圖8所示，仿真曲線如圖9所示，假人傷害指標對比結果如表2所列。通過對比可以發現，頭部、胸部傷害指標和小腿脛骨指數有不同程度的降低，合成加速度變化很??；大腿壓縮力和膝蓋滑動位移都大幅度增加，分別達到34.93%和38.80%，但仍低于C-NCAP規定的高性能限值3.8 kN和6 mm指標；小腿壓縮力的增加也相對較大，達到17.60%，處于C-NCAP規定的高性能值2 kN與低性能8 kN之間；脛骨指數雖有減小，但是也處于規定的高低性能值之間。所以，該車型小腿部分可以得分，只是無法獲得滿分。

表2 安裝與未安裝膝部氣囊時假人傷害指標對比

由于安裝膝部氣囊后，膝蓋與氣囊發生接觸的時間比未安裝膝部氣囊時膝蓋與內飾板接觸的時間提前，故大腿力相對未安裝膝部氣囊時更早達到峰值，從而導致大腿壓縮力、膝蓋滑動位移增加較明顯。接觸力通過膝蓋沿著脛骨/腓骨向下傳遞至腳踝，由于腳部受到踏板等的阻礙使傳遞受阻，導致小腿壓縮力增加，雖然C-NCAP正面100%重疊剛性壁障中并沒有對腳踝的傷害做出量化評價，但可知在此情況下腳踝會成為受傷的薄弱環節。由于膝部氣囊的展開，阻止了駕駛員的向前運動，使駕駛員胸部與車內飾之間的接觸時間延遲，駕駛員側安全氣囊有更充足的時間展開，可更好地保護頭、胸部。

安裝膝部氣囊的初衷是保護駕駛員的膝蓋、小腿和大腿，但從仿真分析中發現，安裝膝部氣囊后乘員下肢以外的其它部位的傷害值減小了，而下肢傷害指標卻有所增加，并且胸部的傷害指標明顯降低，該結果未達到安裝膝部氣囊的目的。此外，從圖9d和圖9e可看出，安裝膝部氣囊后右大腿壓縮力增加明顯，而且左腿和右腿受力非常不均，左腿力為1.25 kN，而右大腿力達2.12 kN。為改善這些情況，加強膝部氣囊對乘員的保護，需要對膝部氣囊進行優化。

4 優化研究

加權傷害準則WIC（Weighted Injury Criterion）是美國通用公司為了評價約束系統的整體性能，引入加權因子，將各項傷害指標（HIC36、胸部3 ms準則、胸部壓縮量以及大腿骨軸向力）用加權的方法綜合到一起，得到的一個正則化的傷害評估值。

WIC的定義為：

式中，HIC36為頭部傷害準則的數值；C3MS為胸部3 ms準則的數值；CCOMP為胸部壓縮量；Ffemurleft為左大腿骨最大軸向力；Ffemurright為右大腿骨最大軸向力。

WIC值越低，約束系統的保護性能越好。為此，選擇WIC值作為優化目標，采用正交試驗設計法對膝部氣囊影響較大的設計參數進行優化。

式（1）中每項指標前的加權系數表明了該種傷害類型的重要程度，重要程度來自于對大量事故的統計分析。

影響安全氣囊的設計參數包括氣袋的形狀和體積、氣袋織物材料、排氣孔的大小、氣體的組成和比例、氣體發生器的質量流率、點火時間等。根據膝部氣囊的特點和實際情況，選擇氣體發生器質量流率、點火時間、拉帶寬度以及氣袋織物材料泄氣率常數等4個參數對膝部氣囊進行優化。

根據實際情況和相關資料確定4個參數的變化范圍如表3所列。

表3 膝部氣囊設計參數變化范圍

4.1 正交試驗法

根據選定的膝部氣囊4個設計參數及其變化范圍，選用正交表L9（34），見表4。正交試驗的4個因素為氣體發生器質量流率、點火時間、拉帶寬度及氣袋織物材料泄氣率常數，分別用A、B、C、D表示，在變化范圍內每個因素有3個水平，分別為最小值、初始值和最大值，用1、2、3表示。

表4 正交表L9(34)

按照正交表，在MADYMO中安排仿真正交試驗，根據每次仿真試驗結果計算出每次試驗的WIC值。每次仿真試驗的和WIC值見表5。

表5 正交試驗結果

4.2 結果分析

正交試驗完成后，為確定各試驗因素在試驗范圍內的最優組合，需要對膝部氣囊正交試驗結果進行極差分析，如表6所列。

表6 正交試驗結果極差分析

Rj反映了第j列因素水平波動時試驗指標的變動幅度。依據Rj可判斷試驗因素水平對試驗指標影響的主次順序，Rj越大說明該因素水平變化對試驗指標的影響越大。

由表6可知，RD＞RC＞RA＞RB，所以4個因素對試驗指標影響的主次順序為D＞C＞A＞B，即膝部氣囊4個因素對約束系統整體性能影響的主次順序分別為氣袋織物材料泄氣率常數、拉帶寬度、氣體發生器質量流率、點火時間。

選取Kˉjm值最小的水平作為第j列因素的優水平，判斷4個試驗因素的最優組合為A3B2C1D1。由于正交試驗表中未出現A3B2C1D1這樣的組合形式，所以需要對最優組合進行仿真，以驗證膝部氣囊的優化效果。圖10為優化前、后假人傷害曲線，傷害指標對比結果見表7。

表7 優化前、后假人傷害指標對比

由表7可知，優化后試驗指標WIC減小了3.39%。頭部HIC36、胸部3 ms合成加速度、胸部變形量、大腿壓縮力、膝蓋滑動位移和小腿脛骨指數都有不同程度的減小；頭部3 ms合成加速度和小腿壓縮力有所增加，但增幅很??；左腿和右腿受力不均的現象得到明顯改善。膝部氣囊對下肢的保護得到提升，同時約束系統的整體性能也得到了很大提高，達到了很好的優化效果。

5 結束語

根據某車型C-NCAP的正面100%剛性重疊壁障碰撞試驗結果，通過MADYMO仿真分析研究安裝與未安裝膝部氣囊時乘員的運動響應曲線與傷害，并根據仿真結果對膝部氣囊進行了優化設計。優化后試驗指標WIC減小了3.39%，表明膝部氣囊對下肢的保護得到提升，整體提高了約束系統性能。

1孫振東，朱海濤，劉玉光.正面碰撞試驗中乘員小腿傷害特性研究.第五屆國際汽車交通安全學術會議，湖南，2007.

2Miyahara R，Miyajima Y，Ogawa S.The Application of Optimization Techniques to Design a Foam Pad to Reduce Lower-Extremity Injuries.SAE Technical Paper.2008，2014（1）:10～30.

3Krishnaraj S，Kulkarni K B，Narayanasamy V，et al. Occupant knee impact simulations:A parametric study.SAE Technical Paper.2003，112（5）:650～656.

4MADYMO Theory Manual，Release 7.3.TASS，2010.

5MADYMO Applications Manual，Release 7.3.TASS，2010.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年11月8日。

Design and Optimization of Knee Airbag

Li Li1，Zhu Xichan1，Wang Jingjing2，Ma Zhixiong1
（1.Tongji University；2.Beijing Benz Automotive Co.，Ltd）

Automotive body simulation model and knee airbag model are established by MADYMO，and then these two models are validated by test.In two cases of with knee airbag and without knee airbag，dummy's motion response and injury values were simulated and analyzed，and the protection of knee airbag to various parts of the dummy during frontal impact was studied.According to simulation results，the knee airbag with primary design was optimized through orthogonal test，after which WIC declined by 3.39%，indicating sizeable improvement of protection of the knee airbag on the lower limbs.

Knee airbag,Optimal design

膝部氣囊優化設計

U467.1+4

：A

：1000-3703(2014)01-0001-06

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2012AA111205）。