雙級氣體發生器安全氣囊性能仿真*

田國紅 程海東 孫鵬雨 武曉林

（1.遼寧工業大學；2.沈陽工業大學）

安全氣囊作為汽車被動安全的重要部件，在碰撞事故中對乘員的生命和財產安全起著巨大的保護作用。一般情況下，汽車發生碰撞的時間都比較短，安全氣囊要在極短的時間內充滿，在汽車內飾和乘員之間形成一個軟氣墊，這就要求氣體發生器除了要有一定的充氣效率還要有一定的充氣量，所以說氣體發生器性能的優劣直接影響到安全氣囊對乘員的保護效果。普通安全氣囊由于其自身技術的一些缺陷，在碰撞中保護乘客的同時，還有可能對乘客造成不同程度的傷害。據相關數據統計，普通的安全氣囊在碰撞事故中每挽救1 000名乘員的生命，就會導致57例傷亡[1]。因此生產廠家發明了雙級氣體發生器的安全氣囊，雙級自適應技術通過傳感器系統與控制系統的配合能夠根據碰撞程度的不同來控制氣囊完全打開還是只打開一部分。不僅可以根據碰撞強度調節充氣量，還具有較平緩的充氣速率，在發生碰撞事故時可以大大地減小氣囊的攻擊性。由于這種氣囊系統在乘員保護中所表現出的出色性能，這種新型氣囊已經在歐美一些國家得到了廣泛應用和發展。文章通過建立并優化遵循N-NCAP標準的正碰MADYMO模型，對汽車安全氣囊的設計給出了參考意見。

1 雙級氣體發生器安全氣囊參數分析

雙級氣體發生器的第1個主要參數是第1級和第2級氣體發生器的氣體發生劑填裝比例，目前已知的雙級氣體發生器兩級氣體發生量之比通常有70/30，60/40及50/50[2]。另外在雙級氣體發生器的基礎上，還可以分為多級氣體發生器。發生器的另一個主要參數是第1級發生器和第2級發生器的起爆時間延遲，并且先起爆裝填量大的，后起爆裝填量小的，延遲時間一般有10 ms和20 ms。不同起爆延遲時間對發生器的升壓速率有一定影響，兩級氣體發生器之間的起爆時間延遲越大則氣體的升壓率就越小[3]。氣體發生器的特性曲線一般是由生產廠家的壓力容器試驗測得，而在仿真模型中，起爆時間的延遲可通過設置時間窗來實現。圖1示出不同氣體發生劑比例和不同延遲時間所對應的升壓曲線。

2 單/雙級氣體發生器安全氣囊的建模和對比分析

2.1 仿真模型建立和驗證

基于實車碰撞的幾何參數，在MADYMO軟件中建立駕駛員側的正面碰撞仿真模型，模型包括：車體中的重要表面、擋風玻璃、轉向系統、座椅、安全氣囊、安全帶及假人等[4]。安全帶模型結合多剛體和有限元方法來模擬，安全帶包括卷收器、限力器及預緊器，根據實車數據定義限力器力量大小和預緊器的預緊長度；假人采用第50百分位HybridⅢ男性假人，通過調整位置使其以正常姿態坐于駕駛室內；安全氣囊采用均勻壓力法進行氣囊充氣，安全氣囊直徑為600 mm，排氣孔為25 mm。配備普通的單級氣體發生器氣囊。此外，需要將車體、安全帶及安全氣囊等部分均定義為不同的系統，便于進行模型替換調整。圖2示出正碰仿真模型。

實車碰撞是根據N-NCAP標準進行50 km/h剛性固定壁障100%重疊率正面碰撞試驗，根據實車碰撞設置仿真模型中相應參數。由于在正碰試驗中，汽車A柱和車前部分的變形較大，其加速度的響應與假人的相差甚大，因此通常認為在碰撞發生時，假人的加速度與汽車B柱下端的加速度較為相近，所以在正碰系統的仿真中通常把駕駛員側B柱下端的加速度曲線作為此約束系統的輸入[5]。通過計算假人在不同碰撞波形和不同氣囊充氣形式激勵下的不同作用區域的傷害值（包括HIC，NIC，胸部3 ms及胸部壓縮量等），將仿真數據與試驗數據進行對比來驗證所建模型的合理性。圖3示出配備單級氣體發生器模塊的仿真模型仿真值與實車試驗值部分對比曲線。

將仿真得到的頭部x方向加速度、胸部x方向加速度及頸部x方向受力等數據與實車試驗數據對比，誤差均在15%以內，可知該仿真模型是有效的，可以作為駕駛員正碰約束系統仿真模型的基礎模型進行優化分析。

由圖3a可知，假人的頭部合成加速度在74 ms達到了688 m/s2，其原因可能是由于安全氣囊點火過早，氣囊在展開后期與假人接觸時能量不足，對駕駛員緩沖性能減小，使假人頭部在駕駛艙向前沖擊速度過大。由圖3b可知，假人的胸部加速度在65 ms達到了398 m/s2，原因可能為氣囊點火過晚，使假人胸部提前與正在充氣的氣袋接觸，氣袋的沖擊力和膜張力對假人造成傷害。同時，根據假人的傷害值曲線做出如下判斷：配有此單級氣體發生器的氣囊由于氣囊展開的能量過于集中，導致駕駛員與氣囊接觸時氣囊較硬，對駕駛員不能起到很好的保護作用。

2.2 模型優化及仿真結果對比分析

通過對單級氣體發生器安全氣囊模型的有效性進行驗證，以及其對駕駛員的保護效果進行分析，可知單級氣體發生器在碰撞中對乘員的保護效果不盡如人意。而雙級氣體發生器安全氣囊因在充氣時有較大質量流率，還可以根據碰撞時的不同車速和碰撞強度來選擇不同的點火裝置模式，通過理論定性分析可知其對乘員在正碰中起到較好的保護效果。

修改仿真模型，僅把單級氣體發生器模塊換成雙級氣體發生器模塊，其余部件不變。這里雙級氣體發生器采用60/40氣體發生量組合、10 ms起爆時間延遲及1個Φ25排氣孔組合，與相同起爆時間及相同排氣孔直徑的單級氣體發生器在相同的碰撞波形下進行仿真試驗，然后對配有2種發生器的假人傷害曲線進行對比。圖4示出單/雙級氣體發生器安全氣囊仿真模型對假人傷害值對比曲線。

從圖4可以看出，配有雙級模塊的氣囊在假人頭部加速度及頸部受力方面均優于單級氣囊系統，因此對假人頭部和頸部的保護效果優于單級模塊氣囊。而雙級氣體發生器氣囊系統對于假人胸部的保護效果和單級氣囊差不多，可能是由于雙級氣體發生器延遲起爆時間較短，使得氣囊展開能量過于集中，導致假人胸部加速度較大。

通過對雙級氣體發生器的參數進行優化，主要是對氣體發生劑比例和起爆延遲時間進行修改，共有6種參數組合：1）50/50，10 ms；2）50/50，20 ms；3）60/40，10 ms；4）60/40，20 ms；5）70/30，10 ms；6）70/30，20 ms。然后對這6組參數仿真模型進行求解，得出頭部和胸部的加速度曲線。圖5示出不同氣體發生劑比例和起爆延遲時間所對應的頭部和胸部加速度曲線圖。

由圖5可知，發生劑比例為60/40、延遲時間為20 ms的雙級氣體發生器氣囊在6種參數組合中對假人頭部和胸部的保護效果最好，比單級氣體發生器氣囊對乘員的保護效果更好。

3 結論

根據某實車正面碰撞試驗數據，結合MADYMO軟件建立仿真模型，對配備單級氣體發生器氣囊和雙級氣體發生器氣囊進行仿真，并對結果進行對比分析，得出配有雙級氣體發生器的安全氣囊在正面碰撞時，可根據碰撞程度來控制2級氣體發生器點火，對乘員有更好地保護作用，尤其對假人頭部和頸部的保護效果明顯優于單級氣體發生器安全氣囊。因此雙級氣體發生器氣囊是未來安全氣囊發展的一個重要方向，可為進一步研究雙級氣體發生器氣囊的工作提供參考。