汽車坐盆安全氣囊對假人傷害的仿真及優化

盧禮華,陸建輝,劉志峰,高發華,代立宏,羅明軍

(1.合肥工業大學機械與汽車工程學院,230009,合肥;2.奇瑞商用車有限公司汽車工程研究院,241006,安徽蕪湖)

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汽車坐盆安全氣囊對假人傷害的仿真及優化

盧禮華1,2,陸建輝1,劉志峰1,高發華2,代立宏2,羅明軍2

(1.合肥工業大學機械與汽車工程學院,230009,合肥;2.奇瑞商用車有限公司汽車工程研究院,241006,安徽蕪湖)

針對汽車前碰撞過程中假人胸部壓縮量超標這一難點,開發了一種安裝在座椅坐盆處的全新坐盆安全氣囊。通過理論探索坐盆氣囊在碰撞過程中的作用原理,證明了坐盆氣囊可以有效抑制假人X向運動,達到了減少假人胸部壓縮量的目的。借用計算機輔助工程(CAE)中MADYMO軟件建立了坐盆氣囊模型,通過零部件和子系統的試驗驗證了該模型的精度。在某款運動型多功能車(SUV)車型上建立了整車約束系統模型且與試驗進行了對標驗證;在驗證后的系統模型中通過增加坐盆氣囊的CAE模塊作為優化的基礎模型,對坐盆氣囊的安裝位置、角度以及點爆時間進行了靈敏度分析和試驗設計(DOE)優化,以探尋最佳的優化方案。經臺車試驗和限力式預緊安全帶對比分析表明,坐盆安全氣囊可以降低假人胸部14.79%的壓縮量,有效抑制了人體骨盆縱向位移。該結果可為保護假人胸部研究提供參考。

坐盆安全氣囊;試驗設計優化;靈敏度分析;臺車試驗

隨著汽車安全法規的進一步實施,用戶對汽車安全性的要求越來越高[1-2],汽車整車安全系統的設計更為重要。較早的安全氣囊已開發出多種類型[3],如駕駛者安全氣囊(DAB)、乘員側安全氣囊(PAB)、側面安全氣囊(SAB)和安全氣簾(CAB)、膝部安全氣囊(KAB)等。在多數前碰撞試驗中,假人的胸部壓縮量一直是約束系統優化的難點[4]。在約束系統開發過程中,通常采用預緊式安全帶來消除碰撞開始時乘員與安全帶間的松弛量,減小假人上半身相對于車體的位移量,達到減小假人頭部和胸部傷害的目標。但是,預緊式安全帶只作用于假人上半身,對假人下半身的效果并不明顯。

研究表明,正面碰撞時增大座椅坐墊與地面的夾角,能夠有效降低乘員頭部和胸部傷害[5],實際上,座椅坐墊傾角與乘座舒適性相矛盾[6],因此本文結合約束系統開發中的實際需求,提出了一種安裝在座椅前端的坐盆安全氣囊。傳統的安全氣囊是通過氣囊來隔離假人與車身的[7],坐盆氣囊是主動地推動假人遠離碰撞區域,從而減小假人的胸部傷害。

1 坐盆氣囊工作原理

圖1 假人的X向受力分析

如果只配備了DAB和安全帶,沒有配置坐盆氣囊,則假人X向受到的約束力有DAB對假人頭部和胸部的約束力Fa,安全帶的肩帶約束力Fb1和腰帶約束力Fb2,坐墊對假人大腿和骨盆的摩擦力Fs。根據受力和運動建立的動力學和運動學方程如下

(1)

(2)

假如在前碰撞試驗中配備了坐盆安全氣囊,假人在X向還受到了坐盆氣囊阻礙其向前運動的力Fp,因此新的動力學和運動學方程如下

(3)

(4)

2 坐盆氣囊計算機輔助工程建模及驗證

2.1 坐盆氣囊計算機輔助工程模型

在MADYMO軟件中建立坐盆氣囊的計算機輔助工程(CAE)模型,模型主要由氣袋和集氣盒兩部分組成。氣袋在參考未折疊情況的同時,采用Primer模塊進行了4步折疊,以消除氣袋網格在折疊過程中產生的交叉和穿透。集氣盒采用有限元進行模擬,將折疊后的氣袋放置在集氣盒中,并保證氣袋網格與集氣盒網格之間不存在初始穿透。由CONTACT.FE_FE模塊設置氣袋與集氣盒之間的接觸,由此生成坐盆氣囊的CAE模型,如圖2所示。

(a)未折疊氣袋 (b)折疊后氣袋

(c)坐盆氣囊模型圖2 坐盆氣囊有限元模型

為準確模擬氣囊的整個展開過程,本文采用Gas Flow算法[8-11]對發生器注入氣袋的氣體進行了流場模擬,將模型進行靜態點爆分析,得到氣囊展開過程,如圖3所示。

圖3 坐盆氣囊靜態展開過程

2.2 坐盆氣囊模型剛度驗證

通常,氣囊CAE模型必須通過剛度試驗驗證之后才能保證模型的精度。試驗時先將坐盆氣囊安裝在剛性壁障上,沖擊塊與壁障相隔60 mm且靜止放置。沖擊塊上裝有傳感器,氣囊點爆后沖擊塊運動,從而可以獲得氣囊的加速度曲線。在MADYMO軟件中依據如上試驗參數建立模型,仿真后得到氣囊的展開動畫及加速度曲線,如圖4和圖5所示。

圖4 氣囊的展開過程

圖5 氣囊的加速度曲線

由圖4可知,仿真中安全氣囊的展開高度及包型與試驗較為一致。由圖5可知,試驗和仿真的加速度曲線吻合度較高,表明氣囊剛度一致。可見,本文CAE模型具有較高的精度,可以準確模擬坐盆氣囊的實際情況。

2.3 子系統模型驗證

由于坐盆氣囊是集成在座椅上的,座椅對坐盆氣囊的影響不可忽略,因此需要對子系統試驗進行驗證。子系統試驗時先將假人放置在裝有坐盆氣囊的座椅上,點爆坐盆氣囊,觀察氣囊作用于假人大腿的時刻(到位時刻),以及氣囊使假人大腿的抬起高度。CAE模型包含座椅、坐盆氣囊、假人和背板,其中假人采用精度較高的d_hyb350fc型有限元假人,由此得到CAE的仿真動畫與試驗錄像如圖6所示。

(a)動畫 (b)錄像圖6 CAE的仿真動畫與試驗錄像

由圖6可知,仿真時假人大腿抬起時間與試驗相同,約為18～20 ms,說明CAE模型中氣囊的到位時間較為準確,另外參考背板上的格子可發現,仿真時假人大腿抬起高度與試驗較為一致,表明子系統中坐盆氣囊的展開高度和剛度與實際一致。動畫中隱藏了座椅和假人的大腿部分,而通過CAE模型可獲得坐盆氣囊與假人的具體情況。因此,通過子系統對比,證明了座椅和坐盆氣囊的子系統模型具有較高的精度,其為搭建帶坐盆氣囊的整車模型提供了基礎。

3 整車約束系統模型

3.1 整車約束系統基礎模型

根據實車50FRB、采用MADYMO軟件建立了有限元模型,模型中結構包括風窗、前圍板、儀表板、腳踏板、地板、座椅和轉向操縱等[10-13],各部件之間采用鉸鏈連接。駕駛員安全氣囊和安全帶的約束系統采用有限元法進行模擬,假人模型采用Hybrid Ⅲ第50百分位(即中國公民中等身高身材)的有限元模型,假人H點、骨盆角、假人與車身的相對位置均與試驗測量值保持一致。模型中假人與DAB、安全帶以及座椅、儀表板、地板等結構部件的接觸采用CONTACT.FE_FE方式進行設置[14]。同時,模型附加了諸多細節功能:DAB罩蓋撕裂,轉向管柱壓潰,方向盤上輪緣彎曲變形,座椅翻轉等。50FRB模型如圖7所示。

圖7 50FRB模型

約束系統模型建成后,需要將假人傷害仿真與試驗進行對標驗證,以保證模型的精度。驗證時將仿真和試驗信號(力和加速度)導入Objective Rating軟件進行評判,驗證順序為骨盆、大腿小腿、胸部、頸部、頭部,各部位傷害吻合程度如表1所示。

表1 假人傷害對標結果

由表1可知,假人傷害的仿真與試驗的綜合擬合得分達到了82.60%,高于通常模型要求的80%,表明本文模型具有較高的精度,可用于后續約束系統分析。

3.2 裝配坐盆氣囊的系統模型

以驗證后的約束系統為基礎,在座椅坐盆處通過添加已驗證的坐盆氣囊模型,生成裝配有坐盆氣囊的整車約束系統模型。圖8為坐盆氣囊模型及部件構成。

1:頭枕;2:靠背;3:座椅骨架;4:坐墊;5:坐盆氣囊集氣盒;6:坐盆氣囊氣袋圖8 坐盆氣囊模型及部件構成

集氣盒通過鉸鏈與座椅坐盆相連,這樣整車碰撞過程中坐盆氣囊將隨著座椅一起進行水平運動和翻轉。

為使坐盆氣囊的保護效果最大化,采用靈敏度分析、結合DOE優化的方法,探尋出最佳的坐盆氣囊設置方案。

4 坐盆氣囊優化及臺車試驗驗證

4.1 靈敏度分析

在整車約束系統上坐盆氣囊優化參數分別為坐盆氣囊的安裝位置、角度及點火時間,如表2所示。坐盆氣囊安裝位置如圖9所示。坐盆氣囊安裝角度如圖10所示。

表2 坐盆氣囊優化參數

圖9 坐盆氣囊安裝位置

圖10 坐盆氣囊安裝角度

如果直接將3種優化參數的水平值進行DOE全排列分析,則將生成36組試驗矩陣。為減小DOE優化的計算時間,先通過靈敏度分析剔除對胸壓影響不敏感的優化參數,再針對余下參數進行DOE優化,靈敏度分析結果如圖11所示。

圖11 靈敏度分析結果

由圖11可知,3種優化參數中胸壓受坐盆氣囊的安裝位置和點爆時間影響較為敏感,而安裝角度的影響較小。所以,在DOE優化中只選取安裝位置和點爆時間作為最佳優化參數,這樣試驗矩陣為12組,可大大降低計算量,縮短了開發周期。

4.2 DOE優化分析

對安裝位置和點爆時間進行了全因子計算,對12組優化方案進行了分析。從12組優化方案中選擇出一組最佳的參數:坐盆氣囊距最前端100 mm,點爆時間為10 ms。由于在DOE優化中忽略了安裝角度這一優化參數,故在已確定優化參數的基礎上,對3種安裝角度進行了對比分析,結果顯示,當氣囊集氣盒中心線與Z軸成30°時,胸部壓縮量最小。所以,最優的方案為:坐盆氣囊距最前端100 mm,點爆時間為10 ms,安裝角度為中心線與整車Z軸成30°。優化前后假人傷害值對比如表3所示。

表3 優化前后假人傷害值對比

由表3看出:優化后胸部壓縮量下降了14.80%,頭部HIC36值下降了7.03%,左、右大腿壓縮力分別下降了94%、95%。其原因是坐盆氣囊限制了假人下半身運動,從而減小了假人大腿與儀表盤的碰撞,可見坐盆氣囊對假人下半身具有保護作用。表3還顯示,頸部所有力矩上升,但未達到C-NCAP標準的扣分限值42 N·m,同時胸部壓縮量下降最多,因此可將該優化參數視為最優選擇,并應用于臺車試驗進行驗證。

4.3 臺車試驗驗證

將坐盆安全氣囊安裝在臺車上對兩輪臺車進行試驗,由此來驗證坐盆安全氣囊對胸部壓縮量的效果。第一輪臺車試驗中安裝了坐盆安全氣囊,但氣囊不點爆;第二輪臺車試驗中安裝坐盆安全氣囊,且氣囊點爆,同時采用了最優方案(坐盆氣囊距最前端100 mm,點爆時間為10 ms,安裝角度為中心線與整車Z軸成30°)。兩輪臺車試驗如圖12所示。

(a)坐盆安全氣囊起爆前

(b)坐盆安全氣囊起爆后圖12 兩輪臺車試驗

在兩輪臺車碰撞試驗中,DAB、安全帶等設置相同,同時采集假人的骨盆和胸部的關鍵參數,經整理得到安裝坐盆氣囊前后兩輪試驗的假人骨盆和胸部壓縮隨碰撞時間的變化,如圖13所示。

(a)骨盆相位移對比

(b)胸部壓縮量對比圖13 兩輪臺車試驗數據對比

由圖13a可見,安裝坐盆氣囊后骨盆位移量小于未安裝的位移,最大值下降了28 mm,說明坐盆氣囊可以減小假人X向的位移,這與理論模型結論吻合。由圖13b可知,安裝坐盆氣囊后假人胸部壓縮量為35.88 mm,降低了14.79%,與仿真結果14.80%一致。另外,坐盆氣囊的其他作用也得到了驗證,如假人左、右大腿受力下降了86%和97%。因此,通過試驗充分證明了安裝坐盆安全氣囊可以有效保護假人,可以解決約束系統開發的難點,即假人胸部壓縮量超標的問題。

5 與限力式預緊安全帶對比

目前,帶有限力裝置的預緊安全帶已經得到廣泛應用,預緊裝置可使安全帶維持在一個足夠的張緊狀態,以固定乘客身體。限力裝置需設定某一閥值,當施加在安全帶上的力度達到限值時,安全帶限力裝置自動放出安全帶,避免乘員胸部承受過大的安全帶壓力,工作原理如圖14所示。

(a)預緊 (b)限力圖14 預緊和限力裝置的工作原理

為了對比限力式預緊安全帶與坐盆氣囊約束的效果,本文采用坐盆氣囊通過降低乘員正面碰撞中骨盆位移和胸部壓縮量,來評估約束的作用。限力式預緊安全帶模型的預緊量為0.09 m,且在0.01 s內卷入并鎖止,安全帶的限力等級為2 500 N。

在坐盆氣囊和限力式預緊安全帶這2種約束裝置下,人體的骨盆縱向位移和胸部壓縮量如圖15和圖16所示。

圖15 骨盆相對位移

圖16 胸部壓縮量

由圖15和圖16可知,坐盆氣囊下骨盆相對位移量小于限力式預緊安全帶,胸部壓縮量不如限力式預緊安全帶。總體來說,坐盆氣囊起到了一定的預期效果,可以有效抑制胸部位移,縮短人體骨盆的位移,減小膝蓋和大小腿等與內飾之間的二次碰撞等,但仍有較大的優化和改進空間,兩者的結合與合理搭配有待于進一步研究。

6 結 論

(1)本文開發了一種安裝在座椅坐盆處的全新坐盆安全氣囊,根據動力學和運動學的理論,對假人X向運動位移進行了分析,證明了坐盆氣囊可以減小假人胸部壓縮量。

(2)采用Gas Flow算法對氣袋內的氣體進行了流場模擬,并將氣囊CAE模型與氣囊剛度和子系統試驗進行了對標,以驗證CAE模型的精度。

(3)依據某款SUV實車建立了約束系統模型,通過試驗驗證確保模型的準確性。在該模型的基礎上添加了坐盆氣囊模塊,作為坐盆安全氣囊優化的基礎模型。通過對坐盆氣囊安裝位置、角度及點爆時間這3個優化參數進行靈敏度分析和DOE優化,得到了最佳的優化方案:坐盆氣囊距最前端100 mm,點爆時間為10 ms,安裝角度為中心線與整車Z軸成30°。這樣,胸壓大幅下降14.80%。

(4)經與限力式預緊安全帶對比,結果表明坐盆氣囊不僅能有效抑制胸部位移,還可有效縮短人體骨盆的位移,減小膝蓋和大小腿等與內飾之間的二次碰撞等。

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(編輯 苗凌)

Simulation and Optimization of Automobile Seat Basin Airbag for Dummy Injury

LU Lihua1,2,LU Jianhui1,LIU Zhifeng1,GAO Fahua2,DAI Lihong2,LUO Mingjun2

(1. School of Automotive and Mechanics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Automotive Engineering Research Institute, Wuhu Chery Commercial Vehicle Company, Wuhu, Anhui 241006, China)

An innovative seat basin airbag installed on the front seat is developed as a solution to the over compression of the dummy chest in the event of full frontal impacts. The operation principle of the seat basin airbag is theoretically investigated to demonstrate its effect on restraining the movement inX-direction and reduce the compression of the dummy chest. The purpose of reducing chest compression of dummies can be achieved via seat basin airbag. A seat basin airbag model is established with the commercial code of MADYMO and its precision is validated by the tests on sub-system and components. A restraint system model for a SUV is established and validated via a full scale test. Putting seat basin airbag CAE module into the validated full scale restraint system model facilitates constructing an essential optimization scheme, in which DOE (design of experiment) optimization method and sensitivity analysis are performed for the installation position, angle and ignition time of the seat basin airbag. The analysis indicates that the compression of dummy chest can be reduced by 14.79%, and the movement of the pelvic is significantly restrained.

seat basin airbag; design of experiment optimization; sensitivity analysis; sled test

2016-01-27。 作者簡介:盧禮華(1978—),男,博士生;陸建輝(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51405123)。

時間:2016-06-14

10.7652/xjtuxb201609023

U461

A

0253-987X(2016)09-0146-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160614.1714.002.html