基于MADYMO的駕駛員安全氣囊仿真優化

王清，段敏

（遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001）

基于MADYMO的駕駛員安全氣囊仿真優化

王清，段敏

（遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001）

車輛數量越來越多，交通事故頻繁發生，汽車被動安全越來越別重視。為了減少成本，利用仿真法代替實驗法來優化安全氣囊已相當普遍，利用MADYMO仿真軟件，建立簡要的駕駛員約束系統模型，對結果進行分析，通過修改氣囊直徑、排氣孔直徑、氣流率3個參數對駕駛員安全氣囊進行優化，提高氣囊保護作用。

仿真法；MADYMO；安全氣囊；優化

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-34-03

前言

在汽車被動安全中，安全氣囊起著至關重要的作用。安全氣囊按照其安裝位置及保護對象的不同可分為駕駛員氣囊、乘員側氣囊、側面氣囊、膝部氣囊等[1]。駕駛員側不同于乘員側，因為轉向系統的存在，其空間位置更小，在汽車發生碰撞時，駕駛員與方向盤、儀表板更容易發生碰撞擠壓，對駕駛員造成傷害。駕駛員側安全氣囊在車輛發生碰撞時，氣體發生器產生高溫高壓氣體并將氣體充入氣袋，這時氣囊形成一個氣體的保護墊，阻隔駕駛員的頭部、胸部向方向盤或儀表板的撞擊，起到很好的保護作用。本文通過對氣囊的優化，提高氣囊的保護效果。

（1）數據采集實驗

在建立模型之前，為確保模型的準確性，需要確定模型參數和輸入參數，例如車體B柱下端加速度波形如圖1，車體建模的空間尺寸等數據。而這些數據數據則需要從相應的試驗中采集獲得。因此，在建立MADYMO仿真模型之前需要進行數據采集試驗。將試驗得到的數據與仿真數據作對比還可驗證模型的準確性。

圖1 B-柱下端加速度波形

2 建立MADYMO仿真模型

2.1 建立氣囊模型

MADYMO中擁有自己的氣囊模型文件，駕駛員安全氣囊可以看做是一個二維模型，分上下兩個PART，MADYMO中打開文件a_driver_airbag.xml得到氣囊模型，根據數據提出試驗中實車空間大小，初定氣囊直徑為680mm，然后在MADYMO中建立了2個氣囊拉帶，設置長度為0.3m，下面PART上有兩個排氣孔。網格劃分使用無沙漏模式的三節點膜單元（MEM3 ），這MEM3在描述織物的幾何特性方面表現較好。將劃分好的氣囊利用折疊模塊Folder對氣囊進行折疊，折疊過程如圖2所示。

圖2 氣囊折疊過程

氣囊參數在 MADYMO中定義，氣囊要定義的參數有氣囊織布材料和氣體發生器參數等[2]。用 MATERIAL.ISOLIN定義氣囊織布材料，織布材料選用各向異性的彈性材料，表1為材料屬性[3]。由 MATERIAL.HOLE 定義排氣孔的特性，初始孔的大小為25mm，氣體發生器的定義由AIRBAG_CHAMBER 實現，需要定義在氣體發生器中氣體的質量流率曲線和溫度曲線，如圖3，圖4 所示。由關鍵字GAS_MIXTURE.CONSTANT 定義氣體成分和摩爾比，發生器氣體摩爾比為35%氮氣、50%水和15%二氧化碳，對人體和環境無害。

表1 氣囊材料屬性

圖3 發生器質量流率曲線

圖4 發生器溫度曲線

2.2 建立約束系統仿真模型

本文利用 MADYMO 軟件創建汽車駕駛員約束系統仿真模型，模型主要包括車體模型、安全帶模型、安全氣囊模型和假人模型[3]。為確保模型的準確性，車輛駕駛室的空間尺寸由實車試驗實際測量得到，根據測量數據建立車體仿真模型，車體模型應包括前擋板、護膝板、腳踏板、轉向系統、儀表板和座椅等部件，車體模型見圖5。MADYMO軟件中自帶有比較完整的假人庫，提供多種假人模型供使用者參考使用，本次建立的模型選取Hybrid III 50% 橢球體假人模型。從假人庫中調取假人，將假人定位在車體座椅和腳踏板上，通過INITINAL.JOIMT_POS初始化鉸的位置和ORIENT AION.SUCCESSIVE_ROT轉動餃的方向可以將假人定位到座椅和腳踏板上。然后定義假人與車體的接觸，利用關鍵字CONTACT.MB_MB定義假人的接觸。建立安全帶有限元模型，定義安全帶與假人之間接觸，然后定義安全帶的材料和類型，安全帶材料選用MATERIAL_HYSISO類型，安全帶限力值為3.5KN，預緊長度為110mm，安全氣囊模型使用上節中建立的模型，由INITIAL.JOINT_POS 單元定義氣囊的安裝位置，在車體模型中布置氣囊。仿真模型完成后，建立的仿真模型如圖6所示。仿真模型的輸入為數據提取實驗中得到的B-柱下端加速度波形。

圖5 車體模型

圖6 MADYMO仿真模型

3 模型有效性驗證

仿真模型的準確性對仿真結果起著決定性作用，約束系統模型建立以后，為確保模型的準確性，要進行模型的有效性驗證。驗證就是將仿真結果同試驗結果作對比，通過數據分析和錄像分析，驗證模型與實車的相似程度。模型仿真結果與試驗結果不可能完全一樣，它受很多因素影響，通常我們把相似度達到85%以上的，即視為模型準確[2]。下圖是仿真與實驗結果對比。

圖7 試驗與仿真動畫對比

圖8 頭部合成加速度曲線

圖9 胸部合成加速度曲線

圖10 胸部壓縮量曲線

從試驗與仿真的對比我們得到，假人頭部合成加速度重合最好，胸部合成加速度有細小的偏差，但不是很大。胸部壓縮量重合度最差，但也在合理范圍內。且兩者峰值相差在15%以內，建立的仿真模型是合理的，準確性較高，可以進行下步氣囊優化工作。

4 安全氣囊優化

模型驗證完畢后，要進行氣囊的優化，本文從氣囊直徑、排氣孔直徑、氣流率三個參數優化氣囊，優化氣囊參數表見表2。本次優化采用正交試驗法，試驗矩陣見下表3，所得仿真結果見表4，在法規FMVSS208 中，提供了利用正則化評價值WIC 來評價傷害，WIC是將頭部，胸部，腿部的傷害進行加權所計算得到的值[5]，WIC的定義如下：

表2 優化氣囊參數

表3 正交試驗矩陣

表4 正交試驗結果統計

通過極差分析法對正交試驗結果表進行分析，對WIC的影響從大到小依次為：氣囊排氣孔直徑、氣流率、氣囊直徑。本次優化最優組合為A1B3C3。因此選取這三個參數時氣囊的保護效果最好。

5 結束語

通過建立正面碰撞駕駛員約束系統模型，利用正交試驗法和假人傷害評價分析方法，通過改進氣囊直徑，氣流率和排氣孔大小三個氣囊參數，對駕駛員安全氣囊進行仿真優化分析，提高氣囊的保護作用。

[1] 黃世霖,張金煥,王曉東.汽車碰撞與安全[M].北京:清華大學出版社,2000:52- 57.

[2] 李亞明.基于C-NCAP 汽車正面碰撞駕駛員側約束系統匹配與優化.遼寧工業大學碩士學位論文,2017.

[3] 賈艷麗,某車正面碰撞乘員側約束系統仿真及優化.遼寧工業大學碩士學位論文,2014 .

[4] 田國紅,齊登科,孫立國,王吉成.基MADYMO的正面碰撞駕駛員側約束系統仿真分析[J],時代農機,2015,(12):42-12.

[5] 沈斌,前排駕駛員側約束系統的建模與參數設計.吉林大學碩士學位論文,2007.

Simulation and optimization of driver airbag based on MADYMO

Wang Qing, Duan Min
（Liaoning university of technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

The number of vehicles is increasing, traffic accidents are frequent, and the car's passive safety is becoming less and less important. In order to reduce costs, the simulation method is used to replace the experimental method to optimize the airbag has been quite common, in this paper, by using MADYMO simulation software, to set up driver-side restraint system model, analyze the results, by modifying the airbag diameter, vent diameter, flow rate of 3 parameters for optimization of the driver's airbag, improve airbags protection.

emulation method; MADYMO Airbag; improve

U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-34-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.013

王清，碩士，就讀于遼寧工業大學。研究方向：車輛CAD,CAM,CAE技術。