新型客車安全氣囊匹配設計與折疊方法

吳軍亭 吳 俊，2 曹立波 吳夢華

1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，4100822.湖南師范大學工程與設計學院，長沙，410006

新型客車安全氣囊匹配設計與折疊方法

吳軍亭1吳 俊1，2曹立波1吳夢華1

1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，4100822.湖南師范大學工程與設計學院，長沙，410006

設計出一種新型環形安全氣囊，并給出該環形氣囊的折疊方法。以某客車為參照，建立了包括新型環形安全氣囊的客車駕駛員側約束系統。對未匹配氣囊、匹配傳統氣囊以及匹配新型氣囊工況下的駕駛員損傷數據進行對比分析，并對新型氣囊的參數進行了優化設計。結果表明，采用新型氣囊工況后，駕駛員頭部和胸部的損傷值均至少減小36%，能夠有效減輕客車正面碰撞事故中駕駛員頭部和胸部的損傷。

客車；安全氣囊；計算機仿真；假人

0 引言

安全氣囊是公認的能夠減輕事故中駕駛員損傷的被動安全產品。然而，安全氣囊的研究與設計大多是針對乘用車，針對客車安全氣囊的研究與設計比較缺乏。

客車與乘用車駕駛員側的約束系統存在一定差別，如轉向盤半徑、轉向管柱的傾斜角、座椅的傾斜角、轉向盤與人體的角度[1]等，故客車安全氣囊設計與乘用車的存在差別。客車駕駛員與轉向盤的夾角大于50°，這使得在發生碰撞事故時，客車駕駛員胸部更容易與轉向盤輪緣發生“二次碰撞”，造成嚴重的胸部損傷。傳統的安全氣囊在起爆后，始終位于轉向盤上端，無法有效避免胸部與轉向盤輪緣接觸。因此，在客車中，傳統安全氣囊與轉向盤的匹配存在問題，駕駛員的胸部不能得到有效的保護[2]。

蘭鳳崇等[3]通過對道路事故數據的統計分析，得出胸部損傷仍然占26.7%的結論。ALCAL等[4]為了減小駕駛員與轉向盤的接觸硬度，設計了一款新型安全氣囊，以降低和避免胸部損傷，并提出了該種氣囊的折疊方案和實現設備。以上約束系統優化方案對客車駕駛員安全性的提高有重要價值，但仍然無法避免駕駛員與轉向盤直接發生接觸碰撞。本文在研究客車駕駛員損傷機理的基礎上，設計開發一款新型環形安全氣囊，旨在發生碰撞事故時，避免駕駛員與轉向盤直接接觸碰撞，有效減小駕駛員胸部損傷，并可同時降低頭部和其他身體部位的損傷。針對新型環形安全氣囊的形狀和工作原理，提出一種新的氣囊折疊方法，并對不匹配氣囊、匹配傳統氣囊以及匹配新型氣囊的駕駛員損傷情況進行對比分析，最后完成對新型氣囊參數的優化。

1 客車乘員約束系統模型的建立

1.1 駕駛員約束系統模型的建立

客車駕駛員側約束系統模型由車體部分、駕駛員部分、預緊式安全帶、安全氣囊等部分組成。其中，車體部分由前擋風玻璃、踏板、防火墻、轉向管柱、轉向盤、座椅等部分組成。駕駛員模型選用Hybrid Ⅲ 50th男性多剛體假人模型。安全帶由肩帶和腰帶兩部分組成，均由多剛體模型和有限元模型連接而成，這就使得隨體的運動單元可以發生變形，與真實情況相符合。根據駕駛員在駕駛室的坐姿和空間相對位置對假人的坐姿進行調整，隨后設置假人與車體各部件的接觸。在模型中，假人背部與座椅靠背剛體平板之間的穿透量設為30 mm，以模擬座椅靠背的形變，也便于設置靠背對駕駛員背部的支撐力。采用預模擬來確定安全帶在假人身上的具體位置。駕駛員側約束系統模型如圖1所示。

圖1 駕駛員側約束系統模型Fig.1 Driver side restraint system model

1.2 初始條件的設定

研究表明，63%的重大客車事故發生的碰撞速度為40.25～56.35 km/h[5],因此，本研究采用車身結構優化后的某大客車有限元模型[6-7]開展50 km/h正面碰撞仿真模擬，結果顯示，大客車的前部結構產生輕微變形，駕駛員生存空間基本完好，車體加速度和轉向盤中心位移曲線如圖2、圖3所示。

圖2 車體加速度曲線Fig.2 Acceleration curve of the coach

圖3 轉向盤中心位移曲線Fig.3 Displacement curve of steering wheel center

2 氣囊的概念設計與參數匹配

2.1 新型氣囊的設計理念

客車駕駛員的胸部損傷主要是駕駛員與轉向盤輪緣碰撞所引起的，新型環形安全氣囊的設計旨在減小駕駛員的胸部損傷，因此，應主要從避免駕駛員與轉向盤輪緣的直接接觸和減小接觸時的能量角度來考慮。本文設計的安全氣囊為圍繞轉向盤的環形片體，氣囊內徑為400 mm，外徑為600 mm，充氣后氣囊體積約為42 L。折疊時內置在轉向盤輪緣中，如圖4所示；充氣時沿轉向盤輪緣徑向向外展開，包裹住轉向盤，從而在事故發生時，避免駕駛員的胸部與轉向盤發生直接碰撞。

圖4 新型環形安全氣囊安裝位置示意圖Fig.4 Installation position of new annular airbag

轉向盤輪緣內空間有限，新型環形安全氣囊的氣體發生器安裝在轉向盤中間。環形氣袋和氣體發生器之間由左右2個連接氣袋連通，使氣體發生器產生的氣體順利傳輸至環形氣袋，完成氣囊的充氣過程。為保證事故發生時，氣囊可快速展開，在轉向盤輪緣外邊緣中心線位置設置撕裂線，保證氣囊展開時能夠快速撕裂包裹結構，充滿氣袋。

2.2 氣囊折疊方法

氣囊折疊方式有對稱折疊、卷式折疊、環向折疊[8]等，折疊過程均可以通過Madymo軟件中的Folder模塊模擬完成。

對新型氣囊而言，按照Folder模塊中的設置進行折疊則有些困難，主要有以下原因：①氣囊呈環形，中間存在孔洞，導致環向折疊難以實現。②氣囊要折疊放置到轉向盤輪緣中，安裝空間小。對于對稱折疊而言，折疊線較多且相互交叉，使得折疊后的氣囊厚度不均，展開困難。③氣囊的展開方向為轉向盤直徑方向，氣囊的充氣方向受到限制。新型氣囊的展開方向與轉向盤的直徑方向一致，轉向盤輪緣近駕駛員側與駕駛員胸部之間的間隙僅為250～300 mm。因此，較之傳統的氣囊，新型氣囊的展開需要更加快速，才能及時對駕駛員的胸部進行保護。研究表明，環向折疊時，氣囊能夠快速展開[9]。

本文提出一種與環向折疊類似的新型折疊方法。將氣囊沿不同直徑的圓形折疊線進行折疊，使其折疊線沿徑向分布，各折疊層為同心的折疊環，圖5a是氣囊折疊過程的截面示意圖，其中，左圖箭頭指向位置為折疊線所在位置，右圖為氣囊折疊后的截面示意圖。由于無法借助傳統的折疊軟件完成氣囊的折疊，因此新型氣囊的折疊方案是借助Hypermesh和Madymo軟件完成的。首先測量轉向盤輪緣內徑，確定氣囊的折疊層數和折疊寬度；在Hypermesh軟件中進行網格劃分；將網格模型數據導入Madymo，進行氣囊松弛和仿真分析。氣囊折疊完成后有7層，折疊厚度約為7 mm，折疊寬度為30 mm，氣袋的內邊緣固定在轉向盤輪緣內側，氣囊折疊模型如圖5b所示。

(a)氣囊折疊示意圖

(b)氣囊折疊后模型圖5 氣囊折疊過程Fig.5 Process of airbag folding

這種折疊方法可使折疊后的安全氣囊與轉向盤的形狀和尺寸相適應，折疊厚度均勻，折疊線較少且折疊線之間無交叉，并與事故時氣囊展開路徑相一致，有利于氣囊的快速展開，及時保護乘員。

2.3 安全氣囊模型的建立

氣袋織物的材料參數與傳統安全氣囊的材料參數相同：密度為750 kg/m3，彈性模量為274 MPa，泊松比為0.2，厚度為0.5 mm。氣囊采用三角形膜單元進行劃分，這種網格沒有沙漏模式，能夠很好地模擬織物的幾何特征。

氣囊尺寸設計參照乘用車安全氣囊設計時采用的“5inch-30 ms準則[10]”進行設計。新型氣囊的充氣大約需要30 ms，駕駛員向前移動到接觸氣囊的時間大概為40 ms，故氣囊點火時刻約為10 ms。氣囊尺寸較小，未設置排氣孔，通過材料的透氣性來泄氣。氣囊排氣孔的模擬通過Madymo的材料泄氣系數PERM EABILITY定義。

在計算初始階段，為了避免單元劇烈運動帶來的不穩定，賦予了較大的阻尼系數；氣囊展開后，再賦予正常的阻尼系數[11]。氣囊展開之前，采用氣囊動態松弛，避免單元劇烈運動造成的模型不穩定。采用均勻壓力算法進行氣囊的展開，安全氣囊預模擬展開狀態如圖6所示。

2.4 新型環形安全氣囊匹配研究

t=0.03 s t=0.06 s

t=0.09 s t=0.12 s圖7 未匹配氣囊假人運動情況Fig.7 Dummy motion in restraint system(no airbag)

t=0.03 s t=0.06 s

t=0.09 s t=0.12 s圖8 匹配傳統氣囊后假人運動情況Fig.8 Dummy motion in restraint system(matching the traditional airbag)

t=0.03 s t=0.06 s

t=0.09 s t=0.12 s圖9 匹配新型氣囊后假人運動情況Fig.9 Dummy motion in restraint system(matching the new airbag)

本研究基于經過驗證的客車駕駛員側約束系統模型，對比研究不匹配氣囊、匹配傳統氣囊以及匹配新型氣囊時駕駛員損傷情況。現有的客車上未配備駕駛員安全氣囊，傳統安全氣囊模型采用曹立波等[6]驗證過的安全氣囊模型，仿真動畫如圖7～圖9所示，假人損傷參數HIC36(假人頭部損傷值)、C3ms(胸部加速度)、D(胸部壓縮量)、FFL(左大腿力)、FFR(右大腿力)如表 1 所示。由動畫及損傷數據可知，在未匹配安全氣囊時，假人胸部直接與轉向盤輪緣發生碰撞，假人頭部損傷值HIC36=1953.7，胸部加速度C3ms=92.31g，胸部壓縮量D=80.6 mm，均超過法規值。匹配傳統安全氣囊后，假人的損傷值有所降低。匹配新型安全氣囊后，假人胸部加速度C3ms和胸部壓縮量D均明顯減小，同時頭部損傷值HIC36也有所減小，對假人起到更好的保護效果。

表1 匹配/不匹配安全氣囊損傷值

匹配及未匹配安全氣囊工況假人的損傷情況如圖10～圖14所示。匹配安全氣囊后，假人頭部合成加速度、胸部3 ms加速度和胸部壓縮量曲線峰值均要小于未匹配氣囊工況，加速度曲線變化更平緩，減小了頭部和胸部的損傷值，能夠對駕駛員起到較好的保護作用。

圖10 頭部合成加速度變化對比曲線Fig.10 Acceleration curve of the head

圖11 胸部加速度C3ms 變化對比曲線Fig.11 Acceleration curve of the chest(C3ms)

圖12 胸部壓縮量D變化對比曲線Fig.12 Curve of driver’s chest compression(D)

圖13 左大腿力變化對比曲線Fig.13 Curve of the driver’s left femur(FFL)

圖14 右大腿力變化對比曲線Fig.14 Curve of the driver’s right femur(FFR)

匹配傳統/新型安全氣囊時，胸部壓縮量、左/右大腿力的變化趨勢相同，新型安全氣囊的損傷值較小。匹配新型安全氣囊時，假人頭部損傷值峰值出現的時間約為80 ms，較傳統的安全氣囊出現的時間晚，峰值也有所降低。匹配傳統安全氣囊時，假人胸部加速度C3ms出現2個峰值，第一次峰值是由于安全帶的約束作用，使得假人受到的加速度降低，第二次峰值是由駕駛員胸部與轉向盤輪緣碰撞造成的。匹配新型安全氣囊時，假人胸部加速度C3ms僅出現由于安全帶作用產生的峰值。

新型安全氣囊的顯著優點在于：①能避免駕駛員胸部與轉向盤輪緣的硬接觸，避免客車駕駛員胸部與轉向盤輪緣的“二次碰撞”；②能明顯減小胸部壓縮量D；③在對胸部提供較好保護作用的同時，能有效地減輕頭部損傷和腿部損傷，從而對駕駛員起到更好的保護作用。

3 仿真結果分析

3.1 設計參數的選擇和影響力分析

本文選取的用于靈敏度分析的設計變量有4個，分別為氣囊直徑縮放系數Di、點火時刻S、質量流率縮放系數M和泄氣率常數P，設計變量范圍如表2所示。

表2 設計參數的初始值和變化范圍

為了確定每個設計參數對駕駛員損傷的影響，在Madymo中進行 22 組實驗。新型氣囊位于轉向盤位置，對大腿力的影響較小，因此設計變量主要影響頭部損傷值HIC36、胸部加速度C3ms、胸部壓縮量D，每個設計變量在變化范圍內的損傷值箱線如圖15所示。結合箱線圖中數據可知，氣囊直徑縮放系數Di、點火時刻S使得C3ms出現標準值以上的樣本，對胸部加速度C3ms影響較為顯著；質量流率縮放系數M對頭部損傷值HIC36和胸部壓縮量D的影響都較為顯著，因此確定氣囊直徑縮放系數Di、點火時刻S、質量流率縮放系數M為主要影響因子。

(a)頭部損傷值 (b)胸部加速度

選取氣囊直徑縮放系數Di、點火時刻S、質量流率縮放系數M為優化變量，利用優化拉丁超立方法[12]選取15個樣本點進行試驗。對每組樣本進行仿真分析，試驗設計及仿真結果如表3所示。

表3 試驗設計及仿真結果

3.2 代理模型的構建與優化

引入加權損傷準則[13]，將約束系統的高維多目標優化問題轉變為單目標優化問題。新型氣囊對腿部的保護效果有限，左大腿力FFL和右大腿力FFR均為3 kN，直接代入加權損傷準則公式中，得到優化問題及約束條件的公式：

對參數進行15次優化拉丁超立方試驗[12]，借助Isight軟件利用Kriging建立代理模型，采用序列二次規劃算法對近似模型進行優化求解，得到模型最優解0.6310，對應的設計變量Di=1.0682，S=8.7 ms，M=0.7。將該組變量代入Madymo模型中進行驗證，得到的最優解為0.6606，誤差為4.48%，滿足要求，假人損傷值對比如表4 所示。

表4 約束系統優化前后假人損傷值

由表4可知，相對于無氣囊工況，優化后的新型安全氣囊系統可顯著減小駕駛員頭部和胸部損傷值，駕駛員頭部損傷值HIC36、胸部加速度C3ms和胸部壓縮量D分別減小了69.4%、37.9%和36.1%。因此可知，匹配新型環形安全氣囊對駕駛員頭部和胸部損傷風險具有重要的價值。

4 結語

本文針對客車正面碰撞的特點設計了新型環形安全氣囊，通過優化折疊方式、點火時刻、氣囊直徑縮放系數以及質量流率縮放系數得到新型環形安全氣囊的最佳設計參數。仿真結果表明，新型環形安全氣囊能夠對客車駕駛員的胸部起到較好的保護作用，有效地避免駕駛員胸部與轉向盤輪緣的硬接觸，駕駛員的頭部損傷也得到改善。因此，研究客車正面事故中駕駛員的頭部和胸部損傷防護時，新型環形安全氣囊可以提供一定的設計指導。

[1] 商恩義, 李洪梅, 張孟周. 基于頸部約束的安全氣囊開發方法的研究與應用 [J]. 上海汽車, 2010(11): 59-62.

SHANG Enyi, LI Hongmei, ZHANG Mengzhou. The Research and Application Development Method of Safety Airbag Based on Neck Constraints [J]. Shanghai Automobile, 2010(11): 59-62.

[2] 趙曉紅. 平頭卡車的安全氣囊開發研究 [J]. 汽車與配件, 2013, 29(7): 52-54.

ZHAO Xiaohong. Research on Safety Airbag Development of Flat Head Truck [J]. Automobile & Parts, 2013, 29(7): 52-54.

[3] 蘭鳳崇,蔡志華,陳吉清，等. 汽車碰撞中胸-腹部的生物力學響應與損傷評價[J].華南理工大學學報(自然科學版), 2012,40(12):70-78.

LAN Fengchong, CAI Zhihua, CHEN Jiqing, et al. Biomechanical Responses and Injury Evaluation of Human Thorax and Abdomen during Vehicle Collision [J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2012,40(12):70-78.

[5] 王含玉, 楊濟匡, 蔣小晴,等. 大客車前碰撞中駕駛員膝部氣囊優化設計研究 [J]. 機械科學與技術, 2015, 34(11): 1738-1743.

WANG Hanyu, YANG Jikuang, JIANG Xiaoqing, et al. Optimization Study of Driver Knee Airbag Design for Front Impact of Coach[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2015, 34(11): 1738-1743.

[6] 曹立波, 周登科, 朱結,等. 全承載式客車正面碰撞安全性的改進[J]. 汽車安全與節能學報, 2015, 6(1): 58-65.

CAO Libo, ZHOU Dengke, ZHU Jie, et al. Improvement of a Monocoque-body for Coach Frontal Impact Safety [J]. Automotive Safety and Energy, 2015, 6(1):58-65.

[7] 胡俊. 承載式大客車正面碰撞駕駛員損傷及防護研究 [D]. 長沙：湖南大學, 2015.

HU Jun. Research on the Injury and Prevention of Driver for a Monocoque Coach under Frontal Impact [D]. Changsha：Hunan University, 2015.

[8] 喬維高,周政權,徐學進,等. 氣囊折疊方式對乘員損傷的影響 [J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版), 2010,34(2):273-275.

QIAO Weigao, ZHOU Zhengquan, XU Xuejin, et al. Effect of Airbag Folding Pattern on the Injury of Occupant[J]. Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Engineering), 2010, 34(2):273-275.

[9] 曹建驍.安全氣囊在離位乘員保護中的應用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2012.

CAO Jianxiao.Airbag in the Application Research on the Protection of Out-of-position Occupants[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2012.

[10] 韓亮亮,李佳. 安全氣袋尺寸設計淺談[J]. 中國機械, 2014(8):22.

HAN Liangliang, LI Jia. Discussion on Size Design of Safety Airbag [J]. Machine China, 2014(8):22.

[11] 黃晶. 新型安全氣囊在前碰撞乘員損傷防護技術中的理論和方法研究[D].長沙:湖南大學,2009.

HUANG Jing. Theory and Method Study a New Type of Airbag for Occupant Protection in the Vehicle Frontal Crashes[D]. Changsha:Hunan University,2009.

[12] 劉曉路, 陳英武, 荊顯榮, 等.優化拉丁方試驗設計方法及其應用[J]. 國防科技大學學報, 2011, 33(5): 73-77.

LIU Xiaolu, CHEN Yingwu, JING Xianrong, et al. Optimized Latin Hypercube Sampling Method and Its Application[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2011,33(5):73-77.

[13] 胡玉梅, 何歡, 索小爭，等.微型轎車乘員約束系統設計參數與人體損傷關系研究[J].安全與環境學報, 2008, 8(2):106-110.

HU Yumei, HE Huan, SUO Xiaozheng, et al. Study on the Relation between the Mini-car Restraint System Design Variables and Human Body Injury[J]. Journal of Safety and Environment, 2008,8(2):106-110.

MatchingDesignandFoldingMethodforNewTypeAirbagsinCoachs

WU Junting1WU Jun1，2CAO Libo1WU Menghua1

1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha，410082 2.School of Engineering and Design，Hunan Normal University，Changsha，410006

A new annular safety airbag was designed, and a new folding method of annular safety airbag model was developed. Taking a coach as reference, a driver side restraint system including the new annular safety airbag was established. Occupant injury data were compared and analyzed among the conditions of no airbag, the matching of traditional airbag and the matching of new airbag. Then the parameters of the new airbags were optimized. The results show that the driver’s head and chest injury values decrease by more than 36% with matching the new airbag which may effectively reduce head and chest injuries in frontal collisions of coachs.

coach; safety airbag; computer simulation; dummy

U491.61

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.24.016

2017-01-19

(編輯張洋)

吳軍亭，女，1990年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室碩士研究生。主要研究方向為汽車安全性。發表論文1篇。吳俊(通信作者)，男，1984年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室助理研究員，湖南師范大學工程與設計學院助理研究員。E-mail：wujun701@163.com。曹立波，男，1964年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室教授、博士研究生導師。吳夢華，女，1991年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室碩士研究生。