汽車側面碰撞駕駛員側側氣囊仿真研究

程海東，田國紅，孫立國，齊登科

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

前言

我國交通事故頻發，在交通事故統計數據表明：側面碰撞的在所有交通事故中的比重為23%，側面碰撞致傷率卻居所有交通事故中的第一位[1]。因此在中高檔轎車上，通常安裝有側氣囊（SAB）對側碰中的乘員提供一定的保護。文章建立了駕駛員側側氣囊仿真約束系統，并通過正交試驗對系統的各參數進行優化及匹配，對側氣囊在側面碰撞中對駕駛員的保護效果進行系統分析，為側氣囊的設計提供了一種理論依據。

1 駕駛員側側碰仿真系統的建立

依據相關的數據資料和氣囊模擬理論建立了駕駛員側側氣囊仿真模型，并驗證其有效性。將氣囊模型與車體模型、假人模型進行匹配仿真，通過假人的傷害值來評估側氣囊的性能。駕駛員側側氣囊仿真約束系統包括側面碰撞車體模型（包括座椅及安全帶）、側碰假人、駕駛員側側氣在 MADY-MO仿真軟件中利用規定結構運動（Prescribed Structure Mo-tion，簡稱PSM）的方法建立側碰車體。使其能夠模擬車體側碰后的變形情況。

假人模型可以從軟件MADYMO的假人庫中導出，假人庫中的假人都是軟件公司驗證后的有效的模型，論文利用的是ES-2側碰假人模型。圖1為汽車側碰駕駛員側約束系統模型。

圖1 MADYMO中側碰約束系統

2 駕駛員側側碰仿真系統的動態仿真分析

對于建立完成的乘員約束系統的仿真模型，要進一步將其運行來分析側氣囊模型對駕駛員的保護效果。對于保護效果的評價，側面碰撞方法和乘員損傷標準在我國C-NCAP進行了詳細的規定。根據相關法規要求，950kg重的可變形移動壁障以 50±1km/h的速度垂直撞向靜止的試驗車一側，對約束系統進行動態仿真分析[2]。由于側氣囊在展開中直接與假人腹部以上相接觸，不能與頭部很好的接觸，論文采取假人的胸部在碰撞中的各項指標來研究側氣囊對假人的保護作用。

我國的側碰法規中規定，將上中下三段肋骨的變形量極限值定為42mm。在進行碰撞試驗時，移動障壁以時速50km對駕駛員側車門部位進行撞擊。圖2為兩種情況下胸部三個部位位移量時間歷程曲線圖，通過曲線的狀態可以分析假人胸部受傷害情況及側氣囊的保護效果。

圖2 胸部肋骨位變形曲線

根據以上仿真實驗曲線可以得出在安裝有側氣囊的側面碰撞的試驗數據中，胸部中肋變形量最大，峰值為 31.2mm以下，明顯的小于規定的胸部變形的極限值。未安裝側氣囊時，假人的胸部上、中、下肋骨變形量的峰值最大值為41.6mm，與人體能夠承受的極限值42mm非常接近。通過對比，安裝側氣囊后，假人胸部的變形量峰值明顯得到改善，側氣囊在側面碰撞中能夠對乘員提供有利的保護。

3 駕駛員側側碰仿真系統乘員約束系統優化

為了探究側氣囊在側面碰撞中對乘員的最佳保護效果，采用正交試驗對約束系統進行優化[3]。正交試驗選取氣囊的起爆時間、氣囊的排氣孔大小、氣囊的質量流率三個參數定為需要進行優化的參數，每個參數選取三個因素水平，如表1。若不考慮個因素水平之間的交互作用，只需進行9次實驗即可完成。

表1 點火時間C三個水平改為-3ms，0ms，3ms

在軟件MADYMO中進行調整后仿真，質量流率的改動是原來流率的 0.8、1.2，這就需要將軟件程序中關鍵字FUNCJJSAGE.2D的參數Y_SCALE值乘以0.8或1.2。排氣孔大小可以通過關鍵字MATERIAL_HOLE中的CDEX參數進行定義。點火時間的定義則需要對 TRIGGERRING_SWI程序組中子程序SWITH.TIME中TIME參數進行調整。根據正交試驗表在MADYMO中安排仿真實驗，每次實驗結束之后，系統都會輸出一組肋骨最大變形量，記錄每次試驗的試驗結果，如表2所示。

表2 正交試驗數據表

正交試驗數據采集完成后，利用極差法對實驗數據進行分析，可以直觀的選取此次正交試驗中較優的參數組合，表3為正交試驗極差分析表。

表3 極差分析統計表

根據正交試驗極差分析統計表可知，三個參數對于假人肋骨變形量在仿真試驗中影響大小的先后順序依次是排氣孔直徑、氣流率、起爆時間，且當三個參數的最優組合為A3B2C2。在 MADYMO中改變參數為 A3B2C2，從上面的仿真結果可知，胸部的中肋骨形變量最大，優化后只取中肋骨變量與原模型對比，然后對結果進行分析。圖3為胸部變形量優化前后曲線。

圖3 胸部中肋骨變形量優化前后曲線

由曲線可知，優化后的仿真約束系統輸出的中肋骨變形量峰值總體來看明顯下降趨勢，且其峰值降為 22.5mm，滿足國家相關法規對于側碰中假人胸部肋骨形變量的要求，側氣囊在側碰中對于假人中肋骨的保護效果有所提升。在0.09s之后，優化后的約束系統所輸出的中肋骨變形量較原模型大，但此時胸部變形量已接近趨于0mm，因此優化后側氣囊對于假人的保護符合要求，且較原模型有較大的提升。

4 結論

近年來，汽車側面碰撞乘員的保護在被動安全領域趨于重要。論文通過建立包含側碰車體、假人及側氣囊的側碰約束系統，在MADYMO中進行動態仿真試驗并通過正交試驗將約束系統進行優化。由仿真曲線可以直觀的反應出側氣囊在側面碰撞中對假人胸部的保護效果，為汽車側面碰撞中乘員的保護提供一種科學的研究方法。

[1] 曲現國.轎車與行人碰撞事故再現及行人保護研究[D].上海工程技術大學,2015.

[2] 范體強,張維剛.汽車側碰移動變形壁障仿真模型的開發研究[J].計算機仿真,2007,(09):250-254.[2017-08-31].

[3] 李曉明.正面碰撞試驗中安全氣囊展開的時間特性[J].交通標準化,2014,42(07):141-143.[2017-08-31].