校車主動式安全氣囊包形對兒童乘員保護效果的研究

陳 珣，張美娟，王 瑩

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，江蘇無錫 214121）

0 引言

根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《專用校車安全技術(shù)條件》[1]規(guī)定，校車乘員約束系統(tǒng)由前后排座椅、2 點式安全帶和扶手組成。對于約束系統(tǒng)的保護效果，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列研究。McGeehan 等[2]通過對美國校車兒童傷害情況進行統(tǒng)計分析，得知兒童頭部和頸部更容易受到損傷，且10～14 歲兒童受傷比例最高；李志剛等[3]研究表明，采用現(xiàn)有校車乘員約束系統(tǒng)，兒童乘員頸部在正面碰撞過程中易發(fā)生嚴(yán)重傷害，可使用3 點式安全帶降低頸部傷害風(fēng)險；Elias 等[4-5]通過整車和臺車碰撞試驗指出，座椅靠背高度、座椅剛度、座椅間距會影響乘員傷害水平，且使用3 點式安全帶有助于降低乘員傷害，但錯誤使用反而會使乘員傷害水平更加嚴(yán)重；韓勇等[6]發(fā)現(xiàn)，在校車乘員約束系統(tǒng)中使用3 點式安全帶會對乘員胸部帶來較大傷害，且肩帶高度的不匹配將會增加兒童頸部的損傷風(fēng)險。

由以上研究可知，使用2 點式安全帶與3 點式安全帶進行兒童乘員約束效果均不理想。此外，實際乘車兒童常處于離位狀態(tài)，安全帶佩戴率較低[7]。為提高校車乘員約束系統(tǒng)對兒童乘員的保護效果和主動性，將安全氣囊引入現(xiàn)有校車乘員約束系統(tǒng)，提出一種新型常開式的主動式校車安全氣囊。以某校車乘員約束系統(tǒng)正面碰撞仿真模型為基礎(chǔ)，基于12 歲兒童模型建立主動式安全氣囊模型，并對12 歲兒童進行防護效果仿真分析，探索設(shè)計出合適的安全氣囊包形。

1 校車主動式安全氣囊設(shè)計思路

1.1 設(shè)計概念

與傳統(tǒng)點爆充氣式安全氣囊相比，校車主動式安全氣囊為常開式，即在車輛起步后，有乘員乘坐位置的安全氣囊充氣打開，且在整個行車過程中保持充滿氣體的狀態(tài)。該氣囊安裝于前排座椅靠背背面的盒體中，當(dāng)乘員落座車輛啟動達到一定車速后，氣囊緩慢充氣面向后排乘員展開，限制乘員離位活動，能有效約束后排兒童乘員的乘坐姿勢，并能在兒童乘員周圍形成柔軟的吸能緩沖保護層，實現(xiàn)碰撞、緊急制動等工況下對校車兒童乘員的全方位保護。當(dāng)校車停車時，駕駛員可操作關(guān)閉氣囊，氣囊泄氣由卷簧自動收回，方便乘員上下車。校車上安裝氣泵，通過管路為車上的所有主動式氣囊充氣。座椅座墊中安裝壓力感應(yīng)裝置，檢測乘員質(zhì)量，根據(jù)乘員體重控制氣囊的充氣壓力及排氣閥開度，以達到對不同體型乘員都能提供最佳保護的目標(biāo)。

1.2 正向設(shè)計開發(fā)流程

以某小學(xué)校車乘員約束系統(tǒng)臺車試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用MADYMO（Mathematical Dynamic Model，多剛體動力學(xué)軟件）建立校車乘員正面碰撞仿真模型，完成模型驗證，如圖1 所示。在此基礎(chǔ)上，建立主動式安全氣囊模型。圖2 為校車主動式安全氣囊正向開發(fā)過程，主要內(nèi)容包括：①校車主動式安全氣囊?guī)缀卧O(shè)計；②校車主動式安全氣囊有限元模型及MADYMO 仿真模型的建立；③校車主動式安全氣囊乘員傷害仿真分析與包形判斷選擇。

2 校車主動式安全氣囊?guī)缀伟文Ｐ偷慕?/h2>

采用CATIA V5 進行校車主動式安全氣囊的幾何造型設(shè)計，所有幾何尺寸均與已建立的某小學(xué)校車乘員約束系統(tǒng)模型相匹配。

2.1 兒童乘員幾何模型的選用

因小學(xué)校車座椅不可調(diào)，所以在座位上，12 歲兒童占據(jù)最大空間，為保證氣囊可保護所有乘員且同時不壓迫乘員，以12歲兒童為基準(zhǔn)進行包形設(shè)計。在臺車試驗和校車兒童乘員約束系統(tǒng)模型中[8-9]，均采用Hybrid Ⅲ型5 百分位女性假人模擬我國12 歲平均身材兒童，該假人尺寸根據(jù)美國女性統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到，故在使用CATIA 進行包形設(shè)計時，使用其中的Human builder 模塊建立美國5%女性人體模型，模擬我國12 歲兒童。

2.2 氣囊?guī)缀文Ｐ偷慕?/h3>

（1）乘員坐姿。氣囊展開時應(yīng)與乘員坐姿相適應(yīng)，既能約束乘員位置正確，又保證乘員的舒適性。在CATIA 中調(diào)整人體模型位置及各關(guān)節(jié)角度，使其處于舒適坐姿，根據(jù)人體模型的多種坐姿輪廓，初步建立氣囊的幾何模型。

圖1 校車兒童乘員約束系統(tǒng)模型

圖2 校車主動式安全氣囊的正向開發(fā)流程

（2）氣囊的保護范圍。由臺車實驗和MADYMO 仿真模型可知，使用現(xiàn)有的校車乘員約束系統(tǒng)時，5 百分位女性假人的頭部與前排座椅靠背碰撞，頭部和頸部的傷害水平較高，因而所設(shè)計氣囊應(yīng)對乘員頭部和頸部起到有效保護。而5 百分位女性假人胸部在碰撞時不會與前排座椅靠背發(fā)生碰撞，若添加安全氣囊，雖能吸收一部分胸部運動動能，但有可能增加胸部二次碰撞傷害風(fēng)險，所以可建立保護范圍包含胸部和不含胸部的氣囊進行傷害對比分析。

（3）氣囊充氣變形。氣囊充氣后會發(fā)生邊緣變薄、中間鼓脹變形，氣囊到人體的距離及保護范圍會發(fā)生一定變化，可使用拉帶限制其變形，以滿足其保護效果以及乘員的舒適性要求。

綜合考慮以上因素，建立多個氣囊?guī)缀文Ｐ停▓D3）。

3 安全氣囊有限元模型及MADYMO 仿真模型的建立

3.1 安全氣囊有限元模型的建立

將CATIA 中建立的氣囊?guī)缀文Ｐ蛯?dǎo)入Hypermesh 中，采用三角形膜單元進行網(wǎng)格劃分。考慮到拉帶布置問題，氣囊與人體接觸主面和靠背固定面的網(wǎng)格劃分需平整。劃分網(wǎng)格時，在氣囊左右兩側(cè)相同位置各留一直徑相等的不封閉孔洞作為氣囊排氣孔，用于后面MADYMO建模。氣囊有限元網(wǎng)格模型如圖4 所示。

3.2 氣囊MADYMO 仿真模型的建立

圖3 校車兒童乘員約束系統(tǒng)模型

將氣囊有限元模型導(dǎo)入校車乘員正面碰撞MADYMO 仿真模型中，調(diào)整氣囊位置，使之與前排座椅靠背相固定。根據(jù)氣囊包形的不同，采用拉帶控制氣囊充氣后的形狀，調(diào)整氣囊的厚度以及到人體各部位的距離，建立4 個保護范圍不同的安全氣囊MADYMO模型（圖5），4 個氣囊頂點高度相同，至下部長度依次增加，保護范圍逐步擴大。

為比較4 個氣囊對乘員的碰撞保護效果，對氣囊織物屬性、氣囊充氣壓力以及排氣孔開啟壓力均采用相同設(shè)置。碰撞開始前對氣囊進行預(yù)充氣，充氣結(jié)束后加載臺車實驗實際碰撞加速度場，假人向前運動撞擊壓縮氣囊，當(dāng)氣囊內(nèi)部壓力上升達到排氣孔開啟壓力時，排氣孔開啟，氣囊泄氣，進一步吸收乘員動能。

圖4 安全氣囊有限元網(wǎng)格模型

4 安全氣囊包形保護效果比較分析

4.1 頭部氣囊保護范圍對乘員傷害的影響

1、2 號氣囊到假人面部距離相同，1 號氣囊保護范圍為乘員頭部和頸部，2 號比1 號略長，下端保護至人體肩部。仿真時2個氣囊均保證假人頭部不與前排座椅靠背發(fā)生碰撞。經(jīng)過MADYMO 碰撞仿真分析，得到乘員傷害指標(biāo)（表1），乘員運動姿態(tài)如圖6 所示，乘員各部位傷害曲線如圖7 所示。

根據(jù)表1、圖6、圖7 可知，2 號氣囊與1 號氣囊相比，頭部傷害評價指標(biāo)HIC15 低37.3%，頸部傷害評價指標(biāo)Nij低63.5%，2 號氣囊對乘員頭部和頸部的保護效果明顯優(yōu)于1 號氣囊，對胸部和腿部的保護效果則沒有顯著差異。這是由于2 號氣囊對乘員肩部有所支撐，降低了乘員頭部和胸部的相對運動幅度，減少了乘員頸部傷害，同時肩部可以與頭部共同接觸氣囊，分擔(dān)頭部的能量耗散，降低頭部傷害。

表1 1 號2 號氣囊乘員傷害指標(biāo)

圖5 安全氣囊MADYMO 模型

圖6 1 號、2 號氣囊假人運動姿態(tài)

圖7 1 號、2 號氣囊假人各部位傷害曲線

4.2 胸腹部氣囊對乘員傷害的影響

2、3、4 號氣囊的上頂點高度一致，氣囊到乘員面部、頸部、胸部的距離相同，通過MADYMO 正面碰撞模擬仿真，得到乘員運動姿態(tài)（圖8）、傷害指標(biāo)（表2）及傷害曲線（圖9）。由圖8 可知，3 個氣囊都在55 ms 左右的時刻與乘員面部發(fā)生接觸。2 號氣囊下端與乘員上胸部平齊，當(dāng)發(fā)生碰撞時，氣囊下端可對乘員肩部起到支撐，肩部以下無氣囊接觸；3 號氣囊下端保護范圍涵蓋整個胸部，碰撞時除頭頸部外，胸部大部分面積都與氣囊發(fā)生接觸；4號氣囊下端一直到乘員大腿表面，整個氣囊保護范圍涵蓋了乘員的頭部頸部胸部及腹部，與3 號氣囊相比，碰撞時胸部及上腹部會與氣囊發(fā)生接觸。

圖8 2、3、4 號氣囊對假人的保護范圍

圖9 2、3、4 號氣囊假人各部位傷害曲線

表2 2、3、4 號氣囊乘員傷害指標(biāo)對比

由表2 和圖9 可知，3 個氣囊碰撞模型中，乘員的頭部傷害指標(biāo)HIC 和腿部傷害指標(biāo)大腿軸向力FFC 相差不大，對乘員的頭部和腿部保護效果基本一致。而乘員胸部傷害指標(biāo)T3ms和頸部傷害指標(biāo)Nij差距較為顯著，2 號氣囊和3 號氣囊胸部傷害T3ms比4 號分別高高15.4%和8%，頸部傷害Nij分別高19.6%和18.6%。3 個氣囊對乘員的保護效果：4 號＞3 號＞2 號。由于4 號氣囊與乘員軀干接面積最大，相同剛度下，乘員受到氣囊的支撐力最大，胸部運動速度下降快，減速度變化更平穩(wěn)（圖9b），胸部向前下方的運動量相對2 號和3 號更少，氣囊的支承效果更好。氣囊對胸部運動的有效阻止，使得乘員頭胸運動一致性得到提高，頸部剪切力和頸部彎矩下降（圖9c、圖9e），提高了氣囊對乘員的頸部保護效果。總體而言，4 號氣囊對乘員的保護效果最好，選取該包形為最優(yōu)包形。

4.3 最優(yōu)包形與原乘員約束系統(tǒng)乘員傷害對比分析

原乘員約束系統(tǒng)與最優(yōu)4 號包形對乘員傷害指標(biāo)如表3 所示。由表3 可知，與原僅使用安全帶相比，增加新型主動式安全氣囊后，乘員的頭部和頸部傷害有明顯改善，分別下降77.3%和83.2%；胸部傷害下降7.1%，腿部傷害下降不大，所有傷害指標(biāo)值均明顯低于傷害極限，對乘員保護效果顯著。

表3 原乘員約束系統(tǒng)與4 號包形乘員傷害指標(biāo)

5 結(jié)論

（1）校車主動式安全氣囊，可以顯著提高12 歲兒童乘員的頭部和頸部保護效果，對胸部保護效果也有所提升。

（2）校車主動式安全氣囊的設(shè)計，應(yīng)減小頭部與胸部的相對運動，以提高對乘員頸部的保護效果。

（3）校車主動式安全氣囊在上頂點高度相同的情況下，向下對乘員的保護范圍越大，對乘員的保護效果越好。保護范圍包含乘員的頭部、頸部、胸部和腹部的氣囊，對12 歲兒童乘員的保護效果最優(yōu)。