正面碰撞條件下駕駛員安全氣囊的匹配優化*

田鈺楠 郝琪 劉宇 崔宏偉

（湖北汽車工業學院，十堰 442002）

主題詞：正面碰撞 安全氣囊 加權傷害指標 正交試驗

1 前言

安全氣囊作為汽車被動安全裝置，在車輛發生碰撞時能有效減少乘員的損傷。氣囊參數的匹配對乘員損傷影響較大，不合理的參數設置甚至會加劇乘員損傷。

在進行約束系統匹配試驗前，安全氣囊的匹配工作采用仿真模型開展。錢國強等利用MADYMO 多剛體動力學軟件建立了乘員約束系統仿真模型。曹立波等通過正交試驗設計對安全氣囊進行優化并降低了乘員加權傷害指標（Weighted Injury Criterion，WIC）。胡正才等確定安全氣囊的設計因素與水平后采用完全試驗法得到多組仿真方案，并選擇了對乘員損傷最低的一組方案開展設計。葛如海利用拉丁超立方試驗設計和多項式響應面模型，采用非支配遺傳算法進行了氣囊多目標優化。

大量的研究均針對傳統車型進行匹配研究，而微型電動車具有質量小、碰撞加速度高的特點，同時，由于動力源布置的差異，碰撞特性與傳統車型存在區別。本文以已驗證過的微型電動車正面碰撞B 柱加速度為輸入載荷，建立該車型簡化乘員約束系統及安全氣囊有限元模型，研究氣囊各設計參數對乘員WIC的影響特性，探討氣囊匹配中參數調整的優先順序，并利用多項式代理模型技術優化該微型純電動汽車最低乘員損傷條件下的氣囊參數。

2 安全氣囊充氣模型

氣囊充氣展開過程的數值模擬一般有3種方法，即流固耦合法、粒子法和控制體積法。流固耦合法主要用于研究氣囊在展開過程中的氣囊內流場變化細節和運動形態變化規律，但其對建模要求高，計算成本較高，不易成功。粒子法將氣囊內的氣體等效成微粒子，通過粒子的運動與織布或其他結構碰撞產生壓力使氣囊展開。控制體積法基于傳統的均勻壓力數學模型，不需建立充氣裝置模型，通過質量流量和溫度2 個參數模擬充氣裝置特性。在流場影響不大的緩沖過程研究中，可以節省大量計算時間，但是不能準確描述氣囊充氣初期的外形及流場的變化。本文主要研究安全氣囊對正常坐姿乘員損傷的影響，匹配氣囊時要求氣囊完全展開后乘員與之接觸，對氣囊展開初期氣流的分布情況不作討論。本文的研究對象為某微型電動車的安全氣囊，其形狀簡單，為節約計算成本，選擇控制體積法為氣囊的充氣模型數值模擬方法。

氣囊充氣過程中模型內部壓力均勻，同時考慮排氣孔處的泄氣，氣囊內氣體質量的變化情況為：

利用有限元軟件計算氣囊逐漸擴大的體積：

3 有限元建模與驗證

3.1 安全氣囊有限元模型

氣囊直徑660 mm，排氣孔直徑30 mm，拉帶長度280 mm，均對稱分布。氣囊預先設定折疊線位置，上、下表面間距0.5 mm，四周由網格節點連接，并通過關鍵字*AIRBAG_REFERENCE_GEOMETRY_RDT 設置氣囊參考幾何。氣囊織物材料為非正交的各向異性材料，采用LSDYNA 中MAT 34 號材料模擬，安全氣囊的材料基本性能如表1所示。氣囊拉帶用1維彈簧單元模擬，安全氣囊有限元模型如圖1所示。

表1 安全氣囊的材料性能參數

圖1 安全氣囊有限元模型

氣囊參考幾何的設置通過DYNA 中關鍵字*AIR?BAG_REFERENCE_GEOMETRY_RDT 定義。氣囊自接觸使用氣囊卡片*CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SUR?FACE 定義，氣囊織物與車輛部件的接觸使用面面接觸。氣囊充氣采用*AIRBAG_WANG_NEFSKE 控制體積法模擬，同時，卡片調用排氣孔編號模擬排氣孔泄氣。氣體質量流曲線如圖2所示。

圖2 質量流量曲線

3.2 安全氣囊靜態展開試驗

根據GB/T 19949.2—2005 中的安全氣囊靜態展開試驗標準固定安全氣囊，利用高速攝像機記錄氣囊展開過程。

試驗完成后氣袋表面部分無破裂或燃燒，氣囊織物表面無破裂小洞，氣袋撕裂縫處保持完好無損。第0～30 ms氣囊正常展開，第30 ms左右試驗與仿真的氣囊模型均完全展開，第30 ms后氣囊逐漸泄氣。圖3所示為30 ms時刻氣囊展開試驗與仿真結果的對比。

圖3 30 ms時刻安全氣囊展開試驗與仿真結果對比

表2對比了30 ms時刻氣囊完全展開后仿真與試驗的氣囊形狀參數。氣囊展開參數與試驗誤差在3%以內，仿真與試驗中氣囊展開形狀和展開尺寸保持一致，驗證了安全氣囊有限元模型的可靠性。

表2 30 ms時刻氣囊參數對比

3.3 評價指標

乘員損傷值是評價乘員約束系統性能的重要指標，損傷指標涉及假人的頭部、胸部、腿部等多個部分。本文采用WIC作為對安全氣囊保護效果的評價指標：

式中，為加權傷害指標；為頭部傷害指數（Head Injury Criteria，HIC），根據GB 11551—2014，≤1 000；為胸部3 ms合成加速度，要求小于60；為胸部壓縮量，要求不大于75 mm；、分別為左、右大腿軸向壓力，并要求大腿總軸向壓力=+≤20 kN。

將各傷害指標進行歸一化處理，考慮不同部位損傷的重要程度，按不同權重建立WIC。WIC 越低，對假人損傷越小。

3.4 乘員約束系統模型

根據車輛駕駛室的位置參數建立簡化乘員約束系統模型，包括假人、座椅、轉向系統、地板等，如圖4 所示。其中安全帶限力值為2 500 N，座椅靠背角為98°，座墊與假人的摩擦因數為0.5。輸入課題組經過驗證的整車50 km/h正面碰撞試驗的B柱加速度曲線。

圖4 簡化乘員約束系統模型

由式（3）知，在WIC中頭部損傷占比為60%，所以選取兩模型的乘員頭部加速度進行對比分析，圖5所示為駕駛室約束系統簡化模型與整車模型駕駛員頭部加速度曲線。

圖5 頭部加速度曲線對比

由圖5 可知，2 個模型乘員頭部加速度曲線整體擬合程度較好。在第0～72 ms，乘員由于慣性向前移動，2個模型加速度均呈現上升趨勢，上升曲線吻合較好；第72 ms 左右頭部加速度達到峰值后逐漸減小，整車結構剛度較簡化模型大，整車模型加速度峰值略高，簡化模型中座椅系統的簡化等因素使得最該峰值時間略有提前。表3所示為頭、胸部評價指標對比。

表3 頭、胸部評價指標

由表3可知，2個模型頭部傷害指數和胸部3 ms合成加速度誤差均為約5%，胸部壓縮量誤差為10.21%，誤差在可接受范圍內，同時驗證了簡化乘員約束系統模型有效。

4 氣囊參數對乘員損傷的影響分析

4.1 設計變量范圍及邊界條件

選取氣囊氣體質量流量縮放率、點火時刻、拉帶長度、氣囊體積、排氣孔位置、排氣孔直徑、氣囊折疊類型為安全氣囊設計變量。由于氣囊設計變量數量較多，為尋找主要影響因素，需研究氣囊各參數對乘員損傷影響的靈敏度。設計參數涉及時間、長度、位置等，各變量邊界范圍的選擇難以用統一的標準確定。為控制變量在合理的范圍內，本文以頭部和胸部為設計變量邊界評定標準，即頭部與轉向盤不發生硬性接觸、<1 000、<60為各變量的邊界條件。除氣囊折疊類型、排氣孔位置外，其余每個設計變量在變化范圍內通過插值方法選擇10組變量進行分析。

針對氣囊折疊類型的選擇，確定6種折疊類型，前5組為層狀折疊，左右及上下折疊次數不同，第6 組為卷繞折疊。排氣孔位置共6組，如圖6所示。表4所示為其余設計變量的變化范圍。

圖6 排氣孔位置

表4 變量的取值范圍

4.2 結果分析

圖7 所示為各設計變量對WIC 的影響。由圖7 可知，各設計變量對WIC的影響在第1～5組中變化平穩，第6～10組除安全氣囊點火時刻、排氣孔直徑和質量流量縮放率外，其余設計變量的WIC均分布在0.6～0.7范圍內，變化較為平緩。其中拉帶長度、氣囊折疊類型和氣囊體積影響相對平穩，可以在氣囊匹配初期初步確定這3個參數，通過調整主要影響參數進行氣囊匹配。排氣孔位置相對其余3個主要影響參數，整體調整空間有限，WIC在0.61～0.68之間變化，可作為后期微調的匹配變量。綜上，拉帶長度、氣囊體積、排氣孔位置、折疊類型對乘員WIC的影響較小，所以選取安全氣囊的點火時刻、排氣孔直徑和質量流量縮放率3個變量進行優化分析。

圖7 設計變量對WIC的影響

5 安全氣囊優化設計

5.1 正交試驗

選取點火時刻、排氣孔直徑和質量流量縮放率為因素，在滿足邊界條件的范圍內選取水平數為7，進行正交試驗，如表5 所示。以WIC 作為評價指標，采用正交試驗設計生成49 組仿真方案，對應正交表的WIC 計算結果如表6所示。

表5 正交試驗因素與水平

表6 正交試驗表L49(73)

5.2 極差分析

對正交試驗進行極差分析得到各影響因素對乘員WIC、HIC、胸部3 ms合成加速度和胸部壓縮量的影響程度，結果如表7～表10所示。其中，K(=1,2,…,7)為各因素的第水平對應的各評價指標之和，為K中最大值與最小值之差，即極差。越大說明該因素對評價指標的影響程度越大。

由表7可以看出，3個因素對WIC的影響程度均較大，排序依次為點火時刻、排氣孔直徑和質量流量縮放率，與圖7中曲線趨勢一致，3個變量的最大極差與中間極差、最大極差與最小極差比分別為1.36和1.58。由表8～表10可知，對HIC的影響程度排序依次為排氣孔直徑、點火時刻和質量流量縮放率，其中排氣孔直徑和點火時刻影響較大，同上，3個參數的極差比分別為1.01和1.92。對胸部3 ms合成加速度影響程度的排序依次為排氣孔直徑、質量流量縮放率和點火時刻，以排氣孔直徑影響最為重要，3個參數的極差比分別為1.89和3.77。對胸部壓縮量影響程度的排序依次為點火時刻、質量流量縮放率和排氣孔直徑，以點火時刻和質量流量縮放率對胸部壓縮量影響為主，3個參數的極差比分別為1.02和3.97。

表7 WIC極差分析結果

表8 HIC極差分析

表9 胸部3 ms合成加速度極差分析

表10 胸部壓縮量極差分析

通過極差分析可知，在進行安全氣囊初期匹配時，點火時刻為最關鍵的參數，對各評價指標影響均較大，氣囊匹配設計時需首先考慮點火時刻。在安全氣囊對乘員局部某單一損傷特性進行匹配時，可考慮改變單一參數進行針對性高效匹配，其中排氣孔直徑主要影響乘員HIC，質量流量縮放率主要影響乘員胸部壓縮量。綜上所述，當需單獨降低HIC 時可首先調整排氣孔直徑，當需單獨降低乘員胸部壓縮量時可首先調整質量流量縮放率達到匹配要求。

5.3 基于多項式代理模型的安全氣囊參數優化

為優化該車型安全氣囊設計參數，綜合考慮3個設計變量對乘員損傷的影響，在Minitab 軟件中構造設計變量與乘員損傷指標的多項式代理模型。通過49組正交試驗仿真結果構造點火時刻、排氣孔直徑和質量流量縮放率與WIC的三階非線性關系表達式：

式中，為點火時刻；排氣孔直徑；質量流量縮放率。

式（4）的決定性系數=97.59%，滿足精度要求。

在滿足頭部與轉向盤不發生硬性接觸、<1 000、＜60的要求下，在HyperStudy 軟件中基于全局響應面法（Adaptive Response Surface Method，ARSM）的優化算法對式（4）進行求解，得到最優解：點火時刻為12 ms、排氣孔直徑為35 mm、質量流量縮放率為1，進而求得WIC為0.51，達到較好優化效果。為進一步驗證代理模型的可靠性，將優化解代入簡化模型與整車模型中直接求解WIC，結果分別為0.49 和0.57，與代理模型的誤差分別為4.28%和10.50%，滿足精度要求。表11所示為整車模型優化前、后乘員損傷對比。

表11 整車模型乘員損傷對比

由表11可知，優化后WIC降低了14.92%。

6 結束語

本文建立了安全氣囊及乘員約束系統有限元模型，并利用靜態展開試驗驗證了其有效性，通過控制單變量方式，研究安全氣囊各設計參數對WIC的影響，確定氣囊點火時刻、排氣孔直徑、質量流量縮放率為對WIC影響較大的3個變量。通過正交試驗中HIC、胸部3 ms合成加速度和胸部壓縮量對WIC影響的極差分析得到安全氣囊參數對乘員各部位及綜合損傷影響的重要程度。在此基礎上，對安全氣囊初期參數匹配及后期乘員某一局部損傷指標細節調整值給出建議，為提高氣囊匹配效率提供了一定的理論依據。建立了WIC與氣囊3個主要設計變量的3階非線性代理模型，通過代理模型和仿真模型的計算結果雙向驗證了優化代理模型精度的可靠性。最終優化后WIC下降14.92%，乘員保護效果明顯提高。