側面柱碰撞工況下駕駛員側氣囊優化設計

【摘要】為提高側面柱碰撞工況下駕駛員側氣囊安全得分，依據2021版C-NCAP管理規則搭建汽車側面柱碰撞乘員約束系統模型，實車碰撞及仿真結果表明，頭部、腹部、骨盆安全得分均達標，胸部傷害較嚴重，得分較低。通過優化側氣囊的袋型和氣孔直徑，提升胸部肋骨安全得分。優化后結果表明，胸部上肋骨、中肋骨、下肋骨壓縮量分別減小30.97%、8.26%、13.71%，驗證了優化方案的有效性。

主題詞：側面柱碰撞 側氣囊 安全性 乘員約束系統

中圖分類號：U461.91" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20240032

Optimal Design of Driver’s Side Airbag in Side Pole Crash

Xiao Hua1， Xiao Sen1， Zhao Kuangyu1， Qi Yufei2， He Yaoxin2

（1. Hebei University of Technlogy， Tianjin 300401; 2. Great Wall Motor Technology Center， Baoding 071000）

【Abstract】In order to improve the safety score of the driver’s side airbag under the side pole collision condition， the model of occupant’s restraint system in the vehicle side pole collision was built according to the 2021 version of C-NCAP， and the vehicle collision and simulation results show that the safety scores of the head， abdomen and pelvis all reach the standard， and the chest injury is more serious and the score is lower. By optimizing the pouch shape and stomatal diameter of the side airbags， the chest rib safety score is improved. The optimization results show that the compression of the upper rib， middle rib and lower rib of the chest decreases by 30.97%， 8.26% and 13.71%， respectively， which verifies the effectiveness of the optimization scheme.

Key words： Side pole crash， Side airbag， Safety， Occupant restraint system

1 前言

側面碰撞造成的傷亡人數占汽車事故總傷亡人數的28%[1]，因此，側面碰撞安全性研究對提高汽車安全性具有重要的現實意義。以往的側面碰撞研究主要針對車與車的碰撞[2]，2021年版中國新車評價規程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP）管理規則[3]中新增側面柱碰撞試驗，對車輛側面與圓柱形剛性物體直接撞擊時的安全性進行評價。

針對側面柱碰撞的影響因素：朱海濤等[4]從力學理論出發，研究了側面柱碰撞和側面碰撞在受力上的差異；李翼德[5]基于人體損傷機理，分析實際碰撞中乘員的響應特性，構建了車輛側面柱碰撞模型并進行驗證；Warner等[6]基于福特的實車平臺，獲取車輛的不同碰撞位置、不同柱面大小等因素對車輛力學響應的影響；Kuwaharm等[7]研究發現，在側面柱碰撞工況下，側氣囊可降低胸部肋骨壓縮量，減小上臂擠壓胸部上肋骨及扶手侵入胸部下肋骨的力。

本文基于人體生物力學響應及側面柱碰撞影響因素構建側面柱碰撞模型，驗證假人頭部、胸部、腹部、骨盆傷害值與實車碰撞的擬合程度，提出側氣囊袋型及孔徑的優化方案，降低胸部肋骨壓縮量并驗證優化方案的有效性。

2 模型搭建

2.1 側面柱碰撞模型

側面柱碰撞總體模型如圖1所示。模型節點數量為1 480 855個、殼單元1 562 527個、個體單元391 132個。模型包含左側前門、駕駛員處地板、側圍、駕駛員座椅、駕駛員約束系統、假人模型及剛性柱壁障模型等。

周會鋒[8]通過研究全球側面碰撞第50百分位男性假人（World Side Impact Dummy 50th，WordSID 50th）和歐洲側面碰撞假人-2（Euro Side Impact Dummy -2，ES-2）的響應特性，發現相同工況下，前者工作壽命更長。本文依據歐洲新車評價規程[9]（European New Car Assessment Programme，E-NCAP）在駕駛員座椅放置WordSID 50th。

繪制網格時，需刪除不足3 mm的倒圓角、直徑小于4 mm的圓等非重要特征線，根據工程要求，本文模型采用8 mm網格。

2.2 假人模型標定

按照以下條件進行整車標定：

a. 針對假人姿態進行相應調整，改變假人胯點（H點）確定假人姿態的同時，調整假人手臂位置。由于無法模擬衣服厚度及摩擦，模擬手臂外擺程度需改變假人模型摩擦因數，使模型更符合實際工況。

b. 車輛碰撞時，車身侵入量需根據采集的加速度，通過二重積分計算出相應位移，模型車身侵入量貼近實車碰撞效果。

c. 對于整車模型，需考查假人與座椅的摩擦、側氣囊與側氣簾的點火時刻以及全車氣囊展開形態與實車符合程度。

3 側面柱碰撞實車試驗及仿真

側面柱碰撞工況下，首先由白車身框架結構變形吸收能量[10]，再通過約束系統進一步降低碰撞對駕駛員的傷害。本文通過實車碰撞及仿真結果比較，判斷車輛約束系統運行情況，同時優化側氣囊。試驗設置如表1所示。

3.1 實車碰撞結果

實車側面柱碰撞測試結果如表2所示，試驗中，車輛側氣囊及側氣簾點火時刻正常且側氣囊、側氣簾展開無異常。頭部保護達到預期標準，但胸部傷害較嚴重，側氣囊保護效果略差。

在實車碰撞試驗中，由于假人手臂抬起較晚，對肋骨造成擠壓，導致胸部壓縮量過大，因此評分較低，不滿足車輛設計要求。為達成C-NCAP“五星”的目標，需要將分數提升至14.7分，由于頭部、腹部及骨盆得分為滿分，因此胸部得分至少需要達到2.7分。

3.2 仿真模型損傷指標及分析

在側面柱碰撞中，主要通過乘員頭部、胸部及骨盆分析駕駛位假人的損傷情況。通過仿真動畫傷害曲線篩選未達標項目，并進行約束系統優化。

3.2.1 頭部傷害分析

側面柱碰撞中評價乘員頭部傷害的主要指標為頭部損傷耐受度（Head Injury Criterion，HIC），即nHIC：

式中：t1、t2分別為HIC計算的起始和終止時刻，且t2-t1≤15 ms；AR為頭部合成加速度；Ax、Ay、Az分別為x、y、z方向濾波后的加速度。

根據E-NCAP的規定，HIC的限值范圍為500～700 g，累積3 ms合成加速度指標范圍為72～80 g[11]。根據頭部加速度曲線，如圖2所示，實車碰撞頭部合成加速度峰值為53.90 g，代入式（1）計算可得nHIC=384.66 g。由于HIC低于指標限值，因此，頭部傷害無需進行優化。

頭部加速度峰值時間的仿真與試驗結果如表3所示，實車碰撞頭部加速度在第61 ms達到傷害峰值，仿真分析在第56 ms達到傷害峰值，第80 ms以后，實車和仿真均結束碰撞。在誤差允許范圍內，頭部的實車碰撞試驗與仿真曲線相似，則認為實車碰撞與仿真試驗運動大致相同。

3.2.2 胸部傷害分析

評價乘員胸部損傷主要用胸部肋骨壓縮量和粘性指標（Viscosity Index，V-C）nV-C，粘性指標應滿足nV-C≤1.0 m/s[12]。由于實車碰撞時胸部壓力過高，對仿真模型進行適度調整。傷害時刻主要發生在第30～40 ms，從第30 ms開始，間隔10 ms觀測一次模型狀態，第30～60 ms仿真結果如圖3所示。

由圖3可知，第30 ms時，假人手臂處于初始位置，此時側面氣囊未能提供足夠的保護。隨著柱狀物的侵入，側氣囊在第50 ms充氣基本完成，能夠完全提供保護作用。第50～60 ms，假人上臂快速抬起，減輕了對胸部的擠壓。此時，側面剛性柱與車門部位發生劇烈撞擊，地板、側圍以及B柱發生較為劇烈的形變并沖擊假人。通過觀察肋骨壓縮量峰值時刻的實車碰撞錄像和模擬仿真圖像（見表4），假人姿態（包括左手手臂姿態）大致相同，驗證了仿真模型與實車碰撞的一致性。

由于胸部傷害達到峰值時，假人左手手臂抬起幅度較小，而側氣囊彈出時，手臂受到側面柱對車身壓迫造成車身形變的沖擊，對胸部造成擠壓，同時側氣囊未對手臂起到托舉作用，造成手臂對于胸部肋骨過度擠壓，從而導致胸部壓力超過目標要求，最終得分僅為1.02分。胸部得分低于預期目標，需要對胸部傷害進行分析及優化。

3.2.3 腹部傷害分析

腹部損傷機理與胸部損傷相似，使用腹部肋骨側向壓縮量和粘性指標評價，側向肋骨壓縮量限值為47 mm，nV-C≤1.0 m/s。腹部傷害曲線的實車碰撞試驗與仿真分析結果如圖4所示：腹部上肋骨最大壓縮量，為27.40 mm，粘性指標為0.16 m/s；腹部下肋骨最大壓縮量為17.20 mm，粘性指標為0.12 m/s。

圖4a中，由于仿真氣囊的充氣速率略快于實車碰撞，所以腹部上肋骨仿真的壓縮量峰值早于實車碰撞，而圖4b中，腹部下肋骨仿真的壓縮量峰值雖略大于實車碰撞，但二者均在壓縮量高性能指標限值內。結合腹部傷害評價標準，模擬仿真和實車碰撞的腹部傷害遠小于指標限值，故無需進行后續分析。

3.2.4 骨盆傷害分析

正常男性成人骨盆的極限壓縮量為8.42 mm，極限載荷為2.762 kN，當超過極限載荷時，骶骼關節處會發生骨折[13]。在側面柱碰撞中，車身側圍受到的沖擊力將傳遞到碰撞側骨盆，從而造成損傷。本文試驗骨盆受力峰值為528.7 N，骨盆傷害曲線如圖5所示，模擬仿真與實車碰撞的吻合程度良好，且骨盆受力均在允許范圍內，故后續不再針對骨盆傷害進行優化。

3.2.5 運動學分析及模型優化

根據實車碰撞視頻分析結果，第15 ms時，氣囊開始展開，第20 ms時，手臂抬起并對胸部肋骨造成擠壓。仿真結果顯示：第20 ms時手臂抬起的幅度超過了實際碰撞過程中的幅度；第38 ms時，氣囊完全展開，頭部完全接觸氣囊；第72 ms時，手臂達到最高點。

實車試驗與模型仿真中，頭部、胸部、腹部及骨盆處傷害曲線在誤差允許范圍內一致，故本文使用仿真模型具備模擬實車試驗條件。同時，除胸部外，其他部位均符合標準，因此，本文重點優化胸部肋骨壓縮量。

4 仿真優化方案與結果分析

經實車碰撞及仿真對比，汽車側面結構在碰撞后發生巨大形變，導致展開后的氣囊被車門擠壓并與乘員接觸，對乘員胸部造成嚴重傷害。為進一步保護乘員安全，本文對側氣囊進行優化分析。

4.1 改進措施分析

調整乘員手臂衣服的摩擦因數，對調整后的模型進行仿真驗證，并與實車碰撞結果進行對比，如表5所示。

根據仿真與試驗情況，對模型側氣囊袋型及氣孔直徑進行優化設計，使乘員在碰撞發生時能夠快速抬起手臂，從而降低手臂與胸部的接觸面積，降低胸部肋骨壓力。同時，從第30 ms開始，逐漸增大側氣囊氣孔直徑，并依據各工況計算氣孔最佳直徑，調整側氣囊剛度，減少二次沖擊。

4.2 具體改進措施

駕駛員安全氣囊（Driver Airbag，DAB）有限元模型由氣袋、氣體發生器、控制裝備等裝置組成，氣袋的體積與形狀、排氣孔的大小及氣袋材料均影響其保護能力。通過改變氣囊形狀、降低側氣囊高度、增大胸部氣囊，提高原氣囊充氣量，袋型對比如圖6所示。

選取乘員同一部位進行仿真測試，改進袋型后，對有限元模型進行計算并提取結果，胸部上、中、下肋骨的壓縮量及得分進行對比，結果如表6所示。

改進氣囊模型形狀后，胸部上部肋骨壓縮量減小5.47 mm，胸部中、下部肋骨壓縮量分別增大了4.87 mm和5.03 mm，假人胸部評分由2.02分提升到2.74分。

改變側氣囊模型氣孔直徑，進一步減小肋骨壓縮量，設置氣孔直徑分別為30 mm、33 mm和35 mm進行對比，結果如表7所示。

通過胸部肋骨壓縮量以及最終得分的對比，氣孔直徑為35 mm時，胸部肋骨的保護效果最好。因此，氣孔直徑選擇35 mm。

4.3 改進前、后對比

優化方案中胸部肋骨壓縮量均小于31 mm，得分超過預設目標，達到3.52分，胸部發生擠壓的總時長為15 ms。隨著側氣囊的展開，胸部上肋骨受到氣囊壓迫，上肋骨壓縮量迅速增大，峰值達到30.65 mm。峰值出現時間較優化前提前5 ms，壓縮量減少13.75 mm，降低30.97%。由于側氣囊氣孔直徑的優化，首次碰撞后，胸部上肋骨壓縮量達到峰值，側氣囊能夠將氣體快速排出，降低了側氣囊的剛度，有效避免了碰撞后的二次傷害，如圖7所示。之后，逐漸抬起乘員手臂，側氣囊起到緩沖作用，使胸部上肋骨壓縮量開始下降，第45 ms時，胸部上肋骨壓縮量再次達到峰值。

胸部中肋骨壓縮量與上肋骨壓縮量基本一致，優化后第19 ms時首次出現峰值，且峰值出現時間較優化前提前3 ms。第35 ms時，胸部中肋骨壓縮量達到30 mm，相比于5 ms后原方案出現的壓縮量峰值減少2.7 mm，降低8.26%，如圖8所示。

胸部下肋骨壓縮量曲線趨勢與胸部上肋骨在第35 ms前大致相同。胸部下肋骨最大壓縮量為27.25 mm。隨著氣囊展開，胸部下肋骨受到的壓力逐漸減小，壓縮量逐漸減小。由于柱壁障模型的侵入，壓縮量再次增大，并在第55 ms達到新的峰值25.46 mm，較原方案的最大壓縮量減小4.33 mm，降低13.71%，如圖9所示。

綜上所述，碰撞前期的傷害主要源于側氣囊剛度較大，乘員受到壓力越大，相對地，假人所受傷害越嚴重。側氣囊展開后開始吸收碰撞產生的能量，通過保有一定剛性，吸收后續剛性柱入侵車身時產生的能量，從而使假人得到更好的保護。同時，側氣囊的剛度提高有利于減小胸部下肋骨壓縮量。在肩部力不超標的前提下，將手臂通過氣囊適當抬起，降低胸部肋骨所受到的壓力，也可減小胸部肋骨的壓縮量，如圖10所示。

5 結束語

本文基于側面柱碰撞工況，通過設計對照試驗，對影響頭部、胸部、腹部、骨盆傷害值的兩大因素，即側氣囊袋型和氣孔直徑進行分析。結果表明：在一定程度上，增大側氣囊氣孔直徑可減小胸部上肋骨、中肋骨、下肋骨壓縮量，分析對照試驗后增大側氣囊氣孔直徑到35 mm；改變側氣囊袋型，將側氣囊高度降低并將胸部氣囊增大，可降低肋骨壓縮量。此外，碰撞中抬起手臂可以改善胸部安全性能得分，但其對人體其他部位的影響還需進一步研究。

參 考 文 獻

[1] 張志堅， 江育斌， 嚴利鑫. 側撞事故傷亡決定特征提取和影響因素分析[J]. 江西師范大學學報（自然科學版）， 2021， 45（2）： 145-152.

ZHANG Z J， JIANG Y B， YAN L X. The Decisive Feature Extraction and Main Influencing Factors Analysis of Side" "Impact Accidents[J]. Journal of Jiangxi Normal University （Natural Science）， 2021， 45（2）： 145-152.

[2] 姜劍. 側面柱碰撞工況下安全氣囊參數對乘員損傷的影響研究[J]. 汽車技術， 2024（1）： 44-49.

JIANG J. Research on the Influence of Airbag Parameters on Occupant Injury in Side Pole Crash[J]. Automobile" " " " " "Technology， 2024（1）： 44-49.

[3] 中國汽車技術研究中心有限公司. C-NCAP管理規則（2021年版）[S/OL]. （2020-08-25） [2024-01-10]. https：//www.c-ncap.org.cn/article-detail/632e3f0d18ab42d0b43dd1aee98eed18？type=2.

China Automotive Technology and Research Center. C-NCAP Management Regulation （2021 Edition） [S/OL]. （2020-08-25） [2024-01-10]. https：//www.c-ncap.org.cn/article-detail/632e3f0d18ab42d0b43dd1aee98eed18？type=2.

[4] 朱海濤， 孫振東. 側面柱碰撞的研究[J]. 交通標準化， 2006（7）： 174-178.

ZHU H T， SUN Z D. Study on Collision of Flank Pole[J]. Communications Standardization， 2006（7）： 174-178.

[5] 李翼德. 轎車側面柱碰撞的耐撞性優化設計研究[D]. 長沙： 湖南大學， 2011.

LI Y D. A Study on Optimal Crashworthiness of Car Side Structure in Side Pole Impact[D]. Changsha： Hunan" " " " " University， 2011.

[6] WARNER B， MARK H， RONALD P， et al. Development of Pole Impact Testing at Multiple Vehicle Side Locations as Applied to The Ford Taurus Structural Platform[J]. BMGN Low Countries Historical Review， 2006， 10（3）： 665-75.

[7] KUWAHARA M， YASUKI T， KITAGAWA Y， et al. A Study of SRS Side Airbag Performance in Chest Protection in A Side Pole Impact Using A Human FE Model[C]// FISITA 2008 World Automotive Congress. Munich， Germany：" " "VDI-FVT， 2008.

[8] 周會鋒， 李碧浩， 丁海建， 等. 側碰WorldSID 50th假人等效保護設計研究[J]. 上海汽車， 2017（7）： 5.

ZHOU H F， LI B H， DING H J， et al. Research on Equivalent Protection Design of WorldSID 50th Dummy in Side" " Impact[J]. Shanghai Automotive， 2017（7）： 5.

[9] European New Car Assessment Programme Committee. European New Car Assessment Programme （Euro NCAP）[S/OL]. （2020-11-1） [2024-01-10]. https：//www.euroncap.com/en/for-engineers/protocols/general/.

[10] 張春浩. 某車型白車身輕量化設計[D]. 重慶： 重慶理工大學， 2021.

ZHANG C H. The Lightweight Design of a Body in Whit[D]. Chongqing： Chongqing University of Technology， 2021.

[11] 王友俊， 劉燦燦， 閆肅軍. 基于側面可移動變形壁障碰撞與側面柱碰撞的假人損傷對比研究[J]. 時代汽車， 2022（6）： 189-191.

WANG Y J， LIU C C， YAN S J， et al. Comparative Study of the Dummy Damage Based on Side Mobile Deformable" "Barrier Collision and Side Pole Collision[J]. Auto Time， 2022（6）： 189-191.

[12] 中華人民共和國工業和信息化部. 汽車正面碰撞的乘員保護： GB 11551—2014[S]. 北京： 中國標準出版社， 2014.

Ministry of Industry and Information Technology of the" "People’s Republic of China. The Protection of the" " " " " "Occupants in the Event of a Frontal Collision for Motor" " Vehicle： GB 11551—2014[S]. Beijing： Standards Press of China， 2014.

[13] 呂志剛. 汽車側碰乘員約束系統建模和性能優化分析[D]. 上海： 上海工程技術大學， 2010.

Lü Z G. Automobile Occupant Restraint System Modeling and Performance Optimization in Side Impact[D]." " " " " " " "Shanghai： Shanghai University of Engineering Science， 2010.

（責任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2024年1月10日。

*基金項目：國家自然科學基金項目（52175084，52175085）；河北省自然科學基金項目（E2020202017）。

【引用格式】 肖華， 肖森， 趙貺雨， 等. 側面柱碰撞工況下駕駛員側氣囊優化設計[J]. 汽車技術， 2024（4）： 24-29.

XIAO H， XIAO S， ZHAO K Y， et al. Optimal Design of Driver’s Side Airbag in Side Pole Crash[J]. Automobile Technology， 2024（4）： 24-29.