孫 捷 顧力強

上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 200240

側(cè)面安全氣囊能量吸收的仿真研究

孫 捷 顧力強

上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 200240

安全氣囊的能量吸收一直是安全氣囊保護效果是否達(dá)標(biāo)的重要考量標(biāo)準(zhǔn)，然而如果每次通過實車試驗來判斷能量吸收的效果不僅耗費大量人力物力，而且實車碰撞的工況太多，可能影響的實驗參數(shù)也太多，所以我們一般通過其他途徑，例如動態(tài)沖擊實驗的仿真來得到側(cè)面氣囊可以吸收的具體能量值。這種方法不但可以減少影響實車結(jié)果的各種條件，而且結(jié)果也非?？煽扛咝В€可以大大的減少實驗成本

側(cè)面氣囊 仿真對比 C-NCAP crash test

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)汽車總量逐步攀升，交通事故發(fā)生率也居高不下。據(jù)統(tǒng)計，自2000年以來，我國每年因為交通事故造成的人員傷亡巨大，其中死亡超過六萬人，而傷者也高達(dá)三十萬之多。在這些交通事故中，正面碰撞事故僅占總事故的21%，而側(cè)面碰撞則占到了41%。減少側(cè)面碰撞損失，成為人們研究的重點。由于車輛側(cè)面空間非常的狹小，一方面降低了側(cè)面防護碰撞的能力，另一方面也增加了車載人員和駕駛員在發(fā)生側(cè)面碰撞中的躲避難度。因此，一旦發(fā)生側(cè)面碰撞，車載人員和駕駛員的胸部、頭部、頸部等關(guān)鍵部位極易發(fā)生傷害，而且傷殘級別還比較高。按照美國汽車醫(yī)學(xué)協(xié)會制定的標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)面碰撞中人員傷害往往處于3級以上，對乘車人員傷害極大。

如何可以模擬出碰撞過程中所有產(chǎn)生的能量傷害，仿真成為了最有效也是最直接的驗證方式，因為真實車輛的現(xiàn)場測試，不僅需要花費大量的人力物力和財力，同時由于各種偶然因素的影響以及產(chǎn)品設(shè)計等影響，現(xiàn)場真車試驗的可重復(fù)性也較差。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真分析被廣泛的應(yīng)用于汽車行業(yè)，通過仿真實驗，可以具體分析車載人員和駕駛員等在側(cè)面碰撞、正面碰撞中的承壓情況。

1 側(cè)面氣囊工作原理

側(cè)面安全氣囊主要分為3個種類，頭胸保護氣囊、胸部保護氣囊、胸臀保護氣囊。每個種類的區(qū)別在于氣囊的保護面積和體積不同。每種氣囊都有各自關(guān)注的保護對象。有些氣囊甚至是多腔的來保護多個人體器官。由于SAB側(cè)重的是乘客和駕駛員的胸部保護，而且胸部的臟器較多，所以胸部保護是SAB主要關(guān)的保護區(qū)域。根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，每個SAB都必須達(dá)到胸部保護的功能側(cè)面安全氣囊系統(tǒng)不僅涉及到氣囊本身，與傳感器、自動控制單元等也密切相關(guān)。當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時，首先由傳感器感應(yīng)到碰撞信號，并將該碰撞信號迅速傳感給控制單元，由控制單元對該碰撞信號進(jìn)行分析判別，必要時釋放出氣囊起爆信號，讓點火設(shè)備迅速點火，氣囊快速充氣，并在最短時間內(nèi)充滿氣體，減少或避免車上乘客的碰撞傷害，發(fā)揮保護車上乘客人身安全的作用。

圖1 側(cè)面氣囊介紹Fig.1 SAB introduction

2 側(cè)面氣囊能量吸收及仿真

2.1 側(cè)面氣囊的仿真

本次使用某正在開發(fā)的胸臀保護的側(cè)面安全氣囊作為目標(biāo)來研究它的仿真數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果。SAB的仿真較為簡單，因為只有一個腔體，所以在建立模型和數(shù)據(jù)采集時都較為方便，不會輕易受其他環(huán)境因素改變。首先我們通過已有的掃描和建立三維模型，通過dyna仿真軟件建立和導(dǎo)入模型，并設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，我們仿真模擬的結(jié)果是模擬氣囊在沒有任何相關(guān)件的情況下點爆后的狀態(tài).仿真的結(jié)果可以看到，模擬時間和真實實驗的到位時間，充滿時間.以及充滿位置基本一致.這樣就證明了我們的仿真結(jié)果是真實可靠的.

表1 仿真與實際實驗的到位時間對比Table 1 simulation and real test on position time comparison

圖2 側(cè)面氣囊靜態(tài)點爆仿真Fig.2 SAB static deployment simulation

通過靜態(tài)點爆的仿真，是為了動態(tài)沖擊對比的鋪墊.當(dāng)仿真內(nèi)容可靠時，我們再將模型應(yīng)用到動態(tài)沖擊對比中，這樣使動態(tài)沖擊仿真中的可變因素減小.仿真結(jié)果也較為可靠。

2.2 側(cè)面氣囊的動態(tài)沖擊實驗

動態(tài)沖擊實驗是模擬實車碰撞的一種實驗，可以較為真實的模擬實車碰撞時氣囊點爆和吸收能量的過程，但是缺點是這個實驗還是相對靜態(tài)的，不具有動態(tài)實驗時候的各種環(huán)境參數(shù)的影響。具體實驗方法是：用25kg的平板去模擬人的軀干，以6 m／s的速度沖擊目標(biāo)，此時氣囊同時展開，這種實驗即可以測試氣囊的到位時間，也可以測試氣囊的壓力數(shù)值是否滿足條件。如果到位時間過慢，那么模擬板會撞擊到背板區(qū)域，如果壓力值過小，那么就會發(fā)生所謂的“擊穿”效果，模擬板也會接觸到背板。我們可以通過各種傳感器和觀察接觸時間來記錄幾個重要的關(guān)鍵參數(shù)，撞擊速度／加速度、氣囊腔體的內(nèi)部壓力值、氣囊的變形量（位移）。

圖3 側(cè)面氣囊動態(tài)沖擊對比Fig.3 SAB dynamic impact correlation

2.3 動態(tài)沖擊實驗的仿真結(jié)果的對比

為了確認(rèn)仿真參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，我們會通過真實的實際動態(tài)沖擊實驗來對比我們的仿真結(jié)果，在實驗過程中，我們首先要確保實驗的設(shè)置和仿真內(nèi)容達(dá)到一致，即相同位置的氣囊布置，相同重量的模擬板，相同的觸發(fā)距離，相同的沖擊速度等。然后我們對比仿真和實驗的關(guān)鍵值。即對比速度／加速度、腔體壓力、位移。

經(jīng)過對比數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，速度／加速度值和壓力值如下圖所示。這兩個實驗表明，在速度和加速度曲線上，我們的仿真結(jié)果和實驗結(jié)果基本一致，速度基本是6.3 M／S，加速度基本控制在27.5 M／S2，但是壓力值上由于氣體發(fā)生器本身的不穩(wěn)定性，在幾個比較重要的氣體釋放關(guān)鍵點，數(shù)值還是較為相同的，例如在5MS時都可以達(dá)到壓力最大值，而且在10ms左右壓力有一個負(fù)緩沖，然后規(guī)律的釋放氣體壓力。這種氣囊的能量吸收會有一個非常穩(wěn)定的過程，即從車輛碰撞開始，氣囊可以完整地打開，然后壓力值最大時因為此時腔體還未完全打開，氣體在快速的充滿氣囊，最后當(dāng)壓力值達(dá)到工作區(qū)域時，我們可以發(fā)現(xiàn)并沒有發(fā)生擊穿現(xiàn)象，所以氣囊可以完整地吸收整個沖擊所能造成的能量。達(dá)到預(yù)先目標(biāo)的要求。

圖4 沖擊速度為6 M／S時各參數(shù)曲線對比值Fig.4 impact speed 6 m／s several data correlation

為了再次驗證對比實驗的可靠性，我們一般會選用兩種實驗設(shè)置來確認(rèn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，下圖是沖擊速度為8 M／S，沖擊板重量為35 kg時的參數(shù)曲線。我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)速度提高后，動能明顯變大，加速度曲線的峰值也有所提高。但是仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)還是非常接近的，無論是速度、加速度，還是壓力曲線的整體趨勢依舊很相似，這樣可以清楚地表明我們仿真的結(jié)果是真實可靠的。

圖5 沖擊速度為8 M／S時各參數(shù)曲線對比值Fig.5 impact speed 8 m／s several data correlation

2.4 動態(tài)沖擊實驗的失效及優(yōu)化

當(dāng)仿真和實驗出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象時，我們認(rèn)為這樣的結(jié)果是不符合設(shè)計要求的。擊穿即模擬軀干的沖擊板直接接觸車門內(nèi)飾。此時的氣囊是失去保護效果的。我們可以從下面的參數(shù)中看到，當(dāng)發(fā)生擊穿現(xiàn)象時，加速度曲線和速度曲線會有明顯不同。加速度會因為受到門板反彈而再次變大，我們也可以通過位移曲線來確認(rèn)擊穿。

當(dāng)發(fā)生擊穿現(xiàn)象時，我們可以通過幾種手段優(yōu)化氣囊：在保護區(qū)域變化不大的情況下，減小氣囊

的體積；調(diào)整泄氣孔或者氣囊布料的涂層從而增加氣囊的氣密性。當(dāng)然不管使用哪種優(yōu)化方案。我們都必須重新仿真和通過動態(tài)沖擊實驗來驗證它的可靠性。

Side Air Bag energy sorption simulation and analyze

He Xiong He Weilian
School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240

Energy absorbing of airbag has been an important consideration whether the protective effect of airbags standard.But if each real crash test to determine the energy absorption effect not only spend a lot of manpower and resources，but also will the actual vehicle collision conditions，which may affect the experimental parameters too many，so we generally through other means，such as dynamic impact simulation and correlation to get specific energy values side airbag can absorb.This approach not only reduces the impact of the various conditions the results of the actual vehicle，and the results are very reliable and efficient，but also can greatly reduce the cost of experiments.

Side airbag simulation correlation C-NCAP crash test

U461.91

B

1006-8244（2015）04-037-04