葛如海，劉 樂，林 坡，肖建忠

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2.無錫職業(yè)技術學院， 江蘇 無錫 214121)

隨著社會的進步，汽車已經(jīng)逐漸走進了千家萬戶，成為生活中必不可少的一部分。然而由于汽車保有量的增加，汽車事故的發(fā)生率也隨之增加。另外，由于我國道路交通大多為混合交通，且交叉路口以平面交叉為主[1]，導致汽車發(fā)生側面碰撞的交通事故率居高不下。據(jù)統(tǒng)計，2016年末全國民用汽車保有量為19 440萬輛(包括三輪汽車和低速貨車881萬輛)，道路交通事故萬車死亡人數(shù)為2.1人[2]。

就汽車本身而言，側面是車體中強度較薄弱的部位，結構空間小，吸能構件少，當車身側面遭受撞擊時，沒有足夠的變形空間去吸收緩沖撞擊力，造成乘員與車門窗及外部物體等發(fā)生碰撞而受傷，嚴重時甚至死亡[3]。汽車安全氣囊作為一種輔助安全工具，主要是為了減少二次碰撞對乘員造成的傷害。汽車側面氣囊為乘員提供頭部、胸部、腹部、臀部等部位的被動約束保護，主要分為頭部氣囊(氣簾)、頭胸式氣囊、胸部氣囊、胸臀式氣囊等。現(xiàn)在頭胸式氣囊對假人頭胸部位保護這一方面的研究較少，較多的是研究頭胸一體式氣囊或氣簾加胸部氣囊對乘員的保護。楊濟匡等[4]采用有限元分析模型、逐步回歸代理模型和序列優(yōu)化方法對頭胸部一體式氣囊進行了優(yōu)化設計，使側面碰撞的綜合傷害評估值下降。李曉明等[5]研究發(fā)現(xiàn)：側面氣囊和氣簾能對乘員頭胸部提供更好的保護。本文通過研究發(fā)現(xiàn)：采用雙氣室氣囊可以同時保護頭部與胸部。

本文通過計算機仿真技術，運用CATIA、HYPERMESH、MADYMO等軟件建立頭胸雙氣室式氣囊側面碰撞的仿真模型，與試驗數(shù)據(jù)進行對標，確定模型的有效性，并與安裝氣簾加胸部氣囊的碰撞模型對比，以此來驗證設計的頭胸氣囊對乘員的保護效果。利用正交試驗對氣囊模型進行優(yōu)化，以提高約束系統(tǒng)的整體性能。

1 側面碰撞仿真模型的建立與驗證

MADYMO軟件能提供一種基于實車側面碰撞試驗數(shù)學仿真的PSM方法[4]，利用該方法建立側面碰撞試驗車輛的簡化約束系統(tǒng)模型，可以用來模擬碰撞過程中車門發(fā)生變形，假人與氣囊、車體接觸碰撞等。PSM子結構方法能極大地簡化復雜耗時的整車側面碰撞有限元模型，便于有效地對約束系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化設計。

1.1 車體模型的建立

模型主要包括車體模型、假人模型、安全氣囊模型等。車體模型采用PSM子結構方法建立，坐標原點在車體前方，X軸方向為車體運動的相反方向，Y軸方向為指向車體右側，Z軸方向向上。將車門結構及其內(nèi)飾、A柱、B柱、門檻、車輛地板、駕駛員座椅等的Catia模型導入Hypermesh中進行網(wǎng)格劃分，然后導入MADYMO中，用以將模型按實車情況進行定位。對車門結構模型施加以實車試驗獲取的碰撞入侵速度以及加速度波形，座椅也賦予相應的加速度波形，其余車體結構運動時不考慮車體變形。采用有限元外形，應用多剛體的方法進行模型計算。本文所用試驗數(shù)據(jù)是在C-NCAP側碰試驗中采集，側碰時移動臺車前端加裝可變形吸能壁障，沖擊試驗車輛駕駛員側，移動壁障行駛方向與試驗車輛垂直，移動壁障中心線對準試驗車輛R點，碰撞速度為50 km/h[6]。圖1 為車體模型與座椅波形。

圖1 車體模型與座椅波形

1.2 假人模型定位

MADYMO中提供已經(jīng)標定過的假人模型，因此假人模型可以直接提取進行使用，本文使用的是軟件中的ES_2側碰假人[7]。對于假人坐姿的調整需要根據(jù)試驗中的座椅與假人間的相關數(shù)據(jù)來進行，而假人與模型接觸則需要根據(jù)試驗中假人發(fā)生的實際接觸進行定義。本文假人與模型涉及的接觸主要有假人與側氣囊的接觸、假人與座椅的接觸、假人與門內(nèi)飾板的接觸。圖2 為假人與車體模型。

圖2 假人與車體模型

1.3 側碰乘員約束系統(tǒng)仿真模型的驗證

模型驗證是仿真分析中的重要環(huán)節(jié)，關系著后續(xù)仿真分析的正確性，因此驗證分析要具備全面性和準確性[8]。一般來說，側碰模型的驗證是遵循接觸時刻先后的原則進行的，即按接觸時刻先后順序進行，同時力和加速度信號也需要滿足“起始時刻、形狀、峰值、峰值時刻及脈寬”等基本特征的相似性[9]。對于側碰 PSM子結構仿真模型驗證，主要從假人運動響應和假人傷害值響應兩個方面進行。在仿真模型已經(jīng)驗證有效的基礎上再對氣囊模塊參數(shù)進行設計優(yōu)化。

由于氣簾的建立不是研究重點，因此建模過程不做細致闡述。對建立好的模型進行仿真分析，在假人運動響應和假人傷害方面與試驗值進行對比驗證。實車試驗假人運動響應和MADYMO仿真模擬假人運動響應的對比見圖3。部分試驗與仿真驗證結果曲線見圖4和表1。

表1 試驗與仿真假人傷害值對比

由圖3、4和表1可以看出；模型在經(jīng)過調整對標后與試驗曲線的吻合度較好，關鍵指標的誤差范圍都在15%以內(nèi)，因此該仿真模型可以作為基本模型進行研究[10]。

2 安裝頭胸氣囊的側碰模型仿真

將本文已驗證的側碰模型中的氣囊替換為創(chuàng)新設計的頭胸雙氣室氣囊進行仿真研究，并用C-NCAP法規(guī)驗證其保護性能。

圖3 假人運動響應對比

圖4 假人傷害對比

2.1 氣囊設計

通過CATIA工作界面確定氣囊的具體尺寸與形狀，并建立其幾何模型，如圖5所示。將建立的頭胸氣囊?guī)缀文Ｐ蛯氲紿YPERMESH中進行網(wǎng)格劃分，如圖6所示。在網(wǎng)格劃分完成之后必須進行網(wǎng)格質量檢查，對某些不合格單元進行適當調整。

圖5 氣囊?guī)缀文Ｐ?/p>

圖6 氣囊網(wǎng)格

進一步采用Oasys Suite Primer對氣囊進行折疊，而后在MADYMO軟件中進行氣囊仿真。本研究采用雙氣體發(fā)生器分別對頭、胸氣囊進行充氣，主要通過控制氣體質量流率和溫度變化率來控制氣囊的充氣展開過程。氣囊展開模式采用均勻壓力法[11-12]。本模型所輸入的質量流率、溫度與時間的函數(shù)如圖7所示。

圖7 質量流率、溫度與時間的函數(shù)曲線

2.2 仿真分析

為了探究所設計的側面氣囊好壞，以建立好的模型作為基礎進行碰撞仿真，得到該工況下對乘員保護的各項數(shù)據(jù)，并結合C-NCAP碰撞法規(guī)[7]，驗證頭胸式氣囊保護效果的優(yōu)劣。假人傷害指標對比結果如表2所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：頭部的HIC值、3 ms合成加速度、胸部壓縮變形量、肋骨黏性指數(shù)、恥骨力與T12明顯低于C-NCAP規(guī)定的高性能限值指標； 背板力則介于高性能值與低性能值之間；腹部力則接近于低性能值。因此，從總體上來說，裝有頭胸氣囊的側碰模型符合C-NCAP的規(guī)定，可以作為基礎模型進行后續(xù)仿真工作。

表2 假人傷害與C-NCAP指標對比

指標高性能值低性能值仿真值HIC366501 00031.553 ms合成加速度/g728823.07壓縮變形量/mm224217.09肋骨黏性指數(shù)/(m·s-1)0.321.00.11背板力/kN1.04.02.31T12 Fy/kN1.52.01.46T12 Mx/(N·m)15020080.15腹部力/kN1.02.51.32恥骨力/kN3.06.02.34

3 兩種氣囊模型的保護效果對比

將前面所建立好的氣簾加胸部氣囊模型與頭胸氣囊模型作為基礎，分別進行仿真工作，對假人傷害值進行比較，結果如表3所示。由表3可以看出：在頭胸式氣囊模型下，頭部HIC值、3 ms合成加速度值及胸部壓縮量基本接近于氣簾加胸部氣囊模型，而在腹部力、背板力及T12則相對差一些。由于模型設計的初衷是為了實現(xiàn)在側碰中對乘員頭胸部位更有效的保護，因此從仿真結果來看，所設計的模型是成功的。

4 優(yōu)化研究

乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化設計的目標就是找到一種設計方案，該方案能從整車的被動安全性出發(fā)，為乘員提供最佳的保護性能[13]。本文主要從氣囊系統(tǒng)參數(shù)方面進行優(yōu)化。

表3 兩種氣囊模型假人傷害值對比

4.1 設計變量篩選

氣囊主要參數(shù)有氣囊體積、排氣孔大小、點火時間、氣囊包形、氣囊織物材料、氣體發(fā)生器質量流率大小、噴氣時間等[14]。由于所涉及氣囊的特點為能夠分別控制雙氣室，因此選定兩氣室的質量流率與點火時間作為優(yōu)化參數(shù)，如表4所示。

表4 因素水平

4.2 目標優(yōu)化

對于這種多目標優(yōu)化問題，本文選擇將假人的傷害值加權后的綜合傷害評估值WIC(weighted injury criterion)作為優(yōu)化的目標函數(shù)，利用正交試驗方法對頭胸氣囊的設計參數(shù)進行優(yōu)化設計。WIC值越低,約束系統(tǒng)的保護性能越好[15-16]。數(shù)學表達式如下：

4.3 正交試驗

根據(jù)4因素3水平正交試驗表[17]構造9個試驗點，得出其各響應值并計算極差值，結果如表5所示。表5中：Ki值為每一列上因素取水平i時所得結果的平均值；R表示極差。

4.4 結果分析

從極差值上可以看出；RA>RB>RC>RD，即頭胸式氣囊的4個因素對約束系統(tǒng)整體性能影響的主次順序分別為氣室1質量流率、氣室1點火時間、氣室2質量流率、氣室2點火時間。根據(jù)均值選取各因素的最優(yōu)水平值，其最優(yōu)組合為A1B1C1D3,由于正交試驗中沒有該組合，需要對最優(yōu)組合進行仿真。優(yōu)化前、后假人傷害曲線結果如圖8所示。傷害指標對比結果見表6。

表5 正交試驗的傷害結果

圖8 優(yōu)化前、后假人傷害曲線對比

指標優(yōu)化前優(yōu)化后比值/%HIC3631.5528.89-8.43壓縮變形量/mm17.0913.05 -23.63肋骨黏性指數(shù)/(m·s-1)0.110.09 -18.18腹部力/kN1.321.34 +1.51恥骨力/kN2.342.31 -1.28WIC0.3390.304 -10.32

由表6可知;優(yōu)化后胸部變形量減少了23.63%、肋骨黏性指數(shù)減小了18.18%，頭部HIC值也滿足法規(guī)要求，傷害指標 WIC 減小了10.32%。頭胸式氣囊對頭胸部位的保護得到了有效提升，極大地提高了約束系統(tǒng)性能，達到了優(yōu)化效果。

5 結束語

本文建立了側碰子結構仿真模型，研究分析了側碰中頭胸式氣囊和氣簾加胸部氣囊模型下的乘員運動響應曲線與傷害情況，通過對比可見：所設計的頭胸式氣囊能對假人提供良好的保護效果。根據(jù)仿真結果對頭胸式氣囊進行了優(yōu)化設計。優(yōu)化結果表明：綜合傷害評估值 WIC 減小了10.32%，頭胸雙氣室氣囊對頭胸部位的保護效果得到了提升。本研究現(xiàn)階段只進行了試驗仿真，接下來的工作是在仿真優(yōu)化結果的基礎上進行氣囊的實車試驗，驗證頭胸氣囊的實際保護性能。