汽車側(cè)面碰撞胸部安全氣囊優(yōu)化研究①

王晶晶， 朱西產(chǎn)， 馬志雄， 董學(xué)勤， 豐 燁

(1．同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804;2．承德石油高等專科學(xué)校，河北 承德067000)

0 引言

汽車碰撞安全性是汽車最為重要的整車性能之一．據(jù)有關(guān)機構(gòu)調(diào)查研究表明，交通事故類型中最多的就是碰撞事故，其中側(cè)面碰撞事故約占事故總數(shù)的30%，僅次于正面碰撞，而在造成死亡和重傷的事故中，側(cè)碰事故約占35%[1]．在中國，由于城市道路交通以平面交叉路口為主，側(cè)面碰撞事故發(fā)生概率最高[2]．中國的新車安全評估規(guī)程(CNCAP)實施后，對于側(cè)面碰撞中乘員保護的要求也提到了一個更高的標準．C－NCAP側(cè)面碰撞評定標準中不僅包含了所有國家強制性標準中所需評定的假人傷害值，還包括3個假人傷害的罰分項[3]．目前，在車輛的側(cè)撞保護中，除了需要優(yōu)化車身的側(cè)面結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾件，越來越多的車輛采用了側(cè)面安全氣囊和側(cè)面氣簾來提高乘員側(cè)面保護效果，并希望提高車輛在C－NCAP測試中的星級水平．

本文通過側(cè)面氣囊匹配中的零部件試驗和臺車試驗，利用MADYMO仿真軟件，對某車型的側(cè)面胸部氣囊進行優(yōu)化改進，在側(cè)面碰撞中有效地降低了假人胸部傷害，提高了該車型側(cè)面碰撞試驗中假人胸部的得分．

1 整車碰撞試驗結(jié)果分析

本文車型在進行企業(yè)內(nèi)部的C－NCAP側(cè)面碰撞標準試驗中，胸部壓縮量較大，導(dǎo)致假人胸部的得分較低．胸部三根肋骨的壓縮變形量如圖1所示，由圖可知，三根肋骨的變形量相差較大，其中下肋骨變形量最大為32．67mm，遠遠超過C－NCAP中規(guī)定的22mm的高性能限值．因此可以通過對胸部氣囊的包形進行優(yōu)化，減小下肋骨變形量，使上中下三根肋骨的壓縮變形量趨于一致，進而提高C－NCAP側(cè)面碰撞試驗中假人胸部的得分．

圖1 胸部三根肋骨的壓縮變形量

2 側(cè)面胸部氣囊的優(yōu)化研究

2．1 胸部氣囊靜態(tài)起爆試驗與模型驗證

氣囊靜態(tài)起爆試驗是氣囊模塊開發(fā)過程中比較常用的一種試驗方法，可以用來進行氣囊模塊性能的考察，并在產(chǎn)品開發(fā)過程中對氣囊模塊進行優(yōu)化設(shè)計．通過靜態(tài)起爆試驗可以查看氣囊展開過程、展開時間、氣囊起爆充氣成功與否、是否有局部壓力過大導(dǎo)致織物撕裂的情況等等．如果氣囊性能不滿足要求，再通過CAE分析對氣囊模型進行修改，之后再進行靜態(tài)起爆試驗來驗證所進行的改進[4]．

應(yīng)用MADYMO軟件，建立胸部氣囊的靜態(tài)起爆試驗仿真模型，胸部氣囊的充氣過程采用均勻壓力法(Uniform Pressure)．觀察仿真模型中胸部氣囊的展開過程，與試驗的展開過程進行對比驗證，如圖2所示，驗證后的模型能夠真實反映氣囊起爆的物理過程．

圖2 胸部氣囊靜態(tài)起爆試驗與仿真對比圖

圖3 胸部氣囊動態(tài)沖擊試驗與仿真對比圖

2．2 胸部氣囊動態(tài)沖擊試驗與模型驗證

氣囊動態(tài)沖擊試驗的目的是為了進一步對氣囊仿真模型展開過程中的內(nèi)部壓力、氣囊的泄氣性能、對沖擊物加速度的影響等進行驗證，可通過比較仿真計算與試驗測得的沖擊物的加速度曲線的一致性來驗證仿真模型的正確性．

本文胸部氣囊動態(tài)沖擊試驗用一矩形板狀沖擊塊碰撞胸部安全氣囊．

應(yīng)用MADYMO軟件，建立胸部氣囊的動態(tài)沖擊試驗仿真模型．通過調(diào)整氣囊的質(zhì)量流、溫度流、排氣孔大小等參數(shù)，使仿真模型的氣囊展開過程與試驗的展開過程保持較好的一致性，如圖3所示;同時要使仿真模型中沖擊塊的加速度曲線與試驗的加速度曲線保持較好的一致性，如圖4所示．

圖4 胸部氣囊動態(tài)沖擊試驗沖擊塊加速度與仿真對比圖

2．3 側(cè)面碰撞臺車仿真模型驗證與試驗

在MADYMO中建立側(cè)面碰撞的臺車試驗仿真模型，如圖5所示．仿真模型采用MADYMO自帶的ES－2多面體Q假人，氣囊采用上文經(jīng)過驗證的胸部氣囊模型，車體模型已經(jīng)過驗證．

圖6所示為臺車仿真模型中胸部三根肋骨的壓縮變形量與整車側(cè)面碰撞試驗中三根肋骨壓縮變形量的對比．由圖可知，側(cè)面碰撞臺車仿真模型與整車試驗具有較好的一致性．

圖5 側(cè)面碰撞臺車仿真模型

圖6 胸部壓縮變形量的試驗與仿真對比圖

根據(jù)側(cè)面碰撞臺車仿真模型，進行側(cè)面碰撞臺車基礎(chǔ)試驗，如圖7所示．進一步可對胸部氣囊進行優(yōu)化．

圖7 側(cè)面碰撞臺車試驗

2．4 胸部氣囊的優(yōu)化方案與驗證

根據(jù)上文所述，假人胸部三根肋骨的變形量不一致，下肋骨變形量過大，說明三根肋骨的受力大小不一樣，可通過對胸部氣囊的包形進行優(yōu)化，減小下肋骨變形量，使三根肋骨變形量趨于一致．經(jīng)分析研究，胸部氣囊最佳包形如圖8所示，由圖可知，優(yōu)化后胸部氣囊的保護范圍明顯改善．

原胸部氣囊泄氣孔開在靠近車門的一側(cè)，氣囊作用過程中，泄氣孔可能會被車身某些部件阻塞，影響氣囊泄氣，進而降低氣囊對車內(nèi)乘員的保護作用．因此，優(yōu)化后胸部氣囊的泄氣孔采用在縫合線處開孔的形式，即泄氣孔位置不縫合．

圖8 優(yōu)化前后胸部氣囊包形對比

建立優(yōu)化后胸部氣囊的靜態(tài)起爆仿真模型，查看氣囊展開過程、展開時間等，如圖9所示．

圖9 優(yōu)化后胸部氣囊的靜態(tài)起爆仿真模型

圖10 優(yōu)化后胸部氣囊動態(tài)沖擊試驗與仿真對比圖

圖11 優(yōu)化后胸部氣囊動態(tài)沖擊試驗沖擊塊加速度與仿真對比圖

進行優(yōu)化后胸部氣囊的動態(tài)沖擊試驗，建立動態(tài)沖擊試驗的仿真模型并驗證仿真模型的正確性．仿真模型的氣囊展開過程與試驗的展開過程一致性較好，如圖10所示;仿真模型中沖擊塊的加速度曲線與試驗中沖擊塊的加速度曲線一致性較好，如圖11所示．

在MADYMO中建立優(yōu)化后側(cè)面碰撞的臺車試驗仿真模型，圖12所示為優(yōu)化后臺車仿真模型中胸部三根肋骨的壓縮變形量與優(yōu)化前臺車仿真模型中三根肋骨壓縮變形量的對比．由圖可知，仿真模型中，下肋骨壓縮變形量明顯減小，上肋骨和中肋骨的壓縮變形量也有一定程度的減?。门_車試驗進一步驗證胸部氣囊優(yōu)化效果．

圖12 優(yōu)化前后臺車仿真模型中胸部壓縮變形量對比圖

圖13 優(yōu)化前后側(cè)碰臺車試驗中胸部壓縮變形量對比圖

采用優(yōu)化后的氣囊，進行側(cè)面碰撞臺車試驗，比較試驗得到的胸部三根肋骨的壓縮變形量與優(yōu)化前側(cè)碰臺車基礎(chǔ)試驗中三根肋骨的壓縮變形量，如圖13所示．可以看出胸部肋骨壓縮變形量由最初的32．6mm減小為27．7mm，從而可以提高CNCAP側(cè)面碰撞試驗中假人胸部的得分．

3 結(jié)論

本文針對某車型在C－NCAP側(cè)面碰撞試驗中得分較低的情況，通過側(cè)面氣囊的零部件試驗和臺車試驗，利用MADYMO仿真軟件，對該車型的側(cè)面胸部安全氣囊進行了優(yōu)化改進．優(yōu)化后的胸部氣囊有效地降低了側(cè)面碰撞中假人胸部的傷害值，提高了該車型側(cè)面碰撞試驗中假人胸部得分．

[1] McNeill A et al．Current Worldwide Side Impact Activities －Divergence Versus Harmonisation and the Possible Effect on Future Car Design[C]．The 19th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles，2005．

[2] 沈宇明．汽車側(cè)面碰撞安全防護措施[J]．Auto＆Safety，2009:61－65．

[3] 王大志，胡徐強，蘇醒．利用側(cè)面安全氣囊提高側(cè)碰乘員保護效果的研究[J]．上海汽車，2008．10:39－42．

[4] 李東軍．汽車簾式氣囊仿真優(yōu)化方法的研究[D]．長春:吉林大學(xué)，2008:24．