基于滑臺實驗的汽車安全氣囊參數優(yōu)化

張明, 王曉東, 韓博, 李睿

（1.鞍鋼重型機械設計研究院有限公司，遼寧 鞍山114031；2.鞍山市中心醫(yī)院 立山院區(qū) 骨科，遼寧 鞍山114031；3.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽110168；4.大連民族大學 機電工程學院，遼寧 大連116600）

關鍵字：安全氣囊；排氣孔；均勻壓力模型；參數優(yōu)化

0 引 言

安全帶和安全氣囊屬于汽車的被動安全系統(tǒng)，安全帶的用途是在出車禍的時候可以幫助人吸收向前的慣性勢能。但是在實驗中，安全帶雖然具有很強的保護作用，但是頭部和胸部的傷害值仍然很高，而安全氣囊的使用充分地完善了被動安全系統(tǒng)[1]。然而安全氣囊只是被動安全中的輔助保護系統(tǒng)，必須和安全帶一起使用才能達到預想的效果。有研究表明：安全帶和安全氣囊同時使用的保護率能達到60%；只使用安全帶時，保護率為45%左右。但是只觸發(fā)安全氣囊時，它的保護率下降到了17%，并且還有可能出現新的傷害，因為瞬間爆發(fā)后的安全氣囊是非常堅硬的，所以有必要對安全氣囊的各項參數進行優(yōu)化，使其發(fā)揮最佳的保護作用[2]。

1 安全氣囊系統(tǒng)的組成和工作原理

在組建安全氣囊系統(tǒng)時，首先進行的是充氣裝置的點火系統(tǒng)選擇，本研究中選擇的是電子式，即通過電路控制的點火方式。還需要選擇安全氣囊的個數，本次選擇的是2個安全氣囊，但是主要分析的是駕駛座安全氣囊。圖1所示為發(fā)生車禍時氣囊的發(fā)射過程。

1.1 安全氣囊均勻壓力模型基本理論

當發(fā)生車禍時會觸發(fā)安全氣囊，本研究通過分析安全氣囊的大小、體積、展開的方向，按照車禍發(fā)生的實際情況進行模擬。近年來很多企業(yè)都是運用該方法進行模擬分析，該方法能有效地減少開發(fā)成本[3-5]。隨著計算機技術和有限元技術的發(fā)展，各種計算模型被不斷地開發(fā)出來，主要涉及均勻壓力模型和人體損傷的理論[6-7]。

圖1 安全氣囊發(fā)射的過程圖

均勻壓力模型是最近幾年以來運用最多的安全氣囊的模擬分析模型，其可以用于分析發(fā)生器產生的氣體量和氣體進入氣袋里面的充氣方式。氣袋的形狀變化的數學模型為

式中：P為壓力；V為體積；m為氣體質量；T為氣體溫度；R為普適氣體常數；ρ為氣體密度；e為氣體能量。

1.2 人體損傷力學模型

人體有一個承受傷害的限度，如果超過就會對人體表面和器官造成傷害，我們所參考的承受傷害是依據參考文獻[1]中公認的兩個標準。在發(fā)生車禍時會對人體造成極大的傷害，甚至死亡，所以設計安全氣囊時要對有可能發(fā)生傷害的部位進行傷害測評，這些數據通過整車實驗和滑車實驗上所安裝的假人來進行測評。本實驗采用的假人是身高175 cm、體重75 kg的男性假人。評測假人頭部損傷程度的HIC值的計算公式[8-9]為

式中：a（t）為實驗時假人頭部所受傷害的合成加速度；t1和t2是加速度曲線上的兩個時間點，這兩個點的選取要求必須為加速度曲線的峰值時刻。

另外還使用假人所受到傷害VC值，VC值的計算是根據胸膛壁與胸膛擠壓變形率的乘積來表示[10]，即：

式中：D（t）為沿發(fā)生車禍慣性的方向軀干的瞬時壓縮變形；D（0）為發(fā)生車禍前假人的胸部厚度，側面碰撞時為胸部初始厚度的一半。

2 基于滑臺實驗的安全氣囊參數優(yōu)化

2.1 不帶氣囊的基礎實驗

在滑車實驗之前需要進行一次整車實驗，這個整車實驗是不帶安全氣囊的，整車實驗以后才進行滑車實驗。通過第一次整車實驗獲取基礎數據，確定點火時間為20 ms。然后選擇立體副駕駛氣囊，容積為90 L，排氣孔數為2個，排氣孔大小為50 mm。通過在大連民族大學方程式賽車實驗室所進行的靜態(tài)點爆實驗獲得數據為：充滿氣囊75%的時間是31 ms。通過實車實驗錄像能看到假人頭部相對于前方IP儀表盤距離等于氣袋膨脹并變柔軟的距離時刻為51 ms，以此分析結果作為參考，確定點火時間應為51-31=20 ms。

第一次滑車實驗也不帶安全氣囊，目的是為了與整車實驗所得的傷害值做比較，不帶氣囊的滑臺實驗所得結果如表1所示。

第一次滑車實驗中，沒有安裝安全氣囊，但是為了保證與整車實驗條件一致，安裝了安全帶。從上面的數據來分析可見，頭部傷害值超過了人體所能承受的極限，與第一次整車實驗結果相近，因為第一次整車實驗時，座椅因為沖擊力過大向前滑動了35 mm的距離。

圖2 安全氣囊滑臺試驗

表1 不帶氣囊的基礎實驗數據

2.2 氣囊的優(yōu)化實驗及數據分析

該次實驗中，采用控制變量法，在保持不帶氣囊實驗參數相同的情況下進行優(yōu)化實驗，優(yōu)化實驗中需要安裝事先設計好的安全氣囊。分別在氣囊排氣孔尺寸為φ50 mm、φ45 mm和φ35 mm時做了3次滑臺試驗，頭部加速度-時間圖分別如圖4～圖6所示。

圖3 無安全氣囊試驗時頭部加速度-時間圖

圖4 帶安全氣囊第一次試驗時頭部加速度-時間圖

圖5 帶安全氣囊第二次試驗時頭部加速度-時間圖

圖6 帶安全氣囊第三次試驗時頭部加速度-時間圖

3 結果與分析

安全氣囊對駕駛員的傷害幅度減小的不是很大，說明人承受的傷害依然很大，從頭部合成加速度來進行分析，曲線有明顯尖峰，說明在某一時刻傷害很大，換言之就是安全氣囊比較軟。在實驗前對假人頭上涂了顏料，在氣袋上看到顏料的染色位置正好是氣袋中間，說明氣囊折疊方法不用改變。從慢鏡頭來看，實驗過程中假人頭部接觸到儀表板，所以導致頭部的傷害值偏高。這是因為泄氣太快的緣故導致氣囊提前變軟，所以決定在不改變氣袋類型和折疊方式的情況下，把排氣孔尺寸由原來的直徑φ50 mm改為直徑φ45 mm。

從圖5帶安全氣囊第二次試驗時頭部加速度-時間圖來看，這次實驗比上次實驗效果（如圖4）明顯變好，因為沒有了曲線的尖峰，但是傷害的降低量仍然沒有達到理想的情況，合成加速度脈寬偏小，傷害值仍然偏高，同時還可以看到假人頭部在71 ms后位移變化劇烈，并且發(fā)現胸部位移量還是偏高，反復對高速攝像資料進行分析，得出的結論是氣囊硬度偏軟。改進方案是把氣孔再度減小，把此前的直徑φ45 mm氣孔改為直徑φ35 mm。從圖6帶安全氣囊第三次試驗時頭部加速度-時間圖來看，不僅沒有曲線的尖峰，而且最大值下降到φ50 mm左右。所以決定在座椅位置不變和安全帶能正常工作的情況下，選取實驗數據最為理想的安全氣囊排氣孔大小為φ35 mm。

4 結 語

為了對安全氣囊排氣孔尺寸進行優(yōu)化，進行了3次帶安全氣囊的滑臺試驗，通過對比3次優(yōu)化試驗的假人頭部損傷的HIC值，確定排氣孔直徑φ35 mm的安全氣囊是能夠滿足標準規(guī)定損傷極限的最優(yōu)參數。