汽车侧面碰撞驾驶员侧侧气囊仿真研究

程海东，田国红，孙立国，齐登科

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

前言

我国交通事故频发，在交通事故统计数据表明：侧面碰撞的在所有交通事故中的比重为23%，侧面碰撞致伤率却居所有交通事故中的第一位[1]。因此在中高档轿车上，通常安装有侧气囊（SAB）对侧碰中的乘员提供一定的保护。文章建立了驾驶员侧侧气囊仿真约束系统，并通过正交试验对系统的各参数进行优化及匹配，对侧气囊在侧面碰撞中对驾驶员的保护效果进行系统分析，为侧气囊的设计提供了一种理论依据。

1 驾驶员侧侧碰仿真系统的建立

依据相关的数据资料和气囊模拟理论建立了驾驶员侧侧气囊仿真模型，并验证其有效性。将气囊模型与车体模型、假人模型进行匹配仿真，通过假人的伤害值来评估侧气囊的性能。驾驶员侧侧气囊仿真约束系统包括侧面碰撞车体模型（包括座椅及安全带）、侧碰假人、驾驶员侧侧气在 MADY-MO仿真软件中利用规定结构运动（Prescribed Structure Mo-tion，简称PSM）的方法建立侧碰车体。使其能够模拟车体侧碰后的变形情况。

假人模型可以从软件MADYMO的假人库中导出，假人库中的假人都是软件公司验证后的有效的模型，论文利用的是ES-2侧碰假人模型。图1为汽车侧碰驾驶员侧约束系统模型。

图1 MADYMO中侧碰约束系统

2 驾驶员侧侧碰仿真系统的动态仿真分析

对于建立完成的乘员约束系统的仿真模型，要进一步将其运行来分析侧气囊模型对驾驶员的保护效果。对于保护效果的评价，侧面碰撞方法和乘员损伤标准在我国C-NCAP进行了详细的规定。根据相关法规要求，950kg重的可变形移动壁障以 50±1km/h的速度垂直撞向静止的试验车一侧，对约束系统进行动态仿真分析[2]。由于侧气囊在展开中直接与假人腹部以上相接触，不能与头部很好的接触，论文采取假人的胸部在碰撞中的各项指标来研究侧气囊对假人的保护作用。

我国的侧碰法规中规定，将上中下三段肋骨的变形量极限值定为42mm。在进行碰撞试验时，移动障壁以时速50km对驾驶员侧车门部位进行撞击。图2为两种情况下胸部三个部位位移量时间历程曲线图，通过曲线的状态可以分析假人胸部受伤害情况及侧气囊的保护效果。

图2 胸部肋骨位变形曲线

根据以上仿真实验曲线可以得出在安装有侧气囊的侧面碰撞的试验数据中，胸部中肋变形量最大，峰值为 31.2mm以下，明显的小于规定的胸部变形的极限值。未安装侧气囊时，假人的胸部上、中、下肋骨变形量的峰值最大值为41.6mm，与人体能够承受的极限值42mm非常接近。通过对比，安装侧气囊后，假人胸部的变形量峰值明显得到改善，侧气囊在侧面碰撞中能够对乘员提供有利的保护。

3 驾驶员侧侧碰仿真系统乘员约束系统优化

为了探究侧气囊在侧面碰撞中对乘员的最佳保护效果，采用正交试验对约束系统进行优化[3]。正交试验选取气囊的起爆时间、气囊的排气孔大小、气囊的质量流率三个参数定为需要进行优化的参数，每个参数选取三个因素水平，如表1。若不考虑个因素水平之间的交互作用，只需进行9次实验即可完成。

表1 点火时间C三个水平改为-3ms，0ms，3ms

在软件MADYMO中进行调整后仿真，质量流率的改动是原来流率的 0.8、1.2，这就需要将软件程序中关键字FUNCJJSAGE.2D的参数Y_SCALE值乘以0.8或1.2。排气孔大小可以通过关键字MATERIAL_HOLE中的CDEX参数进行定义。点火时间的定义则需要对 TRIGGERRING_SWI程序组中子程序SWITH.TIME中TIME参数进行调整。根据正交试验表在MADYMO中安排仿真实验，每次实验结束之后，系统都会输出一组肋骨最大变形量，记录每次试验的试验结果，如表2所示。

表2 正交试验数据表

正交试验数据采集完成后，利用极差法对实验数据进行分析，可以直观的选取此次正交试验中较优的参数组合，表3为正交试验极差分析表。

表3 极差分析统计表

根据正交试验极差分析统计表可知，三个参数对于假人肋骨变形量在仿真试验中影响大小的先后顺序依次是排气孔直径、气流率、起爆时间，且当三个参数的最优组合为A3B2C2。在 MADYMO中改变参数为 A3B2C2，从上面的仿真结果可知，胸部的中肋骨形变量最大，优化后只取中肋骨变量与原模型对比，然后对结果进行分析。图3为胸部变形量优化前后曲线。

图3 胸部中肋骨变形量优化前后曲线

由曲线可知，优化后的仿真约束系统输出的中肋骨变形量峰值总体来看明显下降趋势，且其峰值降为 22.5mm，满足国家相关法规对于侧碰中假人胸部肋骨形变量的要求，侧气囊在侧碰中对于假人中肋骨的保护效果有所提升。在0.09s之后，优化后的约束系统所输出的中肋骨变形量较原模型大，但此时胸部变形量已接近趋于0mm，因此优化后侧气囊对于假人的保护符合要求，且较原模型有较大的提升。

4 结论

近年来，汽车侧面碰撞乘员的保护在被动安全领域趋于重要。论文通过建立包含侧碰车体、假人及侧气囊的侧碰约束系统，在MADYMO中进行动态仿真试验并通过正交试验将约束系统进行优化。由仿真曲线可以直观的反应出侧气囊在侧面碰撞中对假人胸部的保护效果，为汽车侧面碰撞中乘员的保护提供一种科学的研究方法。

[1] 曲现国.轿车与行人碰撞事故再现及行人保护研究[D].上海工程技术大学,2015.

[2] 范体强,张维刚.汽车侧碰移动变形壁障仿真模型的开发研究[J].计算机仿真,2007,(09):250-254.[2017-08-31].

[3] 李晓明.正面碰撞试验中安全气囊展开的时间特性[J].交通标准化,2014,42(07):141-143.[2017-08-31].