田國(guó)紅 程海東 孫鵬雨 武曉林

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)）

安全氣囊作為汽車被動(dòng)安全的重要部件，在碰撞事故中對(duì)乘員的生命和財(cái)產(chǎn)安全起著巨大的保護(hù)作用。一般情況下，汽車發(fā)生碰撞的時(shí)間都比較短，安全氣囊要在極短的時(shí)間內(nèi)充滿，在汽車內(nèi)飾和乘員之間形成一個(gè)軟氣墊，這就要求氣體發(fā)生器除了要有一定的充氣效率還要有一定的充氣量，所以說(shuō)氣體發(fā)生器性能的優(yōu)劣直接影響到安全氣囊對(duì)乘員的保護(hù)效果。普通安全氣囊由于其自身技術(shù)的一些缺陷，在碰撞中保護(hù)乘客的同時(shí)，還有可能對(duì)乘客造成不同程度的傷害。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，普通的安全氣囊在碰撞事故中每挽救1 000名乘員的生命，就會(huì)導(dǎo)致57例傷亡[1]。因此生產(chǎn)廠家發(fā)明了雙級(jí)氣體發(fā)生器的安全氣囊，雙級(jí)自適應(yīng)技術(shù)通過(guò)傳感器系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的配合能夠根據(jù)碰撞程度的不同來(lái)控制氣囊完全打開還是只打開一部分。不僅可以根據(jù)碰撞強(qiáng)度調(diào)節(jié)充氣量，還具有較平緩的充氣速率，在發(fā)生碰撞事故時(shí)可以大大地減小氣囊的攻擊性。由于這種氣囊系統(tǒng)在乘員保護(hù)中所表現(xiàn)出的出色性能，這種新型氣囊已經(jīng)在歐美一些國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。文章通過(guò)建立并優(yōu)化遵循N-NCAP標(biāo)準(zhǔn)的正碰MADYMO模型，對(duì)汽車安全氣囊的設(shè)計(jì)給出了參考意見。

1 雙級(jí)氣體發(fā)生器安全氣囊參數(shù)分析

雙級(jí)氣體發(fā)生器的第1個(gè)主要參數(shù)是第1級(jí)和第2級(jí)氣體發(fā)生器的氣體發(fā)生劑填裝比例，目前已知的雙級(jí)氣體發(fā)生器兩級(jí)氣體發(fā)生量之比通常有70/30，60/40及50/50[2]。另外在雙級(jí)氣體發(fā)生器的基礎(chǔ)上，還可以分為多級(jí)氣體發(fā)生器。發(fā)生器的另一個(gè)主要參數(shù)是第1級(jí)發(fā)生器和第2級(jí)發(fā)生器的起爆時(shí)間延遲，并且先起爆裝填量大的，后起爆裝填量小的，延遲時(shí)間一般有10 ms和20 ms。不同起爆延遲時(shí)間對(duì)發(fā)生器的升壓速率有一定影響，兩級(jí)氣體發(fā)生器之間的起爆時(shí)間延遲越大則氣體的升壓率就越小[3]。氣體發(fā)生器的特性曲線一般是由生產(chǎn)廠家的壓力容器試驗(yàn)測(cè)得，而在仿真模型中，起爆時(shí)間的延遲可通過(guò)設(shè)置時(shí)間窗來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1示出不同氣體發(fā)生劑比例和不同延遲時(shí)間所對(duì)應(yīng)的升壓曲線。

2 單/雙級(jí)氣體發(fā)生器安全氣囊的建模和對(duì)比分析

2.1 仿真模型建立和驗(yàn)證

基于實(shí)車碰撞的幾何參數(shù)，在MADYMO軟件中建立駕駛員側(cè)的正面碰撞仿真模型，模型包括：車體中的重要表面、擋風(fēng)玻璃、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、座椅、安全氣囊、安全帶及假人等[4]。安全帶模型結(jié)合多剛體和有限元方法來(lái)模擬，安全帶包括卷收器、限力器及預(yù)緊器，根據(jù)實(shí)車數(shù)據(jù)定義限力器力量大小和預(yù)緊器的預(yù)緊長(zhǎng)度；假人采用第50百分位HybridⅢ男性假人，通過(guò)調(diào)整位置使其以正常姿態(tài)坐于駕駛室內(nèi)；安全氣囊采用均勻壓力法進(jìn)行氣囊充氣，安全氣囊直徑為600 mm，排氣孔為25 mm。配備普通的單級(jí)氣體發(fā)生器氣囊。此外，需要將車體、安全帶及安全氣囊等部分均定義為不同的系統(tǒng)，便于進(jìn)行模型替換調(diào)整。圖2示出正碰仿真模型。

實(shí)車碰撞是根據(jù)N-NCAP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行50 km/h剛性固定壁障100%重疊率正面碰撞試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)車碰撞設(shè)置仿真模型中相應(yīng)參數(shù)。由于在正碰試驗(yàn)中，汽車A柱和車前部分的變形較大，其加速度的響應(yīng)與假人的相差甚大，因此通常認(rèn)為在碰撞發(fā)生時(shí)，假人的加速度與汽車B柱下端的加速度較為相近，所以在正碰系統(tǒng)的仿真中通常把駕駛員側(cè)B柱下端的加速度曲線作為此約束系統(tǒng)的輸入[5]。通過(guò)計(jì)算假人在不同碰撞波形和不同氣囊充氣形式激勵(lì)下的不同作用區(qū)域的傷害值（包括HIC，NIC，胸部3 ms及胸部壓縮量等），將仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證所建模型的合理性。圖3示出配備單級(jí)氣體發(fā)生器模塊的仿真模型仿真值與實(shí)車試驗(yàn)值部分對(duì)比曲線。

將仿真得到的頭部x方向加速度、胸部x方向加速度及頸部x方向受力等數(shù)據(jù)與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，誤差均在15%以內(nèi)，可知該仿真模型是有效的，可以作為駕駛員正碰約束系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)模型進(jìn)行優(yōu)化分析。

由圖3a可知，假人的頭部合成加速度在74 ms達(dá)到了688 m/s2，其原因可能是由于安全氣囊點(diǎn)火過(guò)早，氣囊在展開后期與假人接觸時(shí)能量不足，對(duì)駕駛員緩沖性能減小，使假人頭部在駕駛艙向前沖擊速度過(guò)大。由圖3b可知，假人的胸部加速度在65 ms達(dá)到了398 m/s2，原因可能為氣囊點(diǎn)火過(guò)晚，使假人胸部提前與正在充氣的氣袋接觸，氣袋的沖擊力和膜張力對(duì)假人造成傷害。同時(shí)，根據(jù)假人的傷害值曲線做出如下判斷：配有此單級(jí)氣體發(fā)生器的氣囊由于氣囊展開的能量過(guò)于集中，導(dǎo)致駕駛員與氣囊接觸時(shí)氣囊較硬，對(duì)駕駛員不能起到很好的保護(hù)作用。

2.2 模型優(yōu)化及仿真結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)單級(jí)氣體發(fā)生器安全氣囊模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，以及其對(duì)駕駛員的保護(hù)效果進(jìn)行分析，可知單級(jí)氣體發(fā)生器在碰撞中對(duì)乘員的保護(hù)效果不盡如人意。而雙級(jí)氣體發(fā)生器安全氣囊因在充氣時(shí)有較大質(zhì)量流率，還可以根據(jù)碰撞時(shí)的不同車速和碰撞強(qiáng)度來(lái)選擇不同的點(diǎn)火裝置模式，通過(guò)理論定性分析可知其對(duì)乘員在正碰中起到較好的保護(hù)效果。

修改仿真模型，僅把單級(jí)氣體發(fā)生器模塊換成雙級(jí)氣體發(fā)生器模塊，其余部件不變。這里雙級(jí)氣體發(fā)生器采用60/40氣體發(fā)生量組合、10 ms起爆時(shí)間延遲及1個(gè)Φ25排氣孔組合，與相同起爆時(shí)間及相同排氣孔直徑的單級(jí)氣體發(fā)生器在相同的碰撞波形下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，然后對(duì)配有2種發(fā)生器的假人傷害曲線進(jìn)行對(duì)比。圖4示出單/雙級(jí)氣體發(fā)生器安全氣囊仿真模型對(duì)假人傷害值對(duì)比曲線。

從圖4可以看出，配有雙級(jí)模塊的氣囊在假人頭部加速度及頸部受力方面均優(yōu)于單級(jí)氣囊系統(tǒng)，因此對(duì)假人頭部和頸部的保護(hù)效果優(yōu)于單級(jí)模塊氣囊。而雙級(jí)氣體發(fā)生器氣囊系統(tǒng)對(duì)于假人胸部的保護(hù)效果和單級(jí)氣囊差不多，可能是由于雙級(jí)氣體發(fā)生器延遲起爆時(shí)間較短，使得氣囊展開能量過(guò)于集中，導(dǎo)致假人胸部加速度較大。

通過(guò)對(duì)雙級(jí)氣體發(fā)生器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，主要是對(duì)氣體發(fā)生劑比例和起爆延遲時(shí)間進(jìn)行修改，共有6種參數(shù)組合：1）50/50，10 ms；2）50/50，20 ms；3）60/40，10 ms；4）60/40，20 ms；5）70/30，10 ms；6）70/30，20 ms。然后對(duì)這6組參數(shù)仿真模型進(jìn)行求解，得出頭部和胸部的加速度曲線。圖5示出不同氣體發(fā)生劑比例和起爆延遲時(shí)間所對(duì)應(yīng)的頭部和胸部加速度曲線圖。

由圖5可知，發(fā)生劑比例為60/40、延遲時(shí)間為20 ms的雙級(jí)氣體發(fā)生器氣囊在6種參數(shù)組合中對(duì)假人頭部和胸部的保護(hù)效果最好，比單級(jí)氣體發(fā)生器氣囊對(duì)乘員的保護(hù)效果更好。

3 結(jié)論

根據(jù)某實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合MADYMO軟件建立仿真模型，對(duì)配備單級(jí)氣體發(fā)生器氣囊和雙級(jí)氣體發(fā)生器氣囊進(jìn)行仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出配有雙級(jí)氣體發(fā)生器的安全氣囊在正面碰撞時(shí)，可根據(jù)碰撞程度來(lái)控制2級(jí)氣體發(fā)生器點(diǎn)火，對(duì)乘員有更好地保護(hù)作用，尤其對(duì)假人頭部和頸部的保護(hù)效果明顯優(yōu)于單級(jí)氣體發(fā)生器安全氣囊。因此雙級(jí)氣體發(fā)生器氣囊是未來(lái)安全氣囊發(fā)展的一個(gè)重要方向，可為進(jìn)一步研究雙級(jí)氣體發(fā)生器氣囊的工作提供參考。