盧禮華,陸建輝,劉志峰,高發(fā)華,代立宏,羅明軍

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,230009,合肥;2.奇瑞商用車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院,241006,安徽蕪湖)

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汽車(chē)坐盆安全氣囊對(duì)假人傷害的仿真及優(yōu)化

盧禮華1,2,陸建輝1,劉志峰1,高發(fā)華2,代立宏2,羅明軍2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,230009,合肥;2.奇瑞商用車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院,241006,安徽蕪湖)

針對(duì)汽車(chē)前碰撞過(guò)程中假人胸部壓縮量超標(biāo)這一難點(diǎn),開(kāi)發(fā)了一種安裝在座椅坐盆處的全新坐盆安全氣囊。通過(guò)理論探索坐盆氣囊在碰撞過(guò)程中的作用原理,證明了坐盆氣囊可以有效抑制假人X向運(yùn)動(dòng),達(dá)到了減少假人胸部壓縮量的目的。借用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)中MADYMO軟件建立了坐盆氣囊模型,通過(guò)零部件和子系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的精度。在某款運(yùn)動(dòng)型多功能車(chē)(SUV)車(chē)型上建立了整車(chē)約束系統(tǒng)模型且與試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)標(biāo)驗(yàn)證;在驗(yàn)證后的系統(tǒng)模型中通過(guò)增加坐盆氣囊的CAE模塊作為優(yōu)化的基礎(chǔ)模型,對(duì)坐盆氣囊的安裝位置、角度以及點(diǎn)爆時(shí)間進(jìn)行了靈敏度分析和試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)優(yōu)化,以探尋最佳的優(yōu)化方案。經(jīng)臺(tái)車(chē)試驗(yàn)和限力式預(yù)緊安全帶對(duì)比分析表明,坐盆安全氣囊可以降低假人胸部14.79%的壓縮量,有效抑制了人體骨盆縱向位移。該結(jié)果可為保護(hù)假人胸部研究提供參考。

坐盆安全氣囊;試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化;靈敏度分析;臺(tái)車(chē)試驗(yàn)

隨著汽車(chē)安全法規(guī)的進(jìn)一步實(shí)施,用戶(hù)對(duì)汽車(chē)安全性的要求越來(lái)越高[1-2],汽車(chē)整車(chē)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為重要。較早的安全氣囊已開(kāi)發(fā)出多種類(lèi)型[3],如駕駛者安全氣囊(DAB)、乘員側(cè)安全氣囊(PAB)、側(cè)面安全氣囊(SAB)和安全氣簾(CAB)、膝部安全氣囊(KAB)等。在多數(shù)前碰撞試驗(yàn)中,假人的胸部壓縮量一直是約束系統(tǒng)優(yōu)化的難點(diǎn)[4]。在約束系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,通常采用預(yù)緊式安全帶來(lái)消除碰撞開(kāi)始時(shí)乘員與安全帶間的松弛量,減小假人上半身相對(duì)于車(chē)體的位移量,達(dá)到減小假人頭部和胸部傷害的目標(biāo)。但是,預(yù)緊式安全帶只作用于假人上半身,對(duì)假人下半身的效果并不明顯。

研究表明,正面碰撞時(shí)增大座椅坐墊與地面的夾角,能夠有效降低乘員頭部和胸部傷害[5],實(shí)際上,座椅坐墊傾角與乘座舒適性相矛盾[6],因此本文結(jié)合約束系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的實(shí)際需求,提出了一種安裝在座椅前端的坐盆安全氣囊。傳統(tǒng)的安全氣囊是通過(guò)氣囊來(lái)隔離假人與車(chē)身的[7],坐盆氣囊是主動(dòng)地推動(dòng)假人遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域,從而減小假人的胸部傷害。

1 坐盆氣囊工作原理

圖1 假人的X向受力分析

如果只配備了DAB和安全帶,沒(méi)有配置坐盆氣囊,則假人X向受到的約束力有DAB對(duì)假人頭部和胸部的約束力Fa,安全帶的肩帶約束力Fb1和腰帶約束力Fb2,坐墊對(duì)假人大腿和骨盆的摩擦力Fs。根據(jù)受力和運(yùn)動(dòng)建立的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下

(1)

(2)

假如在前碰撞試驗(yàn)中配備了坐盆安全氣囊,假人在X向還受到了坐盆氣囊阻礙其向前運(yùn)動(dòng)的力Fp,因此新的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下

(3)

(4)

2 坐盆氣囊計(jì)算機(jī)輔助工程建模及驗(yàn)證

2.1 坐盆氣囊計(jì)算機(jī)輔助工程模型

在MADYMO軟件中建立坐盆氣囊的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)模型,模型主要由氣袋和集氣盒兩部分組成。氣袋在參考未折疊情況的同時(shí),采用Primer模塊進(jìn)行了4步折疊,以消除氣袋網(wǎng)格在折疊過(guò)程中產(chǎn)生的交叉和穿透。集氣盒采用有限元進(jìn)行模擬,將折疊后的氣袋放置在集氣盒中,并保證氣袋網(wǎng)格與集氣盒網(wǎng)格之間不存在初始穿透。由CONTACT.FE_FE模塊設(shè)置氣袋與集氣盒之間的接觸,由此生成坐盆氣囊的CAE模型,如圖2所示。

(a)未折疊氣袋 (b)折疊后氣袋

(c)坐盆氣囊模型圖2 坐盆氣囊有限元模型

為準(zhǔn)確模擬氣囊的整個(gè)展開(kāi)過(guò)程,本文采用Gas Flow算法[8-11]對(duì)發(fā)生器注入氣袋的氣體進(jìn)行了流場(chǎng)模擬,將模型進(jìn)行靜態(tài)點(diǎn)爆分析,得到氣囊展開(kāi)過(guò)程,如圖3所示。

圖3 坐盆氣囊靜態(tài)展開(kāi)過(guò)程

2.2 坐盆氣囊模型剛度驗(yàn)證

通常,氣囊CAE模型必須通過(guò)剛度試驗(yàn)驗(yàn)證之后才能保證模型的精度。試驗(yàn)時(shí)先將坐盆氣囊安裝在剛性壁障上,沖擊塊與壁障相隔60 mm且靜止放置。沖擊塊上裝有傳感器,氣囊點(diǎn)爆后沖擊塊運(yùn)動(dòng),從而可以獲得氣囊的加速度曲線(xiàn)。在MADYMO軟件中依據(jù)如上試驗(yàn)參數(shù)建立模型,仿真后得到氣囊的展開(kāi)動(dòng)畫(huà)及加速度曲線(xiàn),如圖4和圖5所示。

圖4 氣囊的展開(kāi)過(guò)程

圖5 氣囊的加速度曲線(xiàn)

由圖4可知,仿真中安全氣囊的展開(kāi)高度及包型與試驗(yàn)較為一致。由圖5可知,試驗(yàn)和仿真的加速度曲線(xiàn)吻合度較高,表明氣囊剛度一致。可見(jiàn),本文CAE模型具有較高的精度,可以準(zhǔn)確模擬坐盆氣囊的實(shí)際情況。

2.3 子系統(tǒng)模型驗(yàn)證

由于坐盆氣囊是集成在座椅上的,座椅對(duì)坐盆氣囊的影響不可忽略,因此需要對(duì)子系統(tǒng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。子系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)先將假人放置在裝有坐盆氣囊的座椅上,點(diǎn)爆坐盆氣囊,觀察氣囊作用于假人大腿的時(shí)刻(到位時(shí)刻),以及氣囊使假人大腿的抬起高度。CAE模型包含座椅、坐盆氣囊、假人和背板,其中假人采用精度較高的d_hyb350fc型有限元假人,由此得到CAE的仿真動(dòng)畫(huà)與試驗(yàn)錄像如圖6所示。

(a)動(dòng)畫(huà) (b)錄像圖6 CAE的仿真動(dòng)畫(huà)與試驗(yàn)錄像

由圖6可知,仿真時(shí)假人大腿抬起時(shí)間與試驗(yàn)相同,約為18～20 ms,說(shuō)明CAE模型中氣囊的到位時(shí)間較為準(zhǔn)確,另外參考背板上的格子可發(fā)現(xiàn),仿真時(shí)假人大腿抬起高度與試驗(yàn)較為一致,表明子系統(tǒng)中坐盆氣囊的展開(kāi)高度和剛度與實(shí)際一致。動(dòng)畫(huà)中隱藏了座椅和假人的大腿部分,而通過(guò)CAE模型可獲得坐盆氣囊與假人的具體情況。因此,通過(guò)子系統(tǒng)對(duì)比,證明了座椅和坐盆氣囊的子系統(tǒng)模型具有較高的精度,其為搭建帶坐盆氣囊的整車(chē)模型提供了基礎(chǔ)。

3 整車(chē)約束系統(tǒng)模型

3.1 整車(chē)約束系統(tǒng)基礎(chǔ)模型

根據(jù)實(shí)車(chē)50FRB、采用MADYMO軟件建立了有限元模型,模型中結(jié)構(gòu)包括風(fēng)窗、前圍板、儀表板、腳踏板、地板、座椅和轉(zhuǎn)向操縱等[10-13],各部件之間采用鉸鏈連接。駕駛員安全氣囊和安全帶的約束系統(tǒng)采用有限元法進(jìn)行模擬,假人模型采用Hybrid Ⅲ第50百分位(即中國(guó)公民中等身高身材)的有限元模型,假人H點(diǎn)、骨盆角、假人與車(chē)身的相對(duì)位置均與試驗(yàn)測(cè)量值保持一致。模型中假人與DAB、安全帶以及座椅、儀表板、地板等結(jié)構(gòu)部件的接觸采用CONTACT.FE_FE方式進(jìn)行設(shè)置[14]。同時(shí),模型附加了諸多細(xì)節(jié)功能:DAB罩蓋撕裂,轉(zhuǎn)向管柱壓潰,方向盤(pán)上輪緣彎曲變形,座椅翻轉(zhuǎn)等。50FRB模型如圖7所示。

圖7 50FRB模型

約束系統(tǒng)模型建成后,需要將假人傷害仿真與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)驗(yàn)證,以保證模型的精度。驗(yàn)證時(shí)將仿真和試驗(yàn)信號(hào)(力和加速度)導(dǎo)入Objective Rating軟件進(jìn)行評(píng)判,驗(yàn)證順序?yàn)楣桥?、大腿小腿、胸部、頸部、頭部,各部位傷害吻合程度如表1所示。

表1 假人傷害對(duì)標(biāo)結(jié)果

由表1可知,假人傷害的仿真與試驗(yàn)的綜合擬合得分達(dá)到了82.60%,高于通常模型要求的80%,表明本文模型具有較高的精度,可用于后續(xù)約束系統(tǒng)分析。

3.2 裝配坐盆氣囊的系統(tǒng)模型

以驗(yàn)證后的約束系統(tǒng)為基礎(chǔ),在座椅坐盆處通過(guò)添加已驗(yàn)證的坐盆氣囊模型,生成裝配有坐盆氣囊的整車(chē)約束系統(tǒng)模型。圖8為坐盆氣囊模型及部件構(gòu)成。

1:頭枕;2:靠背;3:座椅骨架;4:坐墊;5:坐盆氣囊集氣盒;6:坐盆氣囊氣袋圖8 坐盆氣囊模型及部件構(gòu)成

集氣盒通過(guò)鉸鏈與座椅坐盆相連,這樣整車(chē)碰撞過(guò)程中坐盆氣囊將隨著座椅一起進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)。

為使坐盆氣囊的保護(hù)效果最大化,采用靈敏度分析、結(jié)合DOE優(yōu)化的方法,探尋出最佳的坐盆氣囊設(shè)置方案。

4 坐盆氣囊優(yōu)化及臺(tái)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 靈敏度分析

在整車(chē)約束系統(tǒng)上坐盆氣囊優(yōu)化參數(shù)分別為坐盆氣囊的安裝位置、角度及點(diǎn)火時(shí)間,如表2所示。坐盆氣囊安裝位置如圖9所示。坐盆氣囊安裝角度如圖10所示。

表2 坐盆氣囊優(yōu)化參數(shù)

圖9 坐盆氣囊安裝位置

圖10 坐盆氣囊安裝角度

如果直接將3種優(yōu)化參數(shù)的水平值進(jìn)行DOE全排列分析,則將生成36組試驗(yàn)矩陣。為減小DOE優(yōu)化的計(jì)算時(shí)間,先通過(guò)靈敏度分析剔除對(duì)胸壓影響不敏感的優(yōu)化參數(shù),再針對(duì)余下參數(shù)進(jìn)行DOE優(yōu)化,靈敏度分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 靈敏度分析結(jié)果

由圖11可知,3種優(yōu)化參數(shù)中胸壓受坐盆氣囊的安裝位置和點(diǎn)爆時(shí)間影響較為敏感,而安裝角度的影響較小。所以,在DOE優(yōu)化中只選取安裝位置和點(diǎn)爆時(shí)間作為最佳優(yōu)化參數(shù),這樣試驗(yàn)矩陣為12組,可大大降低計(jì)算量,縮短了開(kāi)發(fā)周期。

4.2 DOE優(yōu)化分析

對(duì)安裝位置和點(diǎn)爆時(shí)間進(jìn)行了全因子計(jì)算,對(duì)12組優(yōu)化方案進(jìn)行了分析。從12組優(yōu)化方案中選擇出一組最佳的參數(shù):坐盆氣囊距最前端100 mm,點(diǎn)爆時(shí)間為10 ms。由于在DOE優(yōu)化中忽略了安裝角度這一優(yōu)化參數(shù),故在已確定優(yōu)化參數(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)3種安裝角度進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果顯示,當(dāng)氣囊集氣盒中心線(xiàn)與Z軸成30°時(shí),胸部壓縮量最小。所以,最優(yōu)的方案為:坐盆氣囊距最前端100 mm,點(diǎn)爆時(shí)間為10 ms,安裝角度為中心線(xiàn)與整車(chē)Z軸成30°。優(yōu)化前后假人傷害值對(duì)比如表3所示。

表3 優(yōu)化前后假人傷害值對(duì)比

由表3看出:優(yōu)化后胸部壓縮量下降了14.80%,頭部HIC36值下降了7.03%,左、右大腿壓縮力分別下降了94%、95%。其原因是坐盆氣囊限制了假人下半身運(yùn)動(dòng),從而減小了假人大腿與儀表盤(pán)的碰撞,可見(jiàn)坐盆氣囊對(duì)假人下半身具有保護(hù)作用。表3還顯示,頸部所有力矩上升,但未達(dá)到C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)的扣分限值42 N·m,同時(shí)胸部壓縮量下降最多,因此可將該優(yōu)化參數(shù)視為最優(yōu)選擇,并應(yīng)用于臺(tái)車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4.3 臺(tái)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證

將坐盆安全氣囊安裝在臺(tái)車(chē)上對(duì)兩輪臺(tái)車(chē)進(jìn)行試驗(yàn),由此來(lái)驗(yàn)證坐盆安全氣囊對(duì)胸部壓縮量的效果。第一輪臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中安裝了坐盆安全氣囊,但氣囊不點(diǎn)爆;第二輪臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中安裝坐盆安全氣囊,且氣囊點(diǎn)爆,同時(shí)采用了最優(yōu)方案(坐盆氣囊距最前端100 mm,點(diǎn)爆時(shí)間為10 ms,安裝角度為中心線(xiàn)與整車(chē)Z軸成30°)。兩輪臺(tái)車(chē)試驗(yàn)如圖12所示。

(a)坐盆安全氣囊起爆前

(b)坐盆安全氣囊起爆后圖12 兩輪臺(tái)車(chē)試驗(yàn)

在兩輪臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)中,DAB、安全帶等設(shè)置相同,同時(shí)采集假人的骨盆和胸部的關(guān)鍵參數(shù),經(jīng)整理得到安裝坐盆氣囊前后兩輪試驗(yàn)的假人骨盆和胸部壓縮隨碰撞時(shí)間的變化,如圖13所示。

(a)骨盆相位移對(duì)比

(b)胸部壓縮量對(duì)比圖13 兩輪臺(tái)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖13a可見(jiàn),安裝坐盆氣囊后骨盆位移量小于未安裝的位移,最大值下降了28 mm,說(shuō)明坐盆氣囊可以減小假人X向的位移,這與理論模型結(jié)論吻合。由圖13b可知,安裝坐盆氣囊后假人胸部壓縮量為35.88 mm,降低了14.79%,與仿真結(jié)果14.80%一致。另外,坐盆氣囊的其他作用也得到了驗(yàn)證,如假人左、右大腿受力下降了86%和97%。因此,通過(guò)試驗(yàn)充分證明了安裝坐盆安全氣囊可以有效保護(hù)假人,可以解決約束系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難點(diǎn),即假人胸部壓縮量超標(biāo)的問(wèn)題。

5 與限力式預(yù)緊安全帶對(duì)比

目前,帶有限力裝置的預(yù)緊安全帶已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,預(yù)緊裝置可使安全帶維持在一個(gè)足夠的張緊狀態(tài),以固定乘客身體。限力裝置需設(shè)定某一閥值,當(dāng)施加在安全帶上的力度達(dá)到限值時(shí),安全帶限力裝置自動(dòng)放出安全帶,避免乘員胸部承受過(guò)大的安全帶壓力,工作原理如圖14所示。

(a)預(yù)緊 (b)限力圖14 預(yù)緊和限力裝置的工作原理

為了對(duì)比限力式預(yù)緊安全帶與坐盆氣囊約束的效果,本文采用坐盆氣囊通過(guò)降低乘員正面碰撞中骨盆位移和胸部壓縮量,來(lái)評(píng)估約束的作用。限力式預(yù)緊安全帶模型的預(yù)緊量為0.09 m,且在0.01 s內(nèi)卷入并鎖止,安全帶的限力等級(jí)為2 500 N。

在坐盆氣囊和限力式預(yù)緊安全帶這2種約束裝置下,人體的骨盆縱向位移和胸部壓縮量如圖15和圖16所示。

圖15 骨盆相對(duì)位移

圖16 胸部壓縮量

由圖15和圖16可知,坐盆氣囊下骨盆相對(duì)位移量小于限力式預(yù)緊安全帶,胸部壓縮量不如限力式預(yù)緊安全帶?？傮w來(lái)說(shuō),坐盆氣囊起到了一定的預(yù)期效果,可以有效抑制胸部位移,縮短人體骨盆的位移,減小膝蓋和大小腿等與內(nèi)飾之間的二次碰撞等,但仍有較大的優(yōu)化和改進(jìn)空間,兩者的結(jié)合與合理搭配有待于進(jìn)一步研究。

6 結(jié) 論

(1)本文開(kāi)發(fā)了一種安裝在座椅坐盆處的全新坐盆安全氣囊,根據(jù)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論,對(duì)假人X向運(yùn)動(dòng)位移進(jìn)行了分析,證明了坐盆氣囊可以減小假人胸部壓縮量。

(2)采用Gas Flow算法對(duì)氣袋內(nèi)的氣體進(jìn)行了流場(chǎng)模擬,并將氣囊CAE模型與氣囊剛度和子系統(tǒng)試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)標(biāo),以驗(yàn)證CAE模型的精度。

(3)依據(jù)某款SUV實(shí)車(chē)建立了約束系統(tǒng)模型,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證確保模型的準(zhǔn)確性。在該模型的基礎(chǔ)上添加了坐盆氣囊模塊,作為坐盆安全氣囊優(yōu)化的基礎(chǔ)模型。通過(guò)對(duì)坐盆氣囊安裝位置、角度及點(diǎn)爆時(shí)間這3個(gè)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析和DOE優(yōu)化,得到了最佳的優(yōu)化方案:坐盆氣囊距最前端100 mm,點(diǎn)爆時(shí)間為10 ms,安裝角度為中心線(xiàn)與整車(chē)Z軸成30°。這樣,胸壓大幅下降14.80%。

(4)經(jīng)與限力式預(yù)緊安全帶對(duì)比,結(jié)果表明坐盆氣囊不僅能有效抑制胸部位移,還可有效縮短人體骨盆的位移,減小膝蓋和大小腿等與內(nèi)飾之間的二次碰撞等。

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(編輯 苗凌)

Simulation and Optimization of Automobile Seat Basin Airbag for Dummy Injury

LU Lihua1,2,LU Jianhui1,LIU Zhifeng1,GAO Fahua2,DAI Lihong2,LUO Mingjun2

(1. School of Automotive and Mechanics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Automotive Engineering Research Institute, Wuhu Chery Commercial Vehicle Company, Wuhu, Anhui 241006, China)

An innovative seat basin airbag installed on the front seat is developed as a solution to the over compression of the dummy chest in the event of full frontal impacts. The operation principle of the seat basin airbag is theoretically investigated to demonstrate its effect on restraining the movement inX-direction and reduce the compression of the dummy chest. The purpose of reducing chest compression of dummies can be achieved via seat basin airbag. A seat basin airbag model is established with the commercial code of MADYMO and its precision is validated by the tests on sub-system and components. A restraint system model for a SUV is established and validated via a full scale test. Putting seat basin airbag CAE module into the validated full scale restraint system model facilitates constructing an essential optimization scheme, in which DOE (design of experiment) optimization method and sensitivity analysis are performed for the installation position, angle and ignition time of the seat basin airbag. The analysis indicates that the compression of dummy chest can be reduced by 14.79%, and the movement of the pelvic is significantly restrained.

seat basin airbag; design of experiment optimization; sensitivity analysis; sled test

2016-01-27。 作者簡(jiǎn)介:盧禮華(1978—),男,博士生;陸建輝(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405123)。

時(shí)間:2016-06-14

10.7652/xjtuxb201609023

U461

A

0253-987X(2016)09-0146-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160614.1714.002.html