葛如海，崔義忠，洪 亮，肖 軒

（1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013； 2.硅湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆山 215332）

前言

國家統(tǒng)計局發(fā)布數(shù)據(jù)：2015年全國中小學(xué)生共計1.69億，校車潛在需求量約為50萬輛［1-2］。由于我國道路交通環(huán)境復(fù)雜，校車安全法律法規(guī)不夠完善，2010-2014年，全國共發(fā)生校車事故43起，死亡人數(shù)達到153人，部分事故死亡率高達80%［3］。

目前校車乘員約束裝置主要是兩點式安全帶，與未佩戴任何約束裝置相比，它能在交通事故中減少2／3的碰撞傷害［4］，但由于兩點式安全帶僅能約束兒童乘員的腰腹部向前運動，兒童上軀干仍然可能繞安全帶腰帶旋轉(zhuǎn)，而使頭部與前排座椅發(fā)生碰撞，對兒童頭部和頸部造成嚴重傷害［5］。因此部分發(fā)達國家開始推行三點式安全帶。與兩點式安全帶相比，三點式安全帶能進一步減少兒童乘員的損傷。但三點式安全帶使用時的氣囊誤作用容易對兒童乘員胸部和頸部造成重大傷害［6］。傳統(tǒng)的安全氣囊是點爆式的，它在快速釋放的過程中產(chǎn)生巨大的沖擊力，會對兒童乘員的頭部造成傷害，輕則面部擦傷，重則窒息、頸椎骨折甚至死亡［7］。

為消除安全氣囊的弊端，提高兒童校車的安全性，文獻［8］中提出一種主動式安全氣囊，它在車輛啟動后展開，在車輛行駛過程中始終保持打開狀態(tài)，這種安全氣囊能提高對兒童乘員的保護效果，同時約束兒童乘員的乘坐姿態(tài)。陳珣［9］設(shè)計了一種新型的主動式安全氣囊包形，提高了對12歲兒童乘員的保護效果。本文中在此基礎(chǔ)上研究主動式安全氣囊的控制參數(shù)對12歲兒童乘員損傷的影響，并通過優(yōu)化得到最佳的安全氣囊參數(shù)組合。

1 校車12歲兒童乘員約束模型

1.1 校車約束模型的建立

以國內(nèi)某款校車為參照在MADYMO軟件中建立校車兒童乘員約束簡化模型。該模型主要包括：地板、前后排乘員座椅（含坐墊和靠背）、假人和兩點式安全帶，其中假人模型參照《專用校車學(xué)生座椅系統(tǒng)化及其車輛緊固件的強度》標準［10］選用HybridⅢ型第5百分位的女性假人，因其身材尺寸與我國12歲兒童乘員相似［11］，模型如圖1所示。

將仿真模型與臺車試驗的碰撞力和加速度響應(yīng)曲線進行對比，如圖2所示。臺車試驗碰撞速度為30～32 km／h。

圖1 校車乘員約束系統(tǒng)模型

由圖2可知，仿真模型各種參數(shù)曲線的特征均與臺車試驗結(jié)果基本一致。

將損傷指標的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比，如表1所示。兒童乘員的關(guān)鍵損傷評價指標包括：頭部合成加速度峰值、頭部傷害指標HIC15、胸部3 ms合成加速度 T3ms、胸部壓縮量 THPC、左大腿軸向力FFCL和右大腿軸向力FFCR。對比發(fā)現(xiàn)損傷指標誤差均小于11%。因此圖2和表1的對比均表明，校車約束模型能較為真實地復(fù)現(xiàn)臺車試驗的結(jié)果，可用于后續(xù)研究。

表1 仿真模型與臺車試驗損傷指標結(jié)果對比

1.2 主動式安全氣囊模型

利用CATIA軟件建立主動式安全氣囊的三維模型，利用Hypermesh軟件劃分三角形膜單元網(wǎng)格，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，在劃分網(wǎng)格后檢查網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)雅格比、翹曲和單元尺寸［12］。然后將主動式安全氣囊模型導(dǎo)入MADYMO中，并布置在校車約束模型前排座椅靠背中，定義接觸，如圖3所示。最后進行仿真，分析主動式安全氣囊對12歲兒童乘員的保護效果，如表2所示，其中Nij為頸部傷害指標。

由表2可知，安裝主動式安全氣囊后，各項損傷指標都下降，其中HIC15、Nij和FFCL降幅尤為明顯，說明主動式安全氣囊對兒童乘員的頭部、頸部和腿部有顯著的保護作用。

圖2 仿真模型驗證曲線

圖3 主動式安全氣囊模型

表2 有無主動式安全氣囊的兒童乘員損傷指標對比

2 氣囊參數(shù)對12歲兒童乘員損傷的影響

選取主動式安全氣囊的上部拉帶長度、中部拉帶長度、下部拉帶長度、氣體質(zhì)量流率、氣囊的安裝位置、泄氣閥開度和氣囊開啟壓力作為7個主要控制參數(shù)。

選用頭部傷害指標HIC15、頸部傷害指標Nij、胸部3 ms合成加速度T3ms和行業(yè)內(nèi)普遍認可的綜合傷害指標WIC［4-5］來評價主動式安全氣囊對兒童乘員的保護效果，WIC表達式為

基于主動式安全氣囊模型，采用MADYMO軟件仿真分析主動安全氣囊的7個主要參數(shù)對兒童乘員損傷指標的影響。結(jié)果分述如下。

2.1 上部拉帶長度

調(diào)整上部拉帶長度可改變主動式安全氣囊上部的形狀，改變與乘員頭部和頸部接觸的氣墊厚度。本文中選擇 235 mm作為中值［13-14］，在 205～265 mm范圍選取7個值，分析其對12歲兒童乘員損傷的影響，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，隨著上部拉帶長度的增加，12歲兒童乘員的HIC15下降且降幅較大；Nij先下降后上升；T3ms呈下降趨勢；THPC值下降但下降緩慢；綜合損傷指標WIC呈下降趨勢且降速穩(wěn)定。

表3 上部拉帶長度的影響

2.2 中部拉帶長度

中部拉帶長度決定主動式安全氣囊中部包形的凹凸性，故對兒童乘員頸部和胸部損傷存在影響。本文中選擇290 mm作為中值，在260～320 mm范圍選取7個值，分析中部拉帶長度對兒童乘員損傷的影響，仿真結(jié)果如表4所示。

表4 中部拉帶長度的影響

由表4可知，加長中部拉帶，HIC15下降；Nij值上下波動，不存在明顯的變化規(guī)律；T3ms出現(xiàn)波動，且當(dāng)中部拉帶長度為285 mm時取得最小值16.88g；THPC值基本不變；綜合損傷指標WIC呈下降趨勢。

2.3 下部拉帶長度

下部拉帶長度影響主動式安全氣囊下部包形，改變兒童乘員的胸腹部的約束條件。本文中選擇340 mm作為中值，在310～370 mm范圍選取7個值分析下部拉帶長度的影響，仿真結(jié)果如表5所示。

由表5可知，隨著下部拉帶加長，HIC15上下波動；Nij上下波動，但波動幅度較小且趨于穩(wěn)定；T3ms先降后升；THPC值沒有明顯變化；綜合損傷指標WIC先降后升，在325 mm處取得最小值0.301 8。

表5 下部拉帶長度的影響

2.4 泄氣閥開度

泄氣閥開度與氣囊內(nèi)部氣體泄漏速率有關(guān)。氣囊泄氣過快，兒童乘員易擊穿氣囊與前排座椅直接接觸，造成損傷；如果泄氣速率過慢，氣囊內(nèi)部壓力過大，主動式安全氣囊發(fā)生剛化，對兒童乘員造成額外損傷。本文中研究泄氣閥開度從設(shè)計值的80%到180%之間對兒童乘員損傷指標的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 泄氣閥開度的影響

由表6可知，隨著泄氣閥開度的增大，所有的損傷值均下降，說明若主動式安全氣囊不發(fā)生穿透，增大泄氣閥開度能有效減小兒童乘員的損傷。

2.5 氣體質(zhì)量流率

氣體質(zhì)量流率對主動式安全氣囊在碰撞過程中的內(nèi)部壓力有重要影響。本文中以氣體質(zhì)量流率為基準，取其歸一化數(shù)值為1作為中值，在0.80～1.25之間選取7個值以分析氣體質(zhì)量流率對12歲兒童乘員損傷的影響，結(jié)果如表7所示。

表7 氣體質(zhì)量流率的影響

由表7可知，增大氣體質(zhì)量流率，兒童乘員的HIC15波動下降；Nij上下波動上升；T3ms先降后升，且在0.95處取得最小值16.99g；THPC值呈上升趨勢，綜合損傷指標WIC波動下降。

2.6 氣囊安裝高度

氣囊安裝高度用氣囊安裝點距前排坐墊上表面的垂直距離Ha（圖4）表示。氣囊安裝點在氣囊對稱面上，大約位于氣囊高度中點位置。Ha決定了兒童乘員身體與氣囊袋接觸的部位，從而對兒童乘員各部位的損傷情況造成影響。本文中分析了氣囊7種不同安裝高度（包括初始值Ha＝0.395 mm）對兒童乘員損傷的影響，結(jié)果如表8所示。

圖4 氣囊安裝示意圖

由表8可知，隨著氣囊安裝位置的提高，兒童乘員的HIC15上下波動；Nij波動上升；T3ms呈上升趨勢；THPC以較大幅度下降；綜合損傷指標WIC值增大。

2.7 氣囊開啟壓力

選擇1.25×105Pa作為中值，選取在1.16～1.34×105Pa區(qū)間內(nèi)的7種數(shù)值研究氣囊開啟壓力對兒童乘員的損傷影響，結(jié)果如表9所示。

由表9可知，隨著氣囊開啟壓力的增大，兒童乘員的HIC15先降后升；Nij、T3ms和THPC值升高；綜合損傷指標WIC升高且升幅逐漸增大。

表8 氣囊安裝高度的影響

表9 氣囊開啟壓力的影響

3 參數(shù)靈敏度分析

為提高主動式安全氣囊對兒童乘員的保護作用，本文中對主動式安全氣囊的7個控制參數(shù)進行靈敏度分析，選擇綜合傷害指標WIC作為靈敏度分析的目標，根據(jù)第2章中的分析結(jié)果按式（2）計算靈敏度：

靈敏度越大，控制參數(shù)對WIC值影響越大，計算結(jié)果如圖5所示。

由圖可見，以各參數(shù)靈敏度最大值來比較，上部拉帶長度、泄氣閥開度和氣囊開啟壓力3個參數(shù)的靈敏度最大，分別為4.63%、15.73%和5.70%。說明它們比其他參數(shù)對WIC值影響更大。

圖5 靈敏度分析結(jié)果

4 主動式安全氣囊參數(shù)優(yōu)化

4.1 設(shè)計變量與設(shè)計目標

基于靈敏度分析的結(jié)果，選擇上部拉帶長度、氣體質(zhì)量流率和泄氣閥開度作為設(shè)計變量（變化范圍見表10），以綜合損傷指標WIC作為優(yōu)化目標，采用試驗設(shè)計進行優(yōu)化。

表10 設(shè)計變量的變化范圍

4.2 Latin Hypercube試驗設(shè)計

Latin Hypercube試驗設(shè)計是基于隨機抽樣的試驗設(shè)計方法，其效率和自由度高［15］。它將每個設(shè)計因子的取值空間均勻隔開，然后在均勻隔開的取值空間中取值并隨機組合，再通過優(yōu)化準則保證樣本分布的均勻性。

根據(jù)Latin Hypercube試驗設(shè)計方法共設(shè)計9次試驗，試驗參數(shù)水平值如表11所示。

通過構(gòu)建2階響應(yīng)面模型來研究最佳參數(shù)組合。2階多項式響應(yīng)面的基本形式［16-17］為

式中：y為響應(yīng)面擬合函數(shù)；x1，x2，x3，…，xm為設(shè)計變量；m為設(shè)計變量個數(shù)；β為待定系數(shù)。

利用方差分析中的決定系數(shù)R2驗證模型精度。

表11 優(yōu)化變量的試驗設(shè)計值和水平值

式中：yi為響應(yīng)變量的仿真值；y＾i為響應(yīng)變量的預(yù)測值；為響應(yīng)變量的仿真值的平均值。

4.3 試驗設(shè)計結(jié)果

將已驗證的校車約束模型，按照Latin Hypercube試驗設(shè)計方法設(shè)計的變量水平值進行參數(shù)設(shè)置，仿真結(jié)果如表12所示。

表12 12歲兒童假人的損傷值

4.4 多項式代理模型的構(gòu)建

基于仿真結(jié)果和2階多項式響應(yīng)面模型原理，構(gòu)建綜合損傷指標WIC與上部拉帶長度、氣囊開啟壓力和泄氣閥開度3個設(shè)計變量的2階多項式響應(yīng)面模型的多元回歸方程，即

式中：x1為上部拉帶長度；x2為氣囊開啟壓力；x3為泄氣閥開度。

式（5）的決定系數(shù)為99.84%。為進一步驗證模型精度，隨機選取5個樣本點進行檢驗，結(jié)果如表13所示。

表13 回歸方程取樣檢驗

由表13可知，響應(yīng)面模型的預(yù)測誤差均在4%以內(nèi)，說明式（5）具備較高的預(yù)測精度，可應(yīng)用于后續(xù)研究。

根據(jù)式（5）求得：當(dāng)上部拉帶長度為0.205 m、氣囊開啟壓力為1.16×105Pa和泄氣閥開度為1.8時，12歲兒童乘員的綜合損傷指標取得最小值0.240 5；而氣囊原始的上拉帶長度0.235 m、氣囊開啟壓力1.25×105Pa和泄氣閥開度為1.0時算得的綜合損傷指標為0.319 6。說明優(yōu)化后12歲兒童乘員的綜合損傷指標降低了24.75%。

5 結(jié)論

建立了校車模型和主動式安全氣囊的MADYMO模型。通過臺車試驗驗證了校車約束模型的準確性。研究氣囊上部、中部、下部拉帶長度、泄氣閥開度、氣體質(zhì)量流率、氣囊安裝高度和氣囊開啟壓力7個參數(shù)對12歲兒童乘員損傷的影響，得出以下結(jié)論。

（1）主動式安全氣囊能降低兒童乘員的頭部和頸部的傷害，顯著降低兒童乘員的綜合損傷指標WIC，提高了兒童乘員的安全性。

（2）氣囊上部、中部、下部拉帶長度、泄氣閥開度、氣體質(zhì)量流率、氣囊安裝高度和氣囊開啟壓力7個參數(shù)對12歲兒童乘員的損傷均存在影響，其中上部拉帶長度、泄氣閥開度、氣囊開啟壓力的影響較大，它們的合理選擇可使綜合損傷指標WIC分別下降4.63%、15.73%和5.702%。

（3）采用Latin Hypercube試驗設(shè)計技術(shù)對參數(shù)進行優(yōu)化，利用2階多項式響應(yīng)面模型擬合出損傷指標WIC與上部拉帶長度、泄氣閥開度、氣囊開啟壓力的關(guān)系。求解得到：當(dāng)上部拉帶長度為0.205 m、氣囊開啟壓力為1.16×105Pa和泄氣閥開度為1.8時，12歲兒童乘員的綜合損傷WIC指標能獲得最小值0.240 5，與原始氣囊參數(shù)相比，優(yōu)化后兒童乘員的綜合損傷指標降低了24.75%。