【摘要】為提高側(cè)面柱碰撞工況下駕駛員側(cè)氣囊安全得分，依據(jù)2021版C-NCAP管理規(guī)則搭建汽車側(cè)面柱碰撞乘員約束系統(tǒng)模型，實(shí)車碰撞及仿真結(jié)果表明，頭部、腹部、骨盆安全得分均達(dá)標(biāo)，胸部傷害較嚴(yán)重，得分較低。通過優(yōu)化側(cè)氣囊的袋型和氣孔直徑，提升胸部肋骨安全得分。優(yōu)化后結(jié)果表明，胸部上肋骨、中肋骨、下肋骨壓縮量分別減小30.97%、8.26%、13.71%，驗證了優(yōu)化方案的有效性。

主題詞：側(cè)面柱碰撞 側(cè)氣囊 安全性 乘員約束系統(tǒng)

中圖分類號：U461.91" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20240032

Optimal Design of Driver’s Side Airbag in Side Pole Crash

Xiao Hua1， Xiao Sen1， Zhao Kuangyu1， Qi Yufei2， He Yaoxin2

（1. Hebei University of Technlogy， Tianjin 300401; 2. Great Wall Motor Technology Center， Baoding 071000）

【Abstract】In order to improve the safety score of the driver’s side airbag under the side pole collision condition， the model of occupant’s restraint system in the vehicle side pole collision was built according to the 2021 version of C-NCAP， and the vehicle collision and simulation results show that the safety scores of the head， abdomen and pelvis all reach the standard， and the chest injury is more serious and the score is lower. By optimizing the pouch shape and stomatal diameter of the side airbags， the chest rib safety score is improved. The optimization results show that the compression of the upper rib， middle rib and lower rib of the chest decreases by 30.97%， 8.26% and 13.71%， respectively， which verifies the effectiveness of the optimization scheme.

Key words： Side pole crash， Side airbag， Safety， Occupant restraint system

1 前言

側(cè)面碰撞造成的傷亡人數(shù)占汽車事故總傷亡人數(shù)的28%[1]，因此，側(cè)面碰撞安全性研究對提高汽車安全性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。以往的側(cè)面碰撞研究主要針對車與車的碰撞[2]，2021年版中國新車評價規(guī)程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP）管理規(guī)則[3]中新增側(cè)面柱碰撞試驗，對車輛側(cè)面與圓柱形剛性物體直接撞擊時的安全性進(jìn)行評價。

針對側(cè)面柱碰撞的影響因素：朱海濤等[4]從力學(xué)理論出發(fā)，研究了側(cè)面柱碰撞和側(cè)面碰撞在受力上的差異；李翼德[5]基于人體損傷機(jī)理，分析實(shí)際碰撞中乘員的響應(yīng)特性，構(gòu)建了車輛側(cè)面柱碰撞模型并進(jìn)行驗證；Warner等[6]基于福特的實(shí)車平臺，獲取車輛的不同碰撞位置、不同柱面大小等因素對車輛力學(xué)響應(yīng)的影響；Kuwaharm等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在側(cè)面柱碰撞工況下，側(cè)氣囊可降低胸部肋骨壓縮量，減小上臂擠壓胸部上肋骨及扶手侵入胸部下肋骨的力。

本文基于人體生物力學(xué)響應(yīng)及側(cè)面柱碰撞影響因素構(gòu)建側(cè)面柱碰撞模型，驗證假人頭部、胸部、腹部、骨盆傷害值與實(shí)車碰撞的擬合程度，提出側(cè)氣囊袋型及孔徑的優(yōu)化方案，降低胸部肋骨壓縮量并驗證優(yōu)化方案的有效性。

2 模型搭建

2.1 側(cè)面柱碰撞模型

側(cè)面柱碰撞總體模型如圖1所示。模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1 480 855個、殼單元1 562 527個、個體單元391 132個。模型包含左側(cè)前門、駕駛員處地板、側(cè)圍、駕駛員座椅、駕駛員約束系統(tǒng)、假人模型及剛性柱壁障模型等。

周會鋒[8]通過研究全球側(cè)面碰撞第50百分位男性假人（World Side Impact Dummy 50th，WordSID 50th）和歐洲側(cè)面碰撞假人-2（Euro Side Impact Dummy -2，ES-2）的響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)相同工況下，前者工作壽命更長。本文依據(jù)歐洲新車評價規(guī)程[9]（European New Car Assessment Programme，E-NCAP）在駕駛員座椅放置WordSID 50th。

繪制網(wǎng)格時，需刪除不足3 mm的倒圓角、直徑小于4 mm的圓等非重要特征線，根據(jù)工程要求，本文模型采用8 mm網(wǎng)格。

2.2 假人模型標(biāo)定

按照以下條件進(jìn)行整車標(biāo)定：

a. 針對假人姿態(tài)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，改變假人胯點(diǎn)（H點(diǎn)）確定假人姿態(tài)的同時，調(diào)整假人手臂位置。由于無法模擬衣服厚度及摩擦，模擬手臂外擺程度需改變假人模型摩擦因數(shù)，使模型更符合實(shí)際工況。

b. 車輛碰撞時，車身侵入量需根據(jù)采集的加速度，通過二重積分計算出相應(yīng)位移，模型車身侵入量貼近實(shí)車碰撞效果。

c. 對于整車模型，需考查假人與座椅的摩擦、側(cè)氣囊與側(cè)氣簾的點(diǎn)火時刻以及全車氣囊展開形態(tài)與實(shí)車符合程度。

3 側(cè)面柱碰撞實(shí)車試驗及仿真

側(cè)面柱碰撞工況下，首先由白車身框架結(jié)構(gòu)變形吸收能量[10]，再通過約束系統(tǒng)進(jìn)一步降低碰撞對駕駛員的傷害。本文通過實(shí)車碰撞及仿真結(jié)果比較，判斷車輛約束系統(tǒng)運(yùn)行情況，同時優(yōu)化側(cè)氣囊。試驗設(shè)置如表1所示。

3.1 實(shí)車碰撞結(jié)果

實(shí)車側(cè)面柱碰撞測試結(jié)果如表2所示，試驗中，車輛側(cè)氣囊及側(cè)氣簾點(diǎn)火時刻正常且側(cè)氣囊、側(cè)氣簾展開無異常。頭部保護(hù)達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，但胸部傷害較嚴(yán)重，側(cè)氣囊保護(hù)效果略差。

在實(shí)車碰撞試驗中，由于假人手臂抬起較晚，對肋骨造成擠壓，導(dǎo)致胸部壓縮量過大，因此評分較低，不滿足車輛設(shè)計要求。為達(dá)成C-NCAP“五星”的目標(biāo)，需要將分?jǐn)?shù)提升至14.7分，由于頭部、腹部及骨盆得分為滿分，因此胸部得分至少需要達(dá)到2.7分。

3.2 仿真模型損傷指標(biāo)及分析

在側(cè)面柱碰撞中，主要通過乘員頭部、胸部及骨盆分析駕駛位假人的損傷情況。通過仿真動畫傷害曲線篩選未達(dá)標(biāo)項目，并進(jìn)行約束系統(tǒng)優(yōu)化。

3.2.1 頭部傷害分析

側(cè)面柱碰撞中評價乘員頭部傷害的主要指標(biāo)為頭部損傷耐受度（Head Injury Criterion，HIC），即nHIC：

式中：t1、t2分別為HIC計算的起始和終止時刻，且t2-t1≤15 ms；AR為頭部合成加速度；Ax、Ay、Az分別為x、y、z方向濾波后的加速度。

根據(jù)E-NCAP的規(guī)定，HIC的限值范圍為500～700 g，累積3 ms合成加速度指標(biāo)范圍為72～80 g[11]。根據(jù)頭部加速度曲線，如圖2所示，實(shí)車碰撞頭部合成加速度峰值為53.90 g，代入式（1）計算可得nHIC=384.66 g。由于HIC低于指標(biāo)限值，因此，頭部傷害無需進(jìn)行優(yōu)化。

頭部加速度峰值時間的仿真與試驗結(jié)果如表3所示，實(shí)車碰撞頭部加速度在第61 ms達(dá)到傷害峰值，仿真分析在第56 ms達(dá)到傷害峰值，第80 ms以后，實(shí)車和仿真均結(jié)束碰撞。在誤差允許范圍內(nèi)，頭部的實(shí)車碰撞試驗與仿真曲線相似，則認(rèn)為實(shí)車碰撞與仿真試驗運(yùn)動大致相同。

3.2.2 胸部傷害分析

評價乘員胸部損傷主要用胸部肋骨壓縮量和粘性指標(biāo)（Viscosity Index，V-C）nV-C，粘性指標(biāo)應(yīng)滿足nV-C≤1.0 m/s[12]。由于實(shí)車碰撞時胸部壓力過高，對仿真模型進(jìn)行適度調(diào)整。傷害時刻主要發(fā)生在第30～40 ms，從第30 ms開始，間隔10 ms觀測一次模型狀態(tài)，第30～60 ms仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，第30 ms時，假人手臂處于初始位置，此時側(cè)面氣囊未能提供足夠的保護(hù)。隨著柱狀物的侵入，側(cè)氣囊在第50 ms充氣基本完成，能夠完全提供保護(hù)作用。第50～60 ms，假人上臂快速抬起，減輕了對胸部的擠壓。此時，側(cè)面剛性柱與車門部位發(fā)生劇烈撞擊，地板、側(cè)圍以及B柱發(fā)生較為劇烈的形變并沖擊假人。通過觀察肋骨壓縮量峰值時刻的實(shí)車碰撞錄像和模擬仿真圖像（見表4），假人姿態(tài)（包括左手手臂姿態(tài)）大致相同，驗證了仿真模型與實(shí)車碰撞的一致性。

由于胸部傷害達(dá)到峰值時，假人左手手臂抬起幅度較小，而側(cè)氣囊彈出時，手臂受到側(cè)面柱對車身壓迫造成車身形變的沖擊，對胸部造成擠壓，同時側(cè)氣囊未對手臂起到托舉作用，造成手臂對于胸部肋骨過度擠壓，從而導(dǎo)致胸部壓力超過目標(biāo)要求，最終得分僅為1.02分。胸部得分低于預(yù)期目標(biāo)，需要對胸部傷害進(jìn)行分析及優(yōu)化。

3.2.3 腹部傷害分析

腹部損傷機(jī)理與胸部損傷相似，使用腹部肋骨側(cè)向壓縮量和粘性指標(biāo)評價，側(cè)向肋骨壓縮量限值為47 mm，nV-C≤1.0 m/s。腹部傷害曲線的實(shí)車碰撞試驗與仿真分析結(jié)果如圖4所示：腹部上肋骨最大壓縮量，為27.40 mm，粘性指標(biāo)為0.16 m/s；腹部下肋骨最大壓縮量為17.20 mm，粘性指標(biāo)為0.12 m/s。

圖4a中，由于仿真氣囊的充氣速率略快于實(shí)車碰撞，所以腹部上肋骨仿真的壓縮量峰值早于實(shí)車碰撞，而圖4b中，腹部下肋骨仿真的壓縮量峰值雖略大于實(shí)車碰撞，但二者均在壓縮量高性能指標(biāo)限值內(nèi)。結(jié)合腹部傷害評價標(biāo)準(zhǔn)，模擬仿真和實(shí)車碰撞的腹部傷害遠(yuǎn)小于指標(biāo)限值，故無需進(jìn)行后續(xù)分析。

3.2.4 骨盆傷害分析

正常男性成人骨盆的極限壓縮量為8.42 mm，極限載荷為2.762 kN，當(dāng)超過極限載荷時，骶骼關(guān)節(jié)處會發(fā)生骨折[13]。在側(cè)面柱碰撞中，車身側(cè)圍受到的沖擊力將傳遞到碰撞側(cè)骨盆，從而造成損傷。本文試驗骨盆受力峰值為528.7 N，骨盆傷害曲線如圖5所示，模擬仿真與實(shí)車碰撞的吻合程度良好，且骨盆受力均在允許范圍內(nèi)，故后續(xù)不再針對骨盆傷害進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.5 運(yùn)動學(xué)分析及模型優(yōu)化

根據(jù)實(shí)車碰撞視頻分析結(jié)果，第15 ms時，氣囊開始展開，第20 ms時，手臂抬起并對胸部肋骨造成擠壓。仿真結(jié)果顯示：第20 ms時手臂抬起的幅度超過了實(shí)際碰撞過程中的幅度；第38 ms時，氣囊完全展開，頭部完全接觸氣囊；第72 ms時，手臂達(dá)到最高點(diǎn)。

實(shí)車試驗與模型仿真中，頭部、胸部、腹部及骨盆處傷害曲線在誤差允許范圍內(nèi)一致，故本文使用仿真模型具備模擬實(shí)車試驗條件。同時，除胸部外，其他部位均符合標(biāo)準(zhǔn)，因此，本文重點(diǎn)優(yōu)化胸部肋骨壓縮量。

4 仿真優(yōu)化方案與結(jié)果分析

經(jīng)實(shí)車碰撞及仿真對比，汽車側(cè)面結(jié)構(gòu)在碰撞后發(fā)生巨大形變，導(dǎo)致展開后的氣囊被車門擠壓并與乘員接觸，對乘員胸部造成嚴(yán)重傷害。為進(jìn)一步保護(hù)乘員安全，本文對側(cè)氣囊進(jìn)行優(yōu)化分析。

4.1 改進(jìn)措施分析

調(diào)整乘員手臂衣服的摩擦因數(shù)，對調(diào)整后的模型進(jìn)行仿真驗證，并與實(shí)車碰撞結(jié)果進(jìn)行對比，如表5所示。

根據(jù)仿真與試驗情況，對模型側(cè)氣囊袋型及氣孔直徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使乘員在碰撞發(fā)生時能夠快速抬起手臂，從而降低手臂與胸部的接觸面積，降低胸部肋骨壓力。同時，從第30 ms開始，逐漸增大側(cè)氣囊氣孔直徑，并依據(jù)各工況計算氣孔最佳直徑，調(diào)整側(cè)氣囊剛度，減少二次沖擊。

4.2 具體改進(jìn)措施

駕駛員安全氣囊（Driver Airbag，DAB）有限元模型由氣袋、氣體發(fā)生器、控制裝備等裝置組成，氣袋的體積與形狀、排氣孔的大小及氣袋材料均影響其保護(hù)能力。通過改變氣囊形狀、降低側(cè)氣囊高度、增大胸部氣囊，提高原氣囊充氣量，袋型對比如圖6所示。

選取乘員同一部位進(jìn)行仿真測試，改進(jìn)袋型后，對有限元模型進(jìn)行計算并提取結(jié)果，胸部上、中、下肋骨的壓縮量及得分進(jìn)行對比，結(jié)果如表6所示。

改進(jìn)氣囊模型形狀后，胸部上部肋骨壓縮量減小5.47 mm，胸部中、下部肋骨壓縮量分別增大了4.87 mm和5.03 mm，假人胸部評分由2.02分提升到2.74分。

改變側(cè)氣囊模型氣孔直徑，進(jìn)一步減小肋骨壓縮量，設(shè)置氣孔直徑分別為30 mm、33 mm和35 mm進(jìn)行對比，結(jié)果如表7所示。

通過胸部肋骨壓縮量以及最終得分的對比，氣孔直徑為35 mm時，胸部肋骨的保護(hù)效果最好。因此，氣孔直徑選擇35 mm。

4.3 改進(jìn)前、后對比

優(yōu)化方案中胸部肋骨壓縮量均小于31 mm，得分超過預(yù)設(shè)目標(biāo)，達(dá)到3.52分，胸部發(fā)生擠壓的總時長為15 ms。隨著側(cè)氣囊的展開，胸部上肋骨受到氣囊壓迫，上肋骨壓縮量迅速增大，峰值達(dá)到30.65 mm。峰值出現(xiàn)時間較優(yōu)化前提前5 ms，壓縮量減少13.75 mm，降低30.97%。由于側(cè)氣囊氣孔直徑的優(yōu)化，首次碰撞后，胸部上肋骨壓縮量達(dá)到峰值，側(cè)氣囊能夠?qū)怏w快速排出，降低了側(cè)氣囊的剛度，有效避免了碰撞后的二次傷害，如圖7所示。之后，逐漸抬起乘員手臂，側(cè)氣囊起到緩沖作用，使胸部上肋骨壓縮量開始下降，第45 ms時，胸部上肋骨壓縮量再次達(dá)到峰值。

胸部中肋骨壓縮量與上肋骨壓縮量基本一致，優(yōu)化后第19 ms時首次出現(xiàn)峰值，且峰值出現(xiàn)時間較優(yōu)化前提前3 ms。第35 ms時，胸部中肋骨壓縮量達(dá)到30 mm，相比于5 ms后原方案出現(xiàn)的壓縮量峰值減少2.7 mm，降低8.26%，如圖8所示。

胸部下肋骨壓縮量曲線趨勢與胸部上肋骨在第35 ms前大致相同。胸部下肋骨最大壓縮量為27.25 mm。隨著氣囊展開，胸部下肋骨受到的壓力逐漸減小，壓縮量逐漸減小。由于柱壁障模型的侵入，壓縮量再次增大，并在第55 ms達(dá)到新的峰值25.46 mm，較原方案的最大壓縮量減小4.33 mm，降低13.71%，如圖9所示。

綜上所述，碰撞前期的傷害主要源于側(cè)氣囊剛度較大，乘員受到壓力越大，相對地，假人所受傷害越嚴(yán)重。側(cè)氣囊展開后開始吸收碰撞產(chǎn)生的能量，通過保有一定剛性，吸收后續(xù)剛性柱入侵車身時產(chǎn)生的能量，從而使假人得到更好的保護(hù)。同時，側(cè)氣囊的剛度提高有利于減小胸部下肋骨壓縮量。在肩部力不超標(biāo)的前提下，將手臂通過氣囊適當(dāng)抬起，降低胸部肋骨所受到的壓力，也可減小胸部肋骨的壓縮量，如圖10所示。

5 結(jié)束語

本文基于側(cè)面柱碰撞工況，通過設(shè)計對照試驗，對影響頭部、胸部、腹部、骨盆傷害值的兩大因素，即側(cè)氣囊袋型和氣孔直徑進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在一定程度上，增大側(cè)氣囊氣孔直徑可減小胸部上肋骨、中肋骨、下肋骨壓縮量，分析對照試驗后增大側(cè)氣囊氣孔直徑到35 mm；改變側(cè)氣囊袋型，將側(cè)氣囊高度降低并將胸部氣囊增大，可降低肋骨壓縮量。此外，碰撞中抬起手臂可以改善胸部安全性能得分，但其對人體其他部位的影響還需進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2024年1月10日。

*基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（52175084，52175085）；河北省自然科學(xué)基金項目（E2020202017）。

【引用格式】 肖華， 肖森， 趙貺雨， 等. 側(cè)面柱碰撞工況下駕駛員側(cè)氣囊優(yōu)化設(shè)計[J]. 汽車技術(shù)， 2024（4）： 24-29.

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