摘要

針對某車型自動駕駛需求，基于企業(yè)已有的某車型主駕側(cè)約束系統(tǒng)MADYMO 仿真模型，開展新型乘員艙頂置式氣囊的概念設(shè)計與CAE 設(shè)計分析( 包括折疊方式、布置位置等) ，評估不同折疊方式對防護(hù)性能的影響; 基于乘員頭部、胸部、頸部傷害指標(biāo)開展氣囊接觸剛度優(yōu)化。結(jié)果表明: 氣囊動態(tài)剛度適當(dāng)提升能有效降低乘員的頸部傷害，提高C-NCAP( China-new car assessment program) 正面碰撞工況的乘員得分。

關(guān)鍵詞：頂置式氣囊; MADYMO 仿真; 參數(shù)分析; 乘員傷害

隨著自動駕駛技術(shù)以及汽車內(nèi)飾設(shè)計理念的發(fā)展，傳統(tǒng)的乘員約束系統(tǒng)已無法滿足未來自動駕駛汽車乘員碰撞防護(hù)的要求，而新型乘員艙頂置式安全氣囊概念的提出能較好地適應(yīng)自動駕駛汽車的空間布置與乘員安全防護(hù)要求。目前，對頂置式氣囊的相關(guān)基礎(chǔ)研究較少，Alfonso Bustos等［1］和岳亦財?shù)龋?］為研究未來汽車新型多媒體技術(shù)的布置，移除副駕駛氣囊模塊，開發(fā)了適應(yīng)某車型的頂置式氣囊; Jingwen Hu 等［3］針對后排乘員約束系統(tǒng)，對后排乘員頂置式氣囊的防護(hù)效果進(jìn)行了分析; Benedikt Heudorfer 等［4］為降低翻滾工況中乘員頭部及頸部的傷害，提出了車頂棚式氣囊的概念; Byungho 等［5］針對翻滾或者側(cè)碰工況下乘員受到車頂彈射的風(fēng)險，對全景天窗式安全氣囊進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計。

對前期頂置氣囊的研究主要集中在副駕駛側(cè)與后排位置。Alfonso Bustos 等［1］指出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及駕駛員手臂位置的干擾使得頂置氣囊的實(shí)施變得困難，頂置氣囊在駕駛員側(cè)的實(shí)施方式有待完善。而未來自動駕駛汽車由于駕駛員不再參與駕駛行為，其乘坐姿態(tài)及內(nèi)飾環(huán)境設(shè)計更為多樣的特性［6］，為駕駛員側(cè)頂置氣囊的實(shí)施提供了可行性。本文基于新型汽車內(nèi)飾設(shè)計的理念，探究自動駕駛情況下主駕側(cè)方向盤收縮后的頂置氣囊概念設(shè)計，并分析折疊方式及布置位置對主駕乘員的防護(hù)效果。

1  主駕側(cè)仿真模型搭建及頂置式氣囊設(shè)計

1.1 主駕側(cè)仿真模型說明

主駕側(cè)仿真模型為企業(yè)某車型的現(xiàn)有對標(biāo)后模型，其主要基于多剛體動力學(xué)軟件MADYMO 搭建。模型主要包括乘員艙模塊、安全帶模塊、安全氣囊模塊及假人模型。建模時主要從整車有限元模型中提取風(fēng)擋玻璃、護(hù)膝板、腳踏板、汽車地板、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、儀表板和車頂棚等，按照實(shí)車位置進(jìn)行定位［7］。假人模型選用Hybrid III 50thQ 系列多剛體男性假人，以正常坐姿坐于駕駛室中; 安全帶模型采用彈簧－ 阻尼單元與有限元混合，能較好地模擬織帶在乘員身上的滑移，且計算時間較短［8］。約束系統(tǒng)基礎(chǔ)模型如圖1 所示。


圖1 約束系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)模型

1.2 頂置氣囊概念設(shè)計

1.2.1 可折疊式轉(zhuǎn)向盤概念設(shè)計

未來自動駕駛汽車的車內(nèi)空間布置更為靈活?；谛滦推噧?nèi)飾設(shè)計的理念，在某車型現(xiàn)有內(nèi)飾的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款概念式的可折疊式轉(zhuǎn)向盤，將原有的轉(zhuǎn)向盤向下折疊，收納于儀表板內(nèi)。當(dāng)駕駛員想?yún)⑴c駕駛行為時，收縮的轉(zhuǎn)向盤自動彈出，展開至原有位置，并將簡化后的儀表板導(dǎo)入約束系統(tǒng)模型中，為后續(xù)仿真工作做準(zhǔn)備。自動駕駛轉(zhuǎn)向盤折收概念圖如圖2 所示。


圖2 自動駕駛轉(zhuǎn)向盤折收概念圖

1.2.2 頂置式氣囊有限元模型的建立

研究對象為主駕側(cè)的頂置式氣囊，按照試驗車的尺寸，首先建立幾何模型，共由4 層織物組成。第1 層織物上設(shè)置了尺寸為200 mm × 100 mm 的支撐部分，第3 層織物上布置了直徑為40 mm、左右對稱的兩個圓形泄氣孔。在Hypermesh 中進(jìn)行有限元模型的生成，采用求解穩(wěn)定性高的三角形網(wǎng)格單元，網(wǎng)格單元尺寸為10 mm，有限元模型由4 層網(wǎng)格組成，縫補(bǔ)形成一個封閉的氣囊袋。圖3 表示頂置式氣囊的幾何模型，最左側(cè)表示總的幾何模型，上方從左至右分別表示第1 層織物、第2層織物，下方從左至右分別表示第3 層織物、第4 層織物。


圖3 頂置式氣囊?guī)缀文Ｐ褪疽鈭D

頂置氣囊體積較大，展開形態(tài)較復(fù)雜，本文設(shè)計了2 種不同的折疊方式。在Oasys Suite Primer 軟件中，運(yùn)用“Thin fold”及“Thick fold”命令按照2 種方案預(yù)留的折疊線進(jìn)行折疊［9］，2種折疊方案左右兩側(cè)均采用對稱折疊。方案1 由上至下采用卷繞式折疊，方案2 則采用Z 字型折疊。卷繞式折疊如圖4 所示，Z 字型折疊如圖5 所示。將折疊好的氣囊在MADYMO 軟件中建立相應(yīng)模塊，并選用均勻壓力法進(jìn)行點(diǎn)爆，頂置式氣囊展開效果如圖6 所示。



1.2.3 約束系統(tǒng)仿真模型的集成

將建立的頂置式氣囊模塊與約束系統(tǒng)模型在MADYMO 軟件中集成，通過INITIAL.FE_MODE及ORIENTAION.SUCCESSIVE_ROT 指令調(diào)整頂置式氣囊的位置，最終布置在車頂橫梁及車頂棚之間的區(qū)域，其固定模塊固定在風(fēng)擋玻璃上方的頂棚上，從而避免遮擋駕駛員視野并充分利用車內(nèi)空間。折疊方式不同時，折疊后的形狀及厚度不同，對應(yīng)的布置位置有所區(qū)別。圖7 表示2 種折疊方案的約束系統(tǒng)集成模型，( a) 采用卷繞式折疊，( b) 采用Z 字型折疊。


圖7 2 種折疊方案約束系統(tǒng)仿真模型

2  頂置式氣囊CAE 分析

2.1 主駕側(cè)乘員的動力學(xué)響應(yīng)對比

乘員與氣囊的相對位置變化能直觀地反映其布置位置是否合適，將約束系統(tǒng)集成模型提交運(yùn)算，通過對乘員的動力學(xué)響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，2種方案的乘員頭部與氣囊的接觸情況較好，但前者氣囊在展開過程中與乘員胸部發(fā)生接觸，后者氣囊在展開充氣的過程中受到儀表板的反彈作用，反彈回來的氣囊與胸部接觸。乘員動力學(xué)響應(yīng)對比如圖8 所示，左側(cè)表示卷繞式折疊，右側(cè)表示Z 字型折疊。

由圖8 可知: 卷繞式折疊的頂置氣囊點(diǎn)爆后先朝下展開，并在展開過程中與乘員胸部發(fā)生接觸，后朝著風(fēng)擋玻璃展開，60 ms 左右與乘員頭部接觸。Z 字型折疊的氣囊點(diǎn)爆后先朝著風(fēng)擋玻璃展開，后沿儀表板向乘員展開，57 ms 左右與乘員頭部接觸，展開過程中，氣袋受到儀表板的回彈作用，與乘員胸部發(fā)生輕微接觸。


圖8 2 種折疊方案不同碰撞時刻的乘員響應(yīng)

2.2 主駕乘員關(guān)鍵部位傷害值對比分析

為充分探究頂置氣囊的乘員防護(hù)效果，選取100%正面碰撞工況( FRB) 及40% 正面碰撞工況( ODB) 下的乘員頭部、頸部及胸部這3 個關(guān)鍵部位的傷害值作為評價指標(biāo)。

2.2. 1 FRB 乘員關(guān)鍵部位傷害值對比

圖9 表示FRB 工況下2 種折疊方式及布置位置的乘員頭部、胸部及頸部3 個關(guān)鍵部位的傷害值曲線。



由圖9 可知: FRB 工況下乘員關(guān)鍵部位傷害值曲線變化趨勢基本一致，但Z 字型折疊氣囊的乘員頭部合成加速度、胸部壓縮量峰值高于卷繞式折疊，頸部損傷指標(biāo)峰值低于后者。

Z 字型折疊的氣囊折疊層多于卷繞式折疊，層與層之間的干擾較多，展開初期會形成較高的氣壓［10］，其充氣過程較激烈，接觸乘員頭部時間早于卷繞式折疊，且接觸時刻的動態(tài)剛度高于后者，導(dǎo)致乘員頭部傷害值高于卷繞式折疊。其對乘員頭部的支撐力大于后者，使得頭部前向位移低于卷繞式折疊，進(jìn)而導(dǎo)致乘員頸部傷害指標(biāo)較低。

頂置氣囊與乘員的胸部在整個碰撞過程中無明顯接觸，傷害主要來源為安全帶。前者在展開過程中與乘員胸部有輕微接觸，后者反彈過程中與乘員胸部發(fā)生接觸，未影響乘員胸部傷害值。

2.2. 2 ODB 乘員關(guān)鍵部位損傷值對比

圖10 表示ODB 工況下2 種折疊方式及布置位置的乘員頭部、胸部及頸部3 個關(guān)鍵部位的傷害值曲線。

由圖10 可知: ODB 工況下乘員關(guān)鍵部位傷害值變化基本一致，Z 字型折疊氣囊乘員頭部傷害指標(biāo)、頸部傷害指標(biāo)低于卷繞式折疊氣囊，乘員胸部壓縮量微高于后者。

ODB 工況下乘員的運(yùn)動情況更為復(fù)雜。頂置式氣囊展開后受到橫向的作用力向右發(fā)生偏移，乘員頭部不能充分地接觸到氣囊的幾何中心。卷繞式折疊的氣囊泄氣時間早于Z 字型折疊，其動態(tài)剛度低于后者，導(dǎo)致其對乘員頭部的支撐力低于Z 字型折疊的氣囊。碰撞過程結(jié)束后，卷繞式折疊氣囊的乘員頭部向前運(yùn)動的位移遠(yuǎn)高于后者，頭部與胸部的相對位移高于Z 字型折疊的氣囊，導(dǎo)致乘員頭部與頸部的各項傷害指標(biāo)高于后者; Z 字型折疊的氣囊展開過程中由于儀表板的反彈作用，與乘員胸部發(fā)生沖擊，乘員胸部傷害指標(biāo)略微高于前者。

3  參數(shù)分析與優(yōu)化

安全氣囊的接觸剛度特性會直接影響乘員頭部、頸部、胸部的傷害指標(biāo)，主要與氣體發(fā)生器能力、氣囊包形、泄氣孔尺寸、拉帶長度與剛度等因子有關(guān)，通過調(diào)節(jié)泄氣孔的尺寸可以控制氣囊的動態(tài)剛度［11］。假設(shè)氣囊泄氣孔面積為S，安全氣囊的動態(tài)剛度為Q，安全氣囊比剛度為K，常數(shù)為a，則:


由式( 1) ( 2) 可知: 泄氣孔的面積S 與氣囊的動態(tài)剛度Q 成反比，即可通過調(diào)節(jié)泄氣孔的尺寸來優(yōu)化頂置式安全氣囊的動態(tài)剛度［12］。

基于上述安全氣囊動態(tài)剛度對乘員損傷響應(yīng)影響的理論分析，選取氣囊直徑作為單因子變量，對防護(hù)效果更優(yōu)的Z 字型折疊氣囊進(jìn)行優(yōu)化。通過調(diào)節(jié)氣囊泄氣孔縮放因子CDEX 值，設(shè)置氣囊泄氣孔直徑為35 mm 時乘員傷害指標(biāo)整體有所變化，具體結(jié)果如表1、2 所示。





由表1、2 可知: 泄氣孔直徑由40 mm 調(diào)整為35 mm 后，兩工況的乘員頭部傷害指標(biāo)均有所增加，不影響頭部得分; 乘員胸部壓縮量無太大變化; FRB 乘員頸部Fz值增加了7%，但未超過CNCAP規(guī)定的高性能限值; ODB 工況乘員頸部傷害指標(biāo)降幅較為明顯，頸部Fx值降低了42%，F(xiàn)z值降低了31%，說明該方案可有效降低乘員的頸部傷害，并提高正面碰撞乘員的頸部得分。

4  結(jié)論

本文中基于某車型的約束系統(tǒng)對標(biāo)MADYMO模型，提出了可折疊式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念，并設(shè)計了一款適用于該車型未來自動駕駛需求的新型乘員艙頂置式氣囊。選取并分析了不同折疊方式對主駕乘員的防護(hù)效果，并基于安全氣囊的接觸剛度特性理論，開展了Z 字型折疊頂置氣囊的優(yōu)化分析，主要結(jié)論如下:

1) 針對項目車型的自動駕駛設(shè)計需求，提出的折疊式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合頂置氣囊設(shè)計可滿足CNCAP研發(fā)目標(biāo)。

2) 基于本車型的乘員空間特性，2 種折疊方式頂置氣囊的乘員關(guān)鍵部位傷害指標(biāo)均低于CNCAP所規(guī)定的上限值，但Z 字型折疊的頂置氣囊對乘員的防護(hù)效果更優(yōu)。上述結(jié)果對設(shè)計面向未來高度自動駕駛汽車的乘員約束系統(tǒng)具有參考意義。

3) 氣囊接觸剛度優(yōu)化結(jié)果顯示: 適度提升氣囊接觸剛度后，該車型FRB 工況及ODB 工況乘員關(guān)鍵部位傷害指標(biāo)有所降低，其C-NCAP 正面碰撞兩工況的乘員得分有所提升。

本文前期對轉(zhuǎn)向盤未折疊狀態(tài)下頂置氣囊的展開過程及防護(hù)效果進(jìn)行了CAE 仿真分析。仿真結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的干擾導(dǎo)致氣囊不能完全展開，乘員頭部與轉(zhuǎn)向盤發(fā)生硬接觸，因此現(xiàn)階段只考慮轉(zhuǎn)向盤收縮后才能點(diǎn)爆頂置氣囊。鑒于所研究的頂置式氣囊僅處于概念階段且僅考慮了其對Hybrid III 50th 男性假人的防護(hù)效果，因此下一步的工作重點(diǎn)將著眼于研究對不同體型乘員的安全防護(hù)效果以及后續(xù)的物理試驗驗證等工作。


參考文獻(xiàn):
［1］ BUSTOS A，SCHULTZ D． Front passenger airbag in roof［J］． ATZ worldwide，2012，114( 4) : 34 － 37．
［2］ 岳亦財，岳鵬，張濤，等． 基于正面碰撞性能的頂置式副駕氣囊開發(fā)［C］/ /2018 中國汽車安全技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集． 廣州: 中國汽車工程學(xué)會，2018: 334 － 339．
［3］ HU J，F(xiàn)ISCHER K，LANGE P，et al． Effects of crash pulse，impact angle，occupant size，front seat location，and restraint system on rear seat occupant protection［J］． SAE Technical Paper，2015．
［4］ HEUDORFER B，BREUNINGER M，KARLBAUER U，et al． Roofbag — a concept study to provide enhanced protection for head and neck in case of rollover［C］/ /Proceedings of the 19th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles． USA: ［s． n． ］，2005:6 － 9．
［5］ MIN B，JEONG G，SONG J，et al． A Development of panoramic sunroof airbag［C］/ /25th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles ( ESV) ．USA: National Highway Traffic Safety Administration，2017．
［6］ 周青，姬佩君，黃毅，等． 未來交通事故場景中乘員智能保護(hù)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇［J］． 汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2017，8( 4) : 333 － 350．
［7］ 胡遠(yuǎn)志，潘華，凡沙沙，等． 基于模塊化的約束系統(tǒng)高精度建模方法研究［J］． 重慶理工大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)) ，2017( 7) : 1 － 11．
［8］ 錢國強(qiáng)，韓忠浩，杜亮，等． 正面碰撞乘員側(cè)約束系統(tǒng)模型的建立與驗證［J］． 機(jī)械設(shè)計與制造，2007( 11) :82 － 84．
［9］ 葛如海，劉樂，林坡，等． 側(cè)面碰撞頭胸雙氣室氣囊的設(shè)計與優(yōu)化［J］． 重慶理工大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)) ，2018( 7) : 1 － 7．
［10］ 萬鑫銘，楊濟(jì)匡，沈斌． 氣囊折疊方式對展開作用力影響的仿真［J］． 機(jī)械工程學(xué)報，2005 ( 12 ) : 162－ 166．
［11］ 邱少波． 汽車碰撞安全工程［M］． 北京: 北京理工大學(xué)出版社，2016: 111 － 113．
［12］ 羅覃月，潘華，劉西，等． 某多用途車正面碰撞乘員側(cè)胸部損傷優(yōu)化［J］． 科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16( 36) :243 － 248．