自适应后排气囊概念设计及验证.pdf

湖北汽车工业学院学报Journal of Hubei University of Automotive Technology第 37 卷第 2 期2023 年 6 月Vol.37 No.2Jun.2023doi：10.3969/j.issn.1008-5483.2023.02.005自适应后排气囊概念设计及验证陈勇1,2（1.采埃孚汽车科技（上海）有限公司，上海 201814；2.同济大学 汽车学院，上海 200092）摘 要：提出了自适应后排气囊的概念，进行了气囊布置和袋型设计，搭建了CAE模型，并与物理试验结果对标。在系统仿真和物理碰撞试验中，对比带后排气囊和不带后排气囊时假人伤害值，评估了后排气囊对后排乘员安全性能提升的影响。结果表明后排气囊能有效降低乘员的伤害。关键词：后排气囊；参数优化；乘员伤害；CAE仿真中图分类号：U467.1+4；U491.61文献标识码：A文章编号：1008-5483（2023）02-0022-06Conceptual Design and Validation of Adaptive Rear Seat AirbagChen Yong1,2（1.ZF Automotive Technologies(Shanghai)Co.Ltd,Shanghai 201814,China;2.School of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 200092,China）Abstract：The concept of an adaptive rear seat airbag was proposed,and airbag layout and bag shapedesign were studied.The CAE model was built,and it was compared with physical test results.In thesystem simulation and physical crash tests,the damage to the dummy in the cases with and without arear seat airbag was compared,and the effect of the rear seat airbag in improving the safety performanceof the rear passengers was evaluated.The results show that the rear seat airbag can effectively reducedamage to passengers.Key words：rearseatairbag;parameteroptimization;damagetopassenger;CAEsimulation收稿日期：2022-10-04；修回日期：2023-04-10第一作者：陈勇（1985-），男，硕士生，高级工程师，从事汽车被动安全方面的研究。E-mail：在我国，老人、儿童等易受伤人群坐后排的情况非常普遍。相较于前排，后排乘员安全约束系统明显不足，事故发生时，后排乘员安全难以得到有效保护1-3。近年来C-NCAP评价规程和C-IASI安全指数对汽车安全性要求越来越高，新规程引入了对后排乘员安全的评价。目前安全性研究主要针对前排驾乘人员，对后排乘员安全性的研究较少；大多对假人头部损伤进行研究，对颈部和胸部伤害较少涉及2。为此设计自适应安全气囊，安装于汽车座椅靠背，用于保护后排乘员，并对后排乘员头、颈、胸关键部位的保护进行研究。1后排气囊设计及布置汽车座椅主要由坐垫、靠背、头枕组成，对乘员保护具有重要作用。后排假人伤害机理研究表明，假人在前后排座椅狭小空间内易碰撞到前排座椅，导致头颈部伤害值提高3-4。根据安装位置不同，后排气囊分为头枕气囊、安全带气囊、靠背气囊。头枕气囊能有效降低头部伤害指数和颈部弯曲伤害值，但仅对头颈有保护作用，胸部伤害反而提高了3。安全带气囊可降低头颈部伤害值，但受布置第37卷 第2期空间限制，气囊体积较小，对成人保护不足5。将副驾驶气囊布置延展至前排座椅的靠背，形成3D气囊，可降低后排乘员的头颈胸部伤害值，但不能适应不同位置和尺寸的假人5。综合分析人机工程和布置美观等因素，将后排气囊布置在座椅靠背内，隐藏于座椅发泡和蒙皮下；考虑轻量化和座椅靠背内部空间有限，直接采用不带壳体气囊，通过模块下支架固定到座椅骨架；座椅发泡和蒙皮需撕裂打开区域进行弱化处理。后排气囊模块由气袋（带包裹布）、压簧、发生器、支架、螺母组成，发生器及压簧内置于气袋内，压簧上螺栓与支架连接后，将气袋固定到支架，螺母用来固定压簧，见图1。543211-气袋；2-压簧；3-发生器；4-气囊支架；5-螺母图1 后排气囊爆炸图后排气囊模块固定于前排座椅靠背内部，通过螺栓连接将模块固定于座椅转接支架，座椅转接支架固定到座椅骨架，见图2a。气囊模块固定到座椅靠背时，在车身坐标系Y向，模块中心需与后排假人居中，如有偏置，偏置距离小于20 mm；模块在X向需内置于座椅，与座椅发泡及蒙皮无干涉；模块在Z向可上下调整，利于气袋展开。模块无绕X轴和Z轴旋转，且模块中心线与X轴平行，见图2b。5432162789104b 布置a 安装ZXY1-座椅骨架；2-座椅支架；3-气囊模块；4-座椅靠背；5-头枕；6-座椅坐垫；7-压簧；8-气袋；9-发生器；10-气囊模块支架图2 模块安装与布置示意图2仿真模型搭建2.1 车体系统模型搭建系统模型主要包括乘员舱、前后排座椅、后排气囊模块、安全带模块及假人模型。为简化模型，选取100%正面碰撞中对后排乘员的运动姿态及约束施加影响的部件。从整车有限元模型中提取前排座椅、后排座椅、门护板、汽车地板、安全带等，作为企业某车型对标后有限元模型，按照实车位置进行定位。选用Hybrid III 05th多刚体假人模型。采用三点式安全带模型，固定点为锚点、锁扣点、D环点且没有调节功能，模拟拉带的单元采用2D单元，能较好地模拟织带与乘员接触的法向压力与切向摩擦力，拉带刚度可以在材料中调整纵向与横向的杨氏模量来体现，如图3所示。1234561-前排座椅；2-气囊模块；3-门内饰板；4-05th假人；5-安全带；6-后排座椅图3 约束系统仿真基础模型2.2 气囊模型建立基于实车前后排座椅的距离，根据US-NCAP2019 56 kmh全正碰（56FRB）工况假人位置要求，后排摆放女性假人，设计出匹配的n型气袋。X向，n型气袋一端与座椅靠背贴合，一端与假人胸部相贴合；Y向，气袋宽度完全覆盖假人肩部；Z向，气袋高度覆盖假人头。调节优化气袋厚度，使气袋产生足够的张力来约束假人，同时气袋内部设置2个拉带，连接上下层织物，既实现了最佳形状、满足了设计需要，也控制了气袋厚度和体积，以便匹配合适的气体发生器。袋内压力10 kPa下，气袋体积约为45 L。充气状态的气袋包型如图4所示。假人胸部距离前排座椅靠背仅420 mm，为使气袋快速到位，降低布料泄气率，气袋布料采用25 g涂层布料PA66 470Dtex。气体发生器选用烟火式发生234553351a 左视b 后视c 俯视1-车身；2-前排座椅；3-气囊；4-后排座椅；5-05th假人图4 气袋袋型图陈勇：自适应后排气囊概念设计及验证 232023年6月湖北汽车工业学院学报器，其质量流率曲线如图5所示。在LS-DYNA中建立有限元模型。3气囊对标试验为节约成本，减少试验次数，将初始模型与试验结果对标，得到准确的气囊模型，便于后续优化。3.1 气囊展开姿态验证根据US-NCAP 2019 56FRB工况测试要求设置前后排座椅，同时按照预先布置位置安装后排气囊模块。气袋折叠采用上下Z字折叠和左右卷折。通过高速相机记录点爆展开过程，如图6所示，根a 点爆试验0 msb 点爆试验7 msc 点爆试验12 msd 点爆试验20 mse 点爆试验 30 msf 仿真模型0 msg 仿真模型7 msh 仿真模型12 msi 仿真模型20 msj 仿真模型30 ms图6 不同时刻气袋展开姿态对标1-气囊；2-座椅靠背夹具；3-冲击头；4-辅助块图7 线性冲击试验对比质量流/（kgs-1）时间/ms2.52.01.51.00.50100806040200250200150100500压力/kPa质量流压力图5 质量流率/压力曲线a 试验侧视图b 试验俯视图c 试验轴测图d 仿真模型侧视图e 仿真模型俯视图f 仿真模型轴测图据不同时刻气袋的展开姿态，将仿真结果与试验结果进行对标，可以发现仿真气袋展开与试验气袋展开基本接近，验证了气囊模型的有效性。3.2 气囊模型刚度对标安全气囊接触刚度直接影响假人头部、颈部、胸部的伤害值，而泄气孔面积与气袋刚度成反比，故调整泄气孔的大小可以控制展开气袋的刚度。制作气囊样件进行线性冲击测试，泄气孔直径定义为0 mm，作为单因子变量。模拟假人撞击气袋，用1块冲击板模拟假人头颈胸，冲击头质量为33 kg，冲击速度为4.5 ms，测量冲击头的加速度、速度、动能等参数以及气袋内压，最后在仿真模型中对模型参数进行对标。如图7所示，仿真气袋展开形态与试验展开形态基本一致；从图8可以看到，试验结果1、试验结果2和仿真结果基本一致，验证了气囊模型刚度的有效性。24第37卷 第2期4后排气囊CAE分析为探究后排气囊的防护效果，选择较为严苛且冲击能量较大的56FRB工况进行约束系统仿真，分析乘员的伤害情况。4.1 乘员动力学响应为了验证后排气囊的有效性，有必要对约束系统参数进行优化，如表1所示，工况V01无后排气囊，工况V02带后排气囊。为了改善假人胸部变形量且降低安全带成本，工况V02中，将安全带限力从5.5 kN减小到4 kN；同时设置后排气囊点火时刻早于安全带点火时刻2 ms，有利于安全带和后排气囊协同约束假人，获得更好的伤害值；其余设置与原有设置相同，前排座椅设置在滑轨中间，座椅高度设置在上下可调节区域的中间位置。将简化后的约束系统模型提交运算，乘员运动学响应如图9所示。气囊相对于乘员展开后，与乘员胸部和头部产生接触，且气囊包型完全匹配假人姿态（48 ms）；假人继续向气囊运动，气袋内压使拱形张力对假人惯性冲击力产生缓冲（68 ms）；假人继续向气囊运动，气囊厚度继续对假人冲击力提供缓冲（80 ms）。图9 不同碰撞时刻的乘员响应a 16 msb 24 msc 32 msd 48 mse 68 msf 80 ms表1 约束系统参数类型安全带限力/kN安全带点火时刻/ms气囊点火时刻/ms工况V015.518无工况V0241816加速度/（ms-2）时间/s8060402000.0400.080.120.160.20a 冲击头加速度曲线位移/m时间/s0.400.300.200.1000.0400.080.120.160.20c 冲击头位移曲线速度/（ms-1）时间/s420-20.0400.080.120.160.20压力/bar时间/s1.00.80.60.40.200.0400.080.120.160.20b 冲击头速度曲线d 气袋内压曲线试验结果1试验结果2仿真结果图8 线性冲击试验曲线图陈勇：自适应后排气囊概念设计及验证 252023年6月湖北汽车工业学院学报4.2 乘员伤害分析通过传感器测量假人各部位的伤害值，与NCAP规程规定的高低性能限值进行对比。高低性能限值分别对应指标的最小值和最大值，56FRB工况后排女性假人各部位伤害指标如表2所示。表2 56FRB工况后排Hybrid III假人伤害指标位置头部颈部胸部类型头部伤害指数HIC15压缩伸展Nce压缩屈曲Ncf拉伸伸展Nte拉伸屈曲Ntf压缩变形量Rmax/mm指标5007000.510.510.510.512552根据US-NCAP 2019关于假人伤害值指标的计算方法7，分别计算假人头颈胸的伤害值。HIC15指头部伤害指标，时间为接触后15 ms，计算公式为AR=A2x+A2y+A2zHIC15=()t2-t1 ()t2-t1-1t1t2ARdt2.5t2-t1 15 ms（1）式中：Ax、Ay、Az为3个方向的加速度。Nij指颈部伤害指标，其中ij代表了四重伤害机制，即Nte、Ntf、Nce和Ncf，计算公式为Nij=FzFzc+MyMyc（2）式中：Fzc为颈部伸张力，取4200 N和-6400 N；Myc为颈部伸张弯矩，取88.1 Nm和-117 Nm。在LS-Dyna中运算假人伤害值，如表3所示，对比发现：从工况 V01 到工况 V02，安全带限力从 5.5 kN 调至4 kN后，HIC15从超限值显著降低，达到高性能指标限值；同时Rmax减小，达到高性能指标限值；Nce上升，不满足高性能指标；Ncf上升，仍满足高性能指标；Nte下降，不满足高性能指标；Ntf下降，满足高性能指标。工况V02假人综合伤害值明显优于工况V01，说明后排气囊能有效降低假人的伤害。表3 56FRB工况乘员关键部位伤害值类型HIC15NceNcf工况V018230.480.05工况V024520.650.16类型NteNtfRmax/mm工况V010.940.9233.9工况V020.590.1623.15整车碰撞试验5.1 约束系统物理碰撞试验将仿真模型转化为约束系统物理模型，验证2种工况假人的伤害情况和约束系统保护性能。碰撞后16 ms时刻，气囊开始充气；1648 ms气囊在展开阶段，48 ms时刻气囊完全展开并达到指定位置，假人开始跟气袋接触，气袋开始提供支撑给假人；4880 ms气囊对假人提供有效保护。通过对比发现（图10）：工况V02下，假人被安全带和后排气囊有效约束，假人头颈响应姿态明显改善。a 工况V01下16 msb 工况V01下24 msc 工况V01下32 msd 工况V01下48 mse 工况V01下68 msf 工况V01下80 msg 工况V02下16 msh 工况V02下24 msi 工况V02下32 msj 工况V02下48 msk 工况V02下68 msl 工况V02下80 ms图10 不同工况和时刻假人姿态 26第37卷 第2期5.2 乘员伤害值对比分析实车碰撞伤害值计算如表4所示，通过2种工况实车碰撞对比发现：工况V01下，HIC15高达812，超出假人头部所能承受的极限值，故直接判定假人所有部位得分均为0，最终得分为0。工况V02下，安全带限力减小后，HIC15降低，Rmax降低；Nce上升，不满足高性能指标；Ncf上升，仍满足高性能指标；Nte下降，不满足高性能指标；Ntf下降，满足高性能指标，颈部综合伤害减低，最终得分0.78。假人未有关键部位超极限值，总伤害评估为92.7%，达到US-NCAP 2019 五星要求。实车碰撞下，假人伤害值基本与仿真结果一致，进一步验证了后排气囊对乘员保护的有效性。表4 乘员关键部位伤害值及得分类型HIC15NceNcfNteNtfRmax/mm工况V01测试值8120.460.020.910.8733.7得分01.01.00.180.260.68总分00.180.68工况V02测试值4380.610.110.550.122.5得分1.00.781.00.91.01.0总分1.00.781.06结论严苛工况下后排乘员约束系统安全面临挑战，文中提出了自适应后排安全气囊的设计理念。通过CAE分析及整车碰撞试验，对比有无后排气囊工况下乘员的动态响应和伤害指标。配置后排气囊后，对乘员的防护性能较好，主要伤害值指标均低于US-NCAP限值，满足乘员保护要求；同时降低了安全带的限力值，降低胸部挤压，改善了乘员胸部伤害值。文中研究的后排气囊尚处于前期可行性研究阶段，存在局限性。文中仅聚焦Hybrid III 05th女性假人的安全保护性能，未考虑其他体型假人的保护性能，同时后排不带安全带、离位等工况的研究未触及，后续将对2种工况下后排气囊的布置及包型设计进行完善。参考文献：1 Wang Z，Yu H L，Cui T S，et al.Research on a New Airbag in the Seat back of VehicleM/Lecture Notes inElectrical Engineering.Berlin，Heidelberg：Springer Berlin Heidelberg，2012：193-199.2高志俊，钱宇彬，张绍卫.汽车侧面碰撞下安全气囊对后排乘员的损伤防护研究 J.农业装备与车辆工程，2019，57（12）：72-77.3洪亮，葛如海.正面碰撞中轿车前排头枕气囊对后排乘员的保护影响分析 J.机械科学与技术，2015，34（9）：1427-1430.4 Mitchell R J，Bambach M R，Bambach M R，et al.InjuryRisk for Matched Front and Rear Seat Car Passengers byInjury Severity and Crash Type：an Exploratory Study J.Accident;Analysis and Prevention，2015，82：171-179.5张雷，苑子君，李石，等.后排安全带气囊技术研究 J.汽车实用技术，2017（20）：49-50.6 Gartner E.Use of Innovative Rear Seat Restraint Systemsin Mercedes-Benz Vehicles Using the Belt Bag and RearAirbag as Example J.VDI Baricite，2022，2387：3-18.7 NHTSA.New Car Assessment ProgramS/OL.http：/www.safercar.gov，2019.bile Devices C/2018 IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition.IEEE，2018：6848-6856.19Xie S N，Girshick R，Dollr P，et al.Aggregated Residual Transformations for Deep Neural NetworksC/2017 IEEE Conference on Computer Vision and PatternRecognition（CVPR）.IEEE，2017：5987-5995.20郭昕刚，纪超群.一种轻量级目标检测算法 J.长春工业大学学报，2021，42（3）：267-273.21Lin T Y，Goyal P，Girshick R，et al.Focal Loss for DenseObject DetectionC/2017 IEEE International Conference on Computer Vision（ICCV）.IEEE，2017：2999-3007.22Bitfsd.FSACOCO EB/OL.（2021-05-30）2022-03-10.https：/ EB/OL.（2020-02-12）2022-3-22.https：/ 27