陈珣，王莹

校车主动式安全气囊包形参数优化设计*

陈珣，王莹

（无锡职业技术学院，江苏 无锡 214121）

为提高校车乘员约束系统在正面碰撞中对儿童乘员的保护效果，提出一种新型主动式校车儿童安全气囊。在经台车试验验证的某校车乘员约束系统12岁乘员正面碰撞MADYMO仿真模型的基础上，建立主动式安全气囊的仿真模型。通过调整气囊内拉带的长度来改变气囊形状，分析拉带长度对乘员保护效果的影响，并进行正交试验，得到最优包形。与原始约束系统相比，优化包形后的气囊使12岁乘员的头部、胸部和颈部伤害分别下降85.7%，14%以及86.2%，完全伤害评价WICs下降了63.3%，保护效果显著改善。

校车；安全气囊；包形；参数优化

引言

据不完全统计，自2010年到2018年，全国共发生有乘员伤亡的校车事故175起，共造成969人受伤，266人死亡，[1]校车安全问题愈发引起社会关注。根据国标《专用校车安全技术条件》[2]，目前，校车在车内对乘员的约束系统主要为两点式安全带和前后排座椅。

但李志刚等[3]研究发现，使用两点式安全带，在正面碰撞中，儿童乘员颈部容易遭受严重伤害。胡国武[4]研究表明，三点式儿童安全带约束系统在低速碰撞时对儿童的保护较好，但在高速碰撞时反而伤害增大。

为了提升校车乘员约束系统对儿童乘员保护的主动性和保护效果，在原校车儿童乘员约束系统的基础上增加一常开式校车安全气囊，通过气囊的排气节流阻尼来吸收碰撞能量，降低儿童乘员的伤害。[5]

本文以某校车乘员约束系统的正面碰撞仿真模型为基础，建立了主动式安全气囊模型，并以12岁儿童乘员伤害水平为目标，对包形参数进行仿真优化，确定出合适的安全气囊包形参数。

1 校车12岁儿童乘员约束系统模型

1.1 原校车12岁儿童乘员约束系统模型

根据标准[6]，采用Hybrid Ⅲ第5百分位女性假人模拟12岁儿童乘员，进行了校车乘员约束系统正面碰撞的台车试验。根据试验数据，采用多刚体动力学软件（mathematical dynamic model，MADYMO）建立包括地板、前后排座椅、Hybrid Ⅲ第5百分位女性多刚体假人及两点式安全带在内的校车12岁儿童乘员正面碰撞仿真模型，如图1所示，并验证了其有效性。仿真模型与台车试验结果如表1所示。

图1 校车儿童乘员约束系统模型

表1 仿真模型与台车试验结果对比

1.2 校车主动式安全气囊概念设计

传统气囊碰撞后瞬间点爆充气展开，其起爆时的巨大冲击会对离位儿童的头部和颈部造成重大伤害。为降低气囊起爆冲击伤害并限制儿童离位，现提出一种常开式校车主动式安全气囊装置[5]。该校车主动式安全气囊安装于前排座椅靠背背面的盒体中，车辆检测到有乘员落座且达到规定车速时，气囊充气向后排展开，限制儿童乘员离位活动，有效约束后排儿童乘员的乘坐姿势，并在儿童乘员周围形成吸能缓冲保护层，实现碰撞、紧急制动等工况下对校车儿童乘员的保护。当校车停车时，驾驶员可关闭气囊，气囊泄气自动收回，方便乘员上下车。

1.3 校车主动式安全气囊模型的建立

由于小学校车座椅不可调，所以在座位上，12岁儿童占据空间最大，为保证气囊可保护所有乘员且同时不压迫乘员，以12岁儿童为基准进行包形设计。在CATIA的Human builder模块中调用美国5%女性人体模型，模拟我国12岁儿童乘员，并调整人体模型位置及各关节角度，使其处于舒适坐姿，根据人体模型的多种坐姿轮廓，初步建立气囊的几何模型。12岁儿童乘员的重点保护部位为头部、颈部和胸部，但考虑到气囊保护应兼顾小体型6岁儿童，且能对小体型儿童起到防离位下潜的功能，所以在乘员膝部也应有气囊。最终确定气囊包形为一种横置柱形，假人的保护范围为头部、颈部、胸部和腿部。将气囊几何模型进行有限元网格划分并导入建立好的MADYMO模型中，调整气囊位置，与前排座椅靠背相固定，在气囊内部与假人头部、上胸部、下胸部以及膝部高度相对位置各建立一根拉带控制气囊膨胀厚度，如图2所示。

图2 校车儿童安全气囊模型

2 针对12岁乘员安全气囊优化参数选取

2.1 优化目标的确定

以加权伤害准则（weighted injury criteria，WIC）为优化目标，因第5百分位女性假人颈部在校车正面碰撞中最易受损，在原有加权伤害准则WIC中增加颈部Nij，并根据国标[6]调整假人HIC15，T3ms的评价上限[7]，该损伤准则表达式为：

公式1中：HIC15为头部伤害指标，Nij为颈部伤害指标，T3ms为胸部3ms合成加速度的值（单位g），FFCL和FFCR分别为左右大腿轴向力（单位N）。

2.2 优化参数灵敏度分析

以气囊拉带长度作为气囊包形调整的设计参数。为了减少参数数量，找出对气囊包形影响较大的拉带，就四根拉带对校车第5百分位女性假人的伤害指标的影响进行灵敏度分析，研究它们对第5百分位女性假人伤害的影响。仿真计算时，依次改变A、B、C、D四根拉带其中一根的长度，其他拉带保持原长不变。共进行8组运算，数值安排如表2所示：

表2 灵敏度分析设计表

根据以上试验安排，模拟仿真计算所得乘员伤害指标如表3所示，其中0号为基础模型。

表3 灵敏度试验乘员伤害指标

拉带影响气囊对乘员保护效果的灵敏度通过乘员伤害指标的变化率来进行评价，即：

灵敏度越大，说明该拉带长度的变化对校车乘员伤害的影响越大。若计算值为负数，则说明伤害下降。所得各拉带长度变化对乘员各部位伤害的影响如图3所示。

图3 灵敏度分析结果

由图3可知，所有乘员伤害指标对腿部拉带D长度的改变都不敏感，因此排除此参数。完全伤害评价指标WICs对上胸部拉带B以及下胸部拉带C长度的改变比较敏感，对头部拉带A的敏感程度较弱，但头部HIC15和颈部Nij对拉带A长度改变比较敏感，而这两个指标又是校车乘员正面碰撞时的重要评价，所以将头部拉带A、上胸部拉带B以及下胸部拉带C选取为优化参数。

最终确定优化参数为拉带A、B、C的长度。

3 正交试验优化设计

3.1 因素水平的选取

根据灵敏度分析结果，发现WICs在拉带增长时变小、拉带缩短时变大，且在各拉带缩短和伸长长度相同时，WICs增幅比降幅要大。但乘员各部位伤害指标变化趋势和WICs并不完全一致，T3ms在A、B拉带长度缩短或增长时都增大，Nij在B拉带长度缩短或伸长时都减小，HIC15在C拉带增长和缩短时分别小幅增大和减小。所以综合考虑乘员各项伤害水平降到最低，优化参数拉带长度在水平选取时，在原值的基础上增大和减小，且增大的水平高于减小的水平。拉带长度增大水平受气囊膨胀厚度限制，以气囊的膨胀极限作为拉带长度上限。

最终确定拉带的变化水平为四个，包括原长度一个，缩短长度一个，增长长度两个，如表4所示。

表4 因素水平表

3.2 正交试验

对气囊拉带A、B、C的长度这三个参数，进行三因素四水平的正交试验设计。正交试验表及试验结果如表5所示。通过直接观察发现，第14组试验的WICs值最低，A4B2C3为正交试验表中的最佳组合。

表5 正交试验结果

3.3 极差分析

分析上表发现，以上参数对乘员完全伤害指标WICs的影响主次关系是上胸部拉带B长度>头部拉带A长度>下胸部拉带C长度，其中，拉带B长度的影响最大，这是由于上胸部拉带长度的改变会同时影响气囊到乘员头部和胸部的距离，引起乘员头部、颈部和胸部这三个主要伤害的值都发生变化。拉带A水平4时，WICs的均值最小，拉带B水平4的WICs优于其他水平，拉带C水平3效果最好，因此，气囊包形的拉带长度最优组合为A4B4C3。查看正交试验表，其中没有这组最优组合，按此组合进行第17次MADYMO仿真试验。将试验结果与原模型、正交试验表中的最佳组合14号试验以及无气囊原模型的伤害数据进行比较，如表6所示。

表6 正交优化结果对比

4 优化结果分析

4.1 最优包形选取分析

观察表6可知，采用极差分析优化后的最优组合17的乘员完全伤害指标WICs较试验原模型有所下降，但比正交试验表中的最佳组合14略高。经比较，发现包形17主要降低了头部HIC15和颈部Nij，二者分别下降了27%和7.8%，但胸部伤害T3ms并未有所改善，反而略微上升了1%。而14号包形试验中，乘员的头、颈、胸部的伤害都得到了改善，虽然头部HIC15下降幅度低于最优组合，但胸部T3ms和颈部Nij两个伤害指标都比17号包形的改善效果好，且两腿之间的轴向力之差更小，受力更平衡。

根据标准[6]，HIC15的极限值为500，T3ms的极限为30g，颈部Nij的极限值为1，腿部轴向力的极限为10000N。17和14号包形试验结果中，乘员头、颈、腿部的伤害值都离标准极值较远，而胸部伤害T3ms离标准极值较近。为达到较好的乘员全面保护效果，选择胸部伤害较低的14号包形作为最优包形。

4.2 最优包形对12岁儿童乘员保护效果分析

与气囊优化前相比，参数优化后最优气囊对乘员头部HIC15和颈部Nij分别下降10.7%和13.0%，保护效果明显提升，胸部T3ms下降4.4%，完全伤害指标WICs下降6.2%，不过腿部伤害指标FFCL和FFCR改善不明显，但由于所有伤害指标都比极限值[6]低很多，所以对乘员总体保护效果良好。

与没有使用安全气囊的原约束系统相比，头部HIC15、T3ms、颈部Nij分别下降了85.7%，14%以及86.2%，完全伤害评价WICs下降了63.3%，降幅显著；左右大腿轴向力一升一降，总体受力大小几乎不变，但左右大腿轴向受力更加均衡，最大值下降，保护效果提升。

5 结论

1）与仅使用两点式安全带相比，添加安全气囊后乘员约束系统对12岁儿童乘员的保护效果显著提升，特别是头部和颈部。

2）气囊的拉带长度对12岁乘员损伤有影响，即气囊自身膨胀厚度改变乘员和气囊间距离，从而影响保护水平。

3）拉带中上胸部拉带长度对成员的总体伤害水平影响最大，即气囊到乘员颈部和上胸部的距离对乘员保护影响显著。

4）本文仅从气囊包形对乘员保护效果方面进行研究，后续可对气囊的充气压力、泄气孔截面积等控制参数进行研究，进一步降低乘员伤害。

[1] 潘立军,刘喜梅.校车安全事故故障树分析及安全运营对策研究[J].湖南社会科学,2019(04):127-132.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB24007-2012,专用校车安全技术条件[S].北京:中国标准出版社,2012.

[3] LI Zhi-gang,GE Hao, ZHANG Jin-huan, ZHU Yong-hua. The neces -sity of evaluating chile neck injury in frontal collision of school bus for transportation safety[J]. Safety Science, 2014, 62: 441-449.

[4] 胡国武.汽车碰撞中儿童乘员的损伤及防护研究[D].广州:华南理工大学,2011.

[5] 葛如海,应龙,陈珣.校车用主动式儿童安全气囊装置及其控制方法:CN103786681A[P].2014-05-14.

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB24006-2012,专用校车学生座椅系统及其车辆固定件的强度[S].北京:中国标准出版社,2012.

[7] 葛如海,陈珣,张学荣,等.校车儿童安全气囊安全性仿真分析[J].中国安全科学学报,2015,25(3):9-15.

Parameter Optimization for the Shape of School Bus Active Airbag*

Chen Xun, Wang Ying

（Wuxi Institute of Technology, Jiangsu Wuxi 214121 )

In order to improve the effect of school bus restraint system for child occupant during frontal crash, a new active school bus airbag is proposed. Based on the MADYMO simulation model of a 12-year-old school bus occupant restraint system, which was verified by sled test, the simulation model of active air bag is established. By adjusting the length of airbag straps, the shape of the airbag is changed. The optimal shape is proposed by sensitivity analysis and orthogonal experiment of strap length. Compared with the original restraint system, the head, chest and neck injuries of 12-year-old passengers are reduced by 85.7%, 14% and 86.2% after the optimization of the bag, the WICs is also reduced by 63.3%, and the protection effect is significantly improved.

School bus; Airbag; Airbag shape; Parameter optimization

A

1671-7988(2020)24-41-04

陈珣（1990.2-），女，江苏扬州，汉，硕士研究生，助教，就职于无锡职业技术学院，研究方向：汽车安全技术。

U461.91

A

1671-7988(2020)24-41-04

无锡职业技术学院校级课题（名称：校车主动式安全气囊的防护效率与气袋结构研究，编号：ZK201504。）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.014

CLC NO.: U461.91