汽车正面碰撞安全气囊缓冲特性多目标优化探究

汽车行业不断发展，逐渐提高了汽车持有量，人们也高度关注汽车安全问题。安全气囊利用气体快速膨胀，可以保护乘员，避免碰撞问题伤害人体健康。当前安全气囊触发机理存在不完善问题，例如气囊虽然可以避免乘员发生严重的碰撞损伤，但是也可能会伤害乘员。因此需要优化汽车安全气囊使用性能，提高气囊触发的精准性，有利于进一步优化汽车安全性能。本文利用 MADYMO 软件优化安全气囊缓冲效果的参数，切实保障乘员的安全性。

一、汽车安全气囊的重要性

在现代汽车安全技术中，汽车安全气囊发挥重要的作用，当汽车遭受碰撞之后，气囊快速膨胀可以保护乘员的安全性，避免出现严重的伤害【1】。安全气囊可以快速膨胀形成软垫，避免乘员直接撞击车内方向盘和仪表板等硬物，尤其可以保护乘员的头部和胸部等。利用正面碰撞气囊，可以对驾驶员和前排乘客发挥保护作用，避免出现致命损伤。利用侧面气囊和窗帘气囊，可以对侧面撞击发挥出保护作用。同时及时落实缓冲保护，可以优化车辆的减伤率。

配置安全气囊关系到车辆乘员的安全性，同时在汽车安全评级中安全气囊属于重要的因素。优化安全气囊设计工作，可以提高汽车的竞争力，同时可以推动整个汽车行业的发展，提高整体安全标准。

汽车安全气囊可以在发生碰撞的时候保证汽车安全性，在最大程度上保护乘员安全，提高汽车安全评价水平，促进现代汽车安全系统的可持续发展。当前在汽车设计过程中，需要实现安全气囊的安全创新。

二、汽车正面碰撞安全气囊缓冲特性多目标分析

（一）乘员保护效果相关目标

在汽车正面碰撞事故中，头部很容易受到伤害【2】。头部伤害常见类型为脑损伤，将会引发严重的后果。头部伤害指标 HIC 值是对头部受伤程度衡量的重要参数，可以将头部承受的加速度和作用时间反映出来。HIC 值通过计算头部合成加速度在一定时间间隔内的积分，计算值较大，说明头部承受较大的风险。安全气囊缓冲特性和 HIC值之间具有紧密的联系，优化安全气囊缓冲特性，合理降低汽车碰撞时头部加速度值和作用时间，合理减少 HIC 值，可以有效保护头部。

胸部在汽车正面碰撞中也很容易受到损伤，常见的损伤形式包括肋骨骨折。对胸部损伤程度评价的过程中利用胸部压缩量，可以将碰撞过程中胸部被压缩的程度反映出来，如果压缩量过大，将会提高肋骨骨折和内脏损伤的发生率。对碰撞阶段胸部承受的加速度进行分析，主要是利用胸部 3ms 合成加速度，如果加速度过高，胸部将会承受较大的作用力，引发损伤问题。安全气囊缓冲特性关系到胸部伤害指标，优化缓冲特性，可以对胸部承受的冲击力给予分散，保证胸部压缩量和 3ms 合成加速度在合理范围内，避免引发严重的胸部损伤。

（二）气囊自身性能目标

气囊展示开始关系乘员保护效果，如果过早地展开气囊，不利于发挥出气囊的缓冲作用，而且还会因为气囊膨胀阶段的冲击力上海乘员。如果气囊开展时间比较晚，乘员已经接触到车内硬物，这时已经无法发挥出气囊的保护作用【3】。气囊展开时间的主要影响因素为点火时刻，提高点火时刻控制的精确性，保证乘员在没有接触车内部件的时候已经展开气囊，可以充分发挥出保护作用。

合理控制充气压力，关系到乘员保护作用。如果压力比较高，乘员接触气囊的时候会受到较大的冲击力，从而伤害到乘员的头部和胸部等。如果压力比较低，不利于发挥出气囊保护作用。气囊充气压力的主要因素为气体质量流量，如果气体质量流量较大，在短时间可以形成较大的压力，如果力量较小，将会降低充气速度，压力不符合标准。此外气囊材料和形状等也会影响到充气压力。

三、汽车正面碰撞安全气囊缓冲特性多目标优化

（一）建立成员约束系统数值模型

利用 MADYMO 软件构建汽车乘员约束系统模型，如下图所示。在该模型中，触发形式包括以下几种类型：1.人体和汽车内部接触。2.人体和安全气囊、安全带的接触。3.安全气囊和安全带接触，同时涉及气囊自身接触。在前两种接触种，接触表面穿透力和刚体接触刚度关系到接触力大小，通过调整穿透量和卸载曲线等，可以确定刚体接触阶段中产生的非线性弹性力和粘滞阻尼力。

图 1 汽车乘员约束系统数值模型

（二）汽车碰撞中人体损伤响应评价

1. 头部损伤评价：在车辆正面冲击中，头部很容易发生损伤，这也是安全气囊的重要保护对象。对安全气囊保护性能评估的过程中，需要对头部损伤程度进行分析，可以利用以下公式计算头部损伤的 HIC 值。

上式中 a（t）代表碰撞阶段头部质心合成加速度。 t₂-t₁ 代表头部损伤最大值的时间间隔，在实际应用中设置 36ms 为最大时间间隔，HIC 值耐受限度为 1000

2. 胸部损伤：胸部是另一个需要保护的器官，在汽车碰撞阶段，安全带对成员胸部会产生限制作用，因为人体惯性影响，可能会引发肋骨断裂等损伤【4】。人体胸部受伤最大容限，指的是在胸部受力的线性加速度超过 60g 短时间在 3ms 范围内。

（三）安全气囊缓冲特性多目标优化

1. 气囊缓冲特性多目标优化问题的描述

如果汽车出现正面碰撞的情况，乘员的头部和胸部是最容易受到损伤的部位。为了优化气囊缓冲特性，一方面需要调整充气速度，另一方面需要调整充气压力，设计变量包括充气速率缩放系数和充气时间缩放系数，多目标优化问题可以利用下式表示：

Min fH（xs，ys）

fT（xs，ys）（2）

0≤x_s≤2 ， 0≤y_s≤1.5

上式中，f 代表颈部损伤，f 代表胸部损伤。 x_s 代表安全气囊充气速度缩放系数，ys 代表充气时间缩放系数。

2. 微型多目标遗传算法

多目标优化问题的求解往往由一组不能互相对比的求解过程构成，这类问题被称为“非劣解”或 Pareto 解。与经典的高维多目标优化方法相比，多目标遗传算法不仅能够求解多个 Pareto 最优，而且无需任何数学前提，也适用于各类目标函数与限制。该方法以微小型遗传算法为理论依据，利用小型群体，提高了求解效率。

3. 优化结果和分析

利用微型多目标遗传算法，求解式（2）描述的多目标优化问题。下图为迭代 200次之后目标函数值获取的最优解集在目标空间的象点。结合下图可以确定，最优解分布具有均匀性特点。

图 2 安全气囊缓冲特性多目标优化结果