【精品文档】-汽车侧面帘式气囊研究现状及发展趋势

根据我国2003～2006年交通事故统计数据分析［1～4］，侧面碰撞是我国交通事故中伤亡率最高的一种事故形态。

这一方面是因为我国道路交通情况复杂，车型混杂，更容易发生车辆的侧面碰撞；另一方面是因为车内乘员距离车体侧面结构很近，侧面碰撞发生时，通过变形来吸收碰撞能量的空间结构较少，这就造成侧面碰撞更容易对乘员带来伤害。

侧面碰撞对乘员的伤害主要集中在头部、颈部、胸部、腹部、骨盆等处，其中，头部和颈部的伤害更容易夺去乘员的生命，因此，侧面碰撞中关于乘员头部、颈部的保护越来越受到人们的关注。

与其他侧面气囊相比较，侧面帘式气囊有更大的保护范围，当气帘展开时，能够像帘子似的覆盖住车窗，这样就避免了车内前后排乘员与车身侧面结构以及车体外界空间的直接接触，在侧面碰撞和翻滚事故中可以对乘员起到极大的保护作用。

因此，侧面帘式气囊得到了人们越来越多的认可和重视。

1汽车侧面帘式气囊的研究现状
1．1侧面柱碰撞试验
汽车碰撞安全法规的制定和实施对汽车安全技术的发展有着巨大的指导和推动作用，它促进了汽车碰撞安全性的普遍提高。

除了碰撞法规之外，NCAP（New Car Assessment Program）是由政府或具有权威性的组织机构，按照比国家法规更严格的方法对在市场上销售的车型进行碰撞安全性能测试、评分和划分星级，并向社会公开评价结果，因此，NCAP得到各汽车厂商的高度重视，并以此作为新产品开发的重要评价依据。

大量交通事故统计分析表明，车辆与树木、灯杆等柱状物发生侧面碰撞而造成乘员伤亡的比例较高，因此，为进一步反映车辆在实际交通中发生侧面碰撞时的保护性能，出现了侧面柱碰撞试验（Side Pole Impact Test）。

目前，各汽车安全法规以及NCAP 越来越重视侧面柱碰撞试验。

Euro NCAP中的侧面柱碰撞试验将要由原来新车评价规程中的加分项改
Starting with the traffic situation，combined with the side pole impact test，this paper provides an overview of research on curtain airbag and its developing trends，which pays more attention on the application of computer simulation technology in the development of curtain airbag．At last，this paper makes a prospect about the development of curtain airbag in our country．
Key words：curtain airbag；side pole impact test；simulation；CFD；folding pattern
收稿日期：2009-06-15
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为必做项。

美国联邦法规FMVSS 214新规定中也引入了75°侧面柱碰撞试验。

各法规及NCAP 中侧面柱碰撞试验项目对比如表1所示，试验配置示意图如图1、图2所示。

表1
法规及NCAP 中侧面柱碰撞试验项目对比
图1
Euro NCAP 柱碰撞试验
图2FMVSS 214柱碰撞试验
侧面柱碰撞主要会对乘员的头部造成很大伤害，目前来说，采用加装侧面帘式气囊在侧面柱碰撞时对乘员头部进行保护是最为行之有效的。

因此，随着侧面碰撞新法规的不断发展和推行，帘式气囊的装车率势必逐渐提高，这也迫使各汽车厂商加快了研究开发侧面帘式气囊的步伐。

1．2侧面帘式气囊的特点
侧面帘式气囊最早简称为IC （Inflatable Cur-tain ），也可以简称为CAB （Curtain Airbag ）。

IC 侧撞防护气帘是沃尔沃侧撞防护系统自1991年开始设计的第3代产品，并在1998年将其引入到生产的某
车型中。

帘式气囊模块主要包括：气体发生器、导气管、气袋、拉带、线束等，常见的帘式气囊有气体发生器后置式（见图3）和气体发生器中置式（见图4）。

帘式气囊结构示意图如图5所示。

图3气体发生器后置式帘式气囊
图4
气体发生器中置式帘式气囊
图5帘式气囊结构
侧面帘式气囊经折叠后安装在车辆侧面顶篷横
梁和内饰板之间，侧面碰撞发生时，传感器检测到碰撞信号，电子系统接收并处理传感器送来的信号，当经计算判断需要打开帘式气囊时，触发装置立即发出点火信号点爆气体发生器，气体发生器收到信号后立即产生大量气体，通过导气管及导气管上分布
的导气孔将气体充满气袋，充满的气袋可以避免乘员与车体侧面结构以及外界空间的直接接触，起到缓冲作用，能够有效地保护乘员的头部和颈部，降低乘员伤害，侧面帘式气囊在车辆侧面结构中展开状态如图6所示。

图6
帘式气囊展开状态
与其他气囊相比，侧面帘式气囊有其自身的特点。

由于侧面碰撞的时间历程比正面碰撞的时间历程更短，帘式气囊的体积又比其他气囊的体积大得多，因此其气囊展开感应系统比正面碰撞中的气囊展
Euro NCAP
FMVSS 201
FMVSS 214
（Oblique Pole Test ）
车速／km ·h －1292932碰撞角度90°90°75°碰撞柱直径／mm 254254254使用假人
一个Euro－2
一个SID－H3
两个ES－2re 或
SID IIS
刚性柱直径=254mm
θ
准
V
D 75°HC
气体发生器
导气管
气袋
拉带
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开感应系统能更快地区分出碰撞情形，并在更短的时间内产生足够多的气体充满气帘，这就对帘式气囊的传感器系统、气体发生器系统提出了更高的要求。

1．3仿真技术在侧面帘式气囊研究中的应用自从出现安全气囊开始，对气囊系统的研究主要是采用试验手段，通过试验手段可以真实有效地验证气囊的展开特性，对设计改进气囊起到指导作用。

但是由于气囊折叠复杂，充气展开过程迅速，所以很多问题是难以通过试验手段解决的，比如观察气囊展开过程中与乘员不同部位的接触碰撞等。

另外，试验手段成本高，具有破坏性、不可重复性。

与试验手段相比，计算机模拟仿真技术具有减少试验次数，缩短产品开发周期，降低成本费用，不受时间、空间、气候等条件限制等诸多优点，可以解决许多试验手段不能解决的问题，而且计算机仿真技术可以在气囊设计开发阶段对其性能进行预测，具有指导作用。

因此，汽车安全气囊的计算机仿真技术越来越得到人们的重视。

同样，在对侧面帘式气囊系统的开发研究中，计算机仿真技术也扮演了重要的角色。

目前，常见的仿真分析软件有MADYMO、LS－DYNA、PAM－CRASH等。

1．3．1气囊充气模型
侧面帘式气囊仿真技术应用的关键问题是仿真模型与实际模型的逼近程度。

仿真模型与实际模型越接近就越能反映实际情况，对产品设计开发的指导作用就越大。

在建立仿真模型时，气囊充气展开模型的选择对如实反映气囊展开过程至关重要。

目前气囊充气展开过程的数学模型主要有均匀压力模型（UP）和计算流体力学模型（CFD）。

UP模型将气囊看成是不断扩大的控制容积，气体的流入和流出以质量流量计算。

并假设控制容积内部的气体是理想气体，且内部的温度和压力都是均匀的，热容量系数为常数，与外界没有热量交换。

在气囊完全展开后，气囊内部气体可以近似认为温度和压力是均匀的，此时气囊与假人的接触情况可以用UP模型来精确模拟。

但是，气囊在充气展开过程中，气袋内部的压力和温度并不是处处相等的，气体处于高速的流动状态，因此UP模型不能真实地模拟气囊的充气展开过程。

比较准确的方法是建立基于计算流体力学（CFD）的气囊模型，进而对侧面帘式气囊的展开过程进行仿真分析。

1．3．2导气管模型
侧面帘式气囊体积比其他气囊要大，而且基于侧面碰撞的特点，侧面帘式气囊需要在极短的时间内充气展开，所以，侧面帘式气囊系统的气体发生器必须在短时间内产生大量的气体并且尽快通过导气管将这些气体输送到气袋的各个气室里面。

导气管一端与气体发生器相连，另一端开口，在导气管上面开有导气孔，气体发生器产生的气体通过这些导气孔以及导气管另一端的开口充满气袋。

导气管的形状、内径尺寸，以及导气管上导气孔的尺寸、位置分布等参数对整个帘式气囊的充气性能有很大的影响。

要对这些参数进行合理的优化设计仅仅依靠试验手段是不够的，目前多采用基于计算机仿真模型来对其进行分析优化设计、图7为某气帘内导气管的有限元仿真模型。

图7导气管有限元仿真模型
导气管建模的难点在于导气管结构复杂，形状不规则，网格尺寸不能过大，但是网格尺寸太小又会增加仿真计算时间。

另外，仿真建模时，导气管模型和气袋模型的配合问题也是一个难点。

1．3．3帘式气囊的折叠
帘式气囊的折叠方式对其展开过程有很大影响，合理的折叠方式可以快速、平顺地打开气囊，提高气囊对乘员的保护效能，减少乘员伤害程度。

帘式气囊常见的折叠方式有卷入式折叠、平面直接折叠，或者这两种折叠方式的结合使用。

采用计算机仿真技术可以帮助优化气囊折叠方式。

研究帘式气囊完全展开后与乘员的接触情况时，可以不考虑气囊的折叠，只需用投影法（project）在HYPERMESH里建立气囊的初始网格和参考网格，进而建立整个气囊模型。

但是由于后排乘员一般都紧贴汽车侧面乘坐或者和侧面间距很小，帘式气囊很有可能在展开过程中就已经和乘员发生了接触，因此为了更好地保护离位乘员，就必须研究帘式气囊的展开过程。

要研究帘式气囊的展开过程就不能简单地用投影法（project）来建立气囊的初始网格，而必须要和实际折叠方式一致，建立气囊的折叠模型。

帘式气囊的折叠仿真可以借助MADY-MO软件中自带的FOLD模块。

1．4内饰板对帘式气囊展开过程的影响
侧面帘式气囊一般折叠成条状，安装在车厢顶篷和内饰板之间，帘式气囊在打开过程中要突破内饰板的束缚，沿着车身侧面结构向下展开，形成窗帘
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形状覆盖住车体侧面。

因此，在装有帘式气囊的汽车上，车厢顶篷上的一些装饰件就变成了性能件，对汽车内饰板的要求就提高了，除了在造型设计和强度设计要满足法规外，还必须考虑其对气帘展开过程的影响。

如果内饰板刚性太大或者加强筋数量太多，可能会造成气囊卡在内饰板里而无法顺利打开，这样就起不到保护乘员的作用了；如果内饰板强度不够则可能会导致内饰板脱落，砸伤乘客。

由此可见，帘式气囊的展开过程和内饰板的结构设计、强度设计有很大关系，内饰板设计以及气囊在车辆上的合理装配是气囊正常展开、起到保护乘员作用的基础。

2侧面帘式气囊的发展趋势
2．1计算机仿真水平的进一步提高
随着计算机仿真技术的发展，传统的基于试验手段的气囊设计开发流程已经逐渐被基于CAE技术的设计开发流程所取代。

侧面帘式气囊与其他气囊相比较，结构更为复杂，充气时间更短，因此计算机仿真技术在侧面帘式气囊开发初期更是有着不可取代的作用。

计算机仿真技术除了具有节省成本，缩短产品开发周期，对设计和改进气囊有巨大作用等优点外，计算机仿真技术也面临着一些挑战，比如仿真模型的可靠性。

到现在为止，侧面帘式气囊仿真在流体力学建模方面以及导气管建模方面的仿真程度还不是很高，要进一步地提高仿真模型的可靠性仍然需要计算机仿真水平的进一步提高。

2．2CFD充气模型的应用
帘式气囊完全展开后，气袋内的压力、温度已处于基本稳定状态，近似处处相等，因此，完全展开后的气囊与假人的接触情况可以用均匀压力（UP）充气模型来精确模拟。

但是如果要准确模拟帘式气囊展开的瞬态过程，则必须要采用基于计算流体力学的CFD充气模型。

经过验证的精确的帘式气囊仿真模型是开展后续优化工作的基础。

通过CFD充气模型对这一展开瞬态过程的模拟，可以确定侧面帘式气囊设计中的一些关键问题，如：展开过程中的压力集中情况，缝纫线会不会开裂，不同折叠方式对乘员的影响，分析帘式气囊的展开时序，以及确定帘式气囊设计中的一些关键参数，如：导气管形状，导气管内径尺寸，充气孔的个数、大小、分布位置等；进而优化气袋形状，缝合线分布等。

3我国侧面帘式气囊的发展前景
侧面帘式气囊是近些年才出现的先进气囊保护技术，主要针对乘客的头部和颈部进行保护，由于其高成本和高技术要求，目前即便是在欧洲，装有侧面帘式气囊的轿车也不超过10％，主要安装在中高档轿车上。

我国对侧面帘式气囊的研究与国外相比起步较晚，技术还不成熟，但随着汽车安全技术的不断推进，我国势必会加大对侧面帘式气囊的研究力度。

3．1新法规的推动
我国道路交通情况多样，车型混杂，这种混合式交通模式更容易发生车辆的侧面碰撞以及车辆与树等柱状物的侧面碰撞。

虽然我国在2006年颁布了GB20071－2006《汽车侧面碰撞的乘员保护》强制法规，但这还满足不了我国的交通道路现状。

我国现行的侧面碰撞试验能够反映车辆在发生侧面碰撞时的响应情况，但却反映不出车辆与树等柱状物撞击时的实际情况，也就反映不出侧面碰撞对乘员头部的威胁。

因此，对我国的汽车碰撞安全法规而言，引入侧面柱碰撞试验是非常有必要的。

相信随着相关法规的制定和推行，必将进一步地推动我国侧面帘式气囊的研究开发工作。

3．2仿真水平的应用及提高
侧面帘式气囊由于出现时间较晚，结构复杂，开发相对困难，因而相应的计算机仿真技术研究更是有着不可取代的作用。

对汽车生产厂商和科研院校而言，应结合计算机仿真技术，加快汽车侧面帘式气囊的研究步伐，推动我国汽车安全技术的发展。

参考文献：
［1］中华人民共和国道路交通事故统计年报［R］．北京：公安部交通管理局，2003．
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［5］朱海涛，孙振东．侧面柱碰撞的研究［J］．交通标准化，2006，（7）：174－178．
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［7］Honglu Zhang，Deren Ma，Srini V．Raman．CAE－Based Side Curtain Airbag Design［J］．SAE，2004－01－0841．
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