## 專案提案：
**汽車安全氣囊系統設計的快速評估與優化方法開發**

##### [English version](https://hackmd.io/@SamuelChang/rJbZlY13Je)

### 摘要
客製化車輛安全氣囊系統的開發一直具有相當大的挑戰性，需要在充氣機彈道調整、安全氣囊模組工程和系統整合方面進行協調努力。這個過程跨越多個研發部門、專業公司和市場部門。雖然機構間合作至關重要，但現有規範不足以定義充氣機的關鍵氣體動力學和性能閾值。因此，傳統的分層和順序開發方法通常會因為迭代最佳化循環而導致專案時間延長，並在原型設計、測試和數值模擬方面產生大量成本。

該專案透過自下而上的模型鏈提出了應對這項挑戰的解決方案，該模型鏈模擬所有開發層級的測試環境。這種方法建立了全面的組件到系統的性能關係。結合自上而下的最佳化過程，模型鏈可以快速識別最佳設計參數，從而顯著縮小微調過程中的搜尋空間。由於透過最佳化獲得了所有必要的參數，因此可以評估每個測試環境中的預測性能並將其發展為每個開發層級的目標。相關團隊可以併行工作。這不僅可以減少專案執行時間，還可以打破目前的順序開發結構，在控製成本的同時提高效率。

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### 背景

NCAP 5 星評鑑是每款新車型設計上的重要里程碑，意謂著車輛安全系統已達到最高標準。該評估包括主動安全系統(active safety)、行人保護(pedestrian protection)，以及最重要的被動安全設備(passive safety)，例如車輛安全氣囊系統。

然而，開發客制化的安全氣囊系統仍然極具挑戰性，因為不同地區的 NCAP 法規各異，每款車型的內部設計也獨一無二。這一過程通常需要多次反覆的迭代，包括昂貴的原型製作、測試和數值模擬，以尋找大致的最佳解決方案。隨著自動駕駛系統的興起，這些挑戰變得更加複雜，因為因為乘客在座位上將擁有更大的空間，因此在碰撞發生時，乘客更可能會採取非標準的座姿，在系統設計方面沿用已久的經驗法則可能很快就將失效。

在所有安全氣囊組件中，氣體發生器(inflator)是負責啟動被動安全系統的核心元件。該機制非常複雜，旨在在幾毫秒(milliseconds)內產生精確的氣體量。充氣機大致分為三種：燃爆式氣體發生器(pyrotechnic inflator)，依靠化學反應產生氣體和熱量；冷氣式氣體發生器(cold gas inflator)，其原理是將高壓氣體儲存在充氣機容積中；以及結合了兩種機制的混合式氣體發生器(hybrid inflator)。上述所有充氣機型均由煙花點火器來啟動，不是引發化學反應就是破裂密封膜讓氣體流出。由於其不同的潛在機制，每種類型的發生器都表現出的氣體動力學（質量流量和氣體溫度演變）也有所不同。

充氣機的表現直接影響關鍵的安全指標，例如身體運動的緩衝、（成人和兒童）胸部和腰部的擠壓負荷以及非標準位置 (OoP) 情況下的有效性。因此，定義充氣機特性是開發鏈中最關鍵的一步，因為它對整體安全性能影響最大。

氣體發生器的標準測試程序在 AK-LV-03 [1] 和 USCAR-24 [2] 規範中被定義為氣罐測試(Tank test)。在此測試中，測量氣體發生器啟動時密封容器內的壓力變化。通過分析壓力曲線的特性，例如最大壓力水平、觸發後達到峰值壓力的時間，以及前 5 毫秒內的壓力斜率，安全氣囊工程師可以評估氣體發生器的性能是否過於激進或反應過慢，從而判斷其是否適用於特定的安全氣囊系統。

從氣體發生器測試過渡到安全氣囊模組整合時，充氣測試(inflation test)是評估系統性能的標準程序，重點關注安全氣囊的展開動態。在該測試中，監測內部壓力並利用高速攝像機記錄氣囊的充氣過程。根據這些數據，安全氣囊開發人員可以調整氣囊的體積和排氣口尺寸，在某些情況下甚至能補償氣體發生器性能不理想的狀況。

為了區分正面碰撞與側面碰撞保護，通常使用擺錘測試(pendulum test)進行系統校準。在正面碰撞測試 [3] 中，擺錘從一定高度釋放，由展開的氣囊進行緩衝，並記錄壓力和擺錘軌跡。通過調整撞擊速度，安全系統開發人員可以評估氣囊的能量吸收能力，並微調觸發延遲時間，以優化性能。對於側面碰撞模擬，擺錘從較低位置開始，並由展開的氣囊推動。氣囊內部壓力與擺錘運動軌跡同樣被記錄，從而模擬側面碰撞場景，驗證側面氣囊的有效性。

滑軌測試(sled test)是系統級驗證的最終階段，該測試通過快速減速的測試滑軌來模擬碰撞場景。該標準化測試設置使用不同尺寸的人體仿真假人，測量頭部位移、胸部壓縮和胸腔負荷。與完整的車輛碰撞測試不同，滑軌測試隔離了約束系統的性能，提供了最接近 NCAP 評估條件的測試方式，同時避免了內飾設計變量的影響。

整個開發流程——從氣體發生器的定制調整到系統整合——是一個層次分明且循序漸進的過程。如果某個系統性能不佳，可能需要回溯並重新設計氣體發生器，這將需要數月的時間進行重新測試與評估，然後才能再次進入系統級驗證。因此，開發項目可能長達數年，往往帶來的是經驗積累，而非立即的技術突破。

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此外，安全氣囊系統的技術複雜性要求研發團隊或專業公司之間進行跨學科合作。雖然自上而下的技術規範至關重要，但許多現有標準並未充分定義必要的物理氣體動力學參數和性能閾值。這些標準仍存在顯著的空白，極需進一步的研究與改進。

### 技術現狀

該領域的科學研究從多個角度探討了安全氣囊充氣機的開發。在氣體發生器熱力學分析方面，理論數學模型是用來量化氣體發生器運作過程中的熱化學相互作用最主要的方法。[Butler等人](https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0360128593900094)提出了基於通用設計原理的0維內彈道模型來描述充氣機的熱力學機制。[Materna](https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/920120/)進一步綜合了燃爆式氣體發生器的彈道函數以及各功能組件的相應建模策略。基於這些研究，商業軟件現已整合了模擬燃爆式和混合式氣體發生器的能力，包括燃燒過程。此外，Kang和Wang開發了混合式發生器的數值模型，而[Shieh等人](https://journals.sagepub.com/doi/10.1243/0954407011525386)和Wu則通過引入1D流動模擬推進了過濾機制的建模，並將其應用於雙級(Dual stage)發生器上。在氣體發生器測試方法方面，推力測量(Thrust measurement)[[4]](https://www.dynamore.it/en/downloads/papers/09-conference/papers/E-III-01.pdf)[[5]](https://publica-rest.fraunhofer.de/server/api/core/bitstreams/bc85f019-d128-40d2-81cd-0b97197d4da8/content)可成為表徵充氣機性能的補充方法。該方法將充氣機部署在鐘形開放容器中，測量氣體通過噴嘴排出時產生的推力。所得的力曲線可作為充氣機行為的直接指標。與氣罐測試相比，推力測量更具靈活性，因為測試容器明顯小於標準氣罐體積。

在系統級適用性評估方面，[力指示評估工具(FINAL ton)測試]()被開發為完整充氣測試的簡化方法。該方法定位於充氣機和安全氣囊開發之間，將充氣機部署在具有固定通風口的標準化袋中，產生測量不確定性較低的客觀數據。所得壓力曲線與系統級性能指標的相關性高於罐測試數據，同時提供比傳統充氣測試更清晰的信號輸出。

[Schäfer等人](https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2023-01-5029/)在充氣機表徵方法學方面投入相當多的心力，強調了不同類型充氣機的質量流量和氣體溫度分析。他們的文章中提出了特定類型的處理協議和測試設備間的交叉驗證，以確保計算準確性。

在系統級模擬技術方面，有限元(FE)和多體(MDS)模擬是預測安全氣囊充氣和碰撞假人運動學的行業標準。商業軟件中實現了先進的計算方法。對於安全氣囊充氣過程中的流動模式，均勻壓力法(UPM)、有限點法(FPM)和微粒法(CPM)是在定義體積內模擬氣體流動條件的通用方法。這些是結構有限元體系中實現的無網格概念。

Arbitrary Lagrange-Eulerian(ALE)方法是捕捉安全氣囊充氣的另一種概念，它將固體變形和運動的有限元方法與網格化的歐拉流體域耦合。通過求解氣體連續介質的輸運方程，安全氣囊的運動通過流固耦合技術明確解析。因此，除了UPM和FPM/CPM單純的壓力表示外，還能捕捉氣體運動的細節以及氣體動力學現象，如膨脹不足波和氣體衝擊。然而，ALE需要非常高的計算成本，因此尚未成為行業標準。

這些計算方法成本高昂且考慮了所有可能的細節，包括安全氣囊如何折疊到其模塊中、模塊外殼的材料特性，甚至方向盤中心汽車品牌標誌的大小——所有這些都可能影響結果。此外，運行單個模擬案例可能需要數小時的並行計算。因此，這些計算模型可以捕捉詳細的流動模式以及整個碰撞場景中假人部件的軌跡和擠壓力。這種能力提供了對所有潛在設計特徵的全面洞察，但同時也使優化過程極其耗時和耗費資源。

### 專案目標
本研究旨在建立一套完整的 __模型鏈系統__ 與 __自動化優化流程__，透過先進的數值分析方法，實現安全氣囊系統開發流程的標準化與智能化。

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此模型鏈系統能夠在通用的邊界條件下，精準模擬安全氣囊展開過程中的關鍵物理現象，其中包括氣體發生器作動過程（適用於燃爆式、冷氣式及混合式等各類型氣體發生器，安全氣囊充氣動力學過程，及與乘員保護對象的動態交互作用（含可調控參數）。透過聚焦系統性能的關鍵影響因子，本方法將建立從氣體發生器特性到標準化測試結果的量化關係模型，大幅提升開發評估效率。

#### 模型鏈系統架構
採用自下而上（bottom-up）的建模策略，從元件階層到系統別級逐步建構完整的分析框架，主要分為四大核心模組：

1. __氣體發生器特性分析模組__：
- 燃爆式氣體發生器：建立推進劑燃燒速率模型
- 冷氣式氣體發生器：He/Ar混合惰性氣體流動模型
- 混合式氣體發生器：整合直接點火與分離腔室設計

關鍵輸出包括氣體流量率曲線、溫度分佈特徵，以及對應的標準罐測試的壓力曲線。其仿真的重點在於找出每類氣體發生器流量分佈通用的模式，而非精準預測其內彈道的特型。

2. __安全氣囊充氣動力學模組__ 整合可變氣囊容積、通氣孔尺寸設計與氣體發生器輸出特性。

基於熱力學能量守恆原理與氣體狀態方程，採用零維計算方法模擬充氣過程。輸出結果包含氣囊內部壓力-時間曲線，可準確捕捉最大壓力值、壓力上升時間等關鍵參數。同時建立氣囊模組殼體破裂力學模型，並透過實驗數據進行校準。

3. 用於正面與側面碰撞防護配置的 __擺錘衝擊測試模擬模組__ 。

將擺錘測試物理過程建模為氣囊充氣與剛體碰撞的耦合問題，採用一維計算方法重點分析擺錘運動學與氣囊變形的交互作用。輸出結果包含動態壓力分佈、氣囊變形量與擺錘運動軌跡。

4. 整合多體型假人模型與安全帶約束系統的 __滑車測試系統模擬模組__：

#### 智能優化流程
通過基礎模型驗證後，將導入粒子群優化算法（PSO）與遺傳算法（GA）等先進優化技術，實現設計參數的自動化尋優。優化目標函數綜合考慮多種撞擊速度下假人各部位的傷害指標及不同防護配置下的能量吸收特性。

優化結果將直接輸出關鍵設計參數像是 __系統作動時序控制參數__，__氣囊幾何形狀與通氣特性最佳化方案__ 及 __氣體發生器輸出特性曲線__。透過模型鏈的系統整合，這些優化參數可直接對應到實際測試性能指標。

### 預期效益
相較傳統三維碰撞模擬，本方法採用零維與一維計算框架，可高度降低計算資源需求，使標準工作站即可完成系統級優化分析。

在開發流程革新方面，本系統將突破現行串聯式開發模式的限制。由於優化結果同步涵蓋元件級與系統級設計參數，各開發團隊可實現並行作業。以虛擬測試預測結果為其基線再做優化，這將大幅縮短開發週期與原型測試成本。

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最終仍可結合三維精細模擬進行細節驗證。在優化結果限定的參數空間內，開展多體動力學與有限元素分析，確保設計方案的工程可行性與最佳性能表現。

### 潛在參與者：
- **汽車製造商（OEM）**：
- **約束系統開發者**：[均勝安全系統](https://www.joysonsafety.com/de/), [延鋒](https://www.yanfeng.com/cn)
- **充氣機製造商**：[元翎精密工業](https://www.twmosa.com/?lang=en), [ISi](https://www.isi.com/de-AT/automotive/inflator), [均勝安全系統](https://www.joysonsafety.com/de/), [吉林德天诺安全科技](https://www.dtnairbag.com/en/index.html)
- **研究機構**：[FH Aalen（Prof. Aschenbrenner）](https://www.hs-aalen.de/de/users/24092)
- **測量系統開發者**：[HuDe](https://root.hude.com/de/home/) 或類似公司？

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### 項目負責人
## Chi-Yao Chang, Dr.-Ing.
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- 2022 Mar. - Now
Senior Development Engineer, Gas Metering, Honeywell-Elster
- 2016 Oct. - 2022 Feb.
Lead Engineer, CAE, inflator core and applications
Aschaffenburg Inflator Center, Joyson Safety Systems
- 2014 Feb. – 2016.Sep.
Post -Doctoral research, CFD windfarm site assessment,
Institute for Wind energy and Energy System technology,
Fraunhofer Society
- 2009 Apr. – 2014 Jan.
PhD, chair of fluid mechanics and aerodynamics ,
Technical University Darmstadt, Germany