汽車安全氣囊碰撞模擬研究與參數(shù)選擇

【摘要】當今汽車上普遍裝備了安全氣囊，然而點火算法的設(shè)計標準沒有達成共識。本文應(yīng)用LS-DYNA提供的拉格朗日-歐拉方法（ALE），通過空間和時間的顯式離散得到了車輛碰撞的有限元方程。進行了有關(guān)的模擬計算，實現(xiàn)了車輛正面碰撞過程的模擬。利用方向拉桿變形量設(shè)定閾值作為點火控制參數(shù)，分析結(jié)果表明，該設(shè)計方法可以實現(xiàn)車輛結(jié)構(gòu)自身被動安全保護的目的，這種新的汽車安全氣囊點火控制算法是有效的，但是需要進行部分撞擊試驗，進一步修正模型后提高其分析精度。

【關(guān)鍵詞】安全氣囊;車輛;點火算法

1.引言

自從20世紀80年代在汽車上應(yīng)用以來，安全氣囊已經(jīng)挽救了無數(shù)乘員的生命，尤其是其與安全帶配合使用，可以使車輛在發(fā)生碰撞事故時前排乘員的死亡率降低61%[1]。但是，因為安全氣囊的錯誤展開導致乘員受傷乃至死亡的案例也越來越多。據(jù)NHTSA報道，在2001-2006年間，美國有大約1400位乘員因為安全氣囊的誤點火死亡，這為安全氣囊的應(yīng)用前景蒙上了一層陰影[2]。本文應(yīng)用有限元軟件：HYPERMESH和求解器LS—DYNA，建立車輛的有限元正面碰撞模型，利用方向拉桿變形量設(shè)定閾值作為點火控制參數(shù)，確定安全氣囊的精確點火時刻，并討論正碰的建模方法，結(jié)合仿真數(shù)據(jù)，分析正碰建模方法的正確性，為安全氣囊的精確點爆提供了技術(shù)支持。

2.點火算法的理論依據(jù)

2.1 乘員損傷準則

安全氣囊的點火閾值是依據(jù)碰撞中乘員所受的損傷程度來確定的。如果在某一碰撞條件下乘員的損傷程度達到法規(guī)規(guī)定的乘員損傷指標，則該碰撞條件所確定的閾值為氣囊必須點火的閾值，因此了解乘員傷害的評價指標是開發(fā)安全氣囊算法的首要任務(wù)。在安全氣囊碰撞試驗中，不但需要評價乘員頭部的傷害指標值，還要評價氣囊對乘員的面部胸部、頸部、下肢等部位的傷害情況[3]。表1是美國、歐洲以及中國正面碰撞準則對乘員損傷標準的規(guī)定，美國FMVSS208法規(guī)比較全面地確定了不同碰撞假人在各種碰撞形式下的試驗要求和損傷指標。

2.2 安全氣囊點火原理

當車輛發(fā)生碰撞時，安全氣囊控制系統(tǒng)利用車上的各傳感器的信號迅速判斷出碰撞時的車速、碰撞強度等相關(guān)信息，然后再根據(jù)收到的信息和預(yù)先設(shè)定的閾值相比較，從而決定是否點爆安全氣囊以及何時點爆安全氣囊。

近年來，隨著智能型安全氣囊的提出，要求相應(yīng)的智能安全氣囊點火算法既要考慮汽車碰撞的嚴重程度這一點火條件，還要判斷汽車的碰撞形式和乘員的狀態(tài)等條件。文獻[7]詳細介紹了汽車所有可能發(fā)生的碰撞形式。而汽車乘員的狀態(tài)主要包括乘員大小、乘員的離位狀態(tài)以及乘員佩戴安全帶狀態(tài)（見表1）。

2.3 安全氣囊點火時刻的確定

安全氣囊最佳點火時刻是發(fā)生在碰撞時到安全氣囊完全展開時乘員的頭部正面與氣囊相接觸時刻的前30ms。目前，國際上一般利用“127mm-30ms”準則來確定安全氣囊的最佳點火時刻。其含義是：當汽車剛開始發(fā)生碰撞時，乘員相對于車體向前移動127mm的時刻的前30ms時間點就稱為安全氣囊的最佳點火時刻。由此可知：安全氣囊的最佳點火時刻為乘員前移127mm這一時刻的前30ms。

安全氣囊的實際點爆時間點是指實際碰撞事故中氣囊點爆的時刻。在前排成年乘員正常坐姿和佩戴安全帶的狀態(tài)下，針對不同車型確定其點火條件的閾值，在實際撞車事故中，當點火條件超過閾值時氣囊點爆。由于汽車碰撞事故的不確定性以及算法本身的缺陷，實際點火時刻與最佳點火時刻往往不會重合。因此，確保實際點火時刻與最佳點火時刻的一致性是目前智能安全氣囊控制算法設(shè)計的主要目標。

現(xiàn)在絕大多數(shù)點火算法針對檢測到的加速度設(shè)定閾值，然而加速度變化曲線不是單調(diào)遞增的，所以本文提出利用方向拉桿長度方向形變量設(shè)定閾值，作為氣囊點爆參數(shù)，可以避免氣囊提前點爆。

3.整車正碰有限元模型的建立

車體建模是碰撞分析的第一步，整車有限元模型分為三部分：輪胎，懸架，車身;有限元模型的建立在前處理軟件Hyper Mesh中完成，并根據(jù)汽車真實結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的調(diào)整。

3.1 網(wǎng)格的劃分

以10mm為網(wǎng)格尺寸的標準，為保證求解速度，最小單元尺寸不能小于5mm，其他如翹曲度、長寬比、梯度、雅可比等參照汽車碰撞通用規(guī)范。

3.2 接觸處理

接觸處理包括：防止所有的初始滲透;防止邊對邊的滲透;用ANSYS軟件自動調(diào)整考慮材料厚度的材料穿透。

3.3 連接、約束處理

為了真實的模擬車身的實際連接關(guān)系，本項目除了用焊點模擬各部件的連接關(guān)系外，還使用了revolve joint、extra nodes等連接方式對整車零件間進行連接。

發(fā)動機罩板是通過一個四連桿結(jié)構(gòu)和車身相連接，其中發(fā)動機罩板和輪胎罩板間通過一個有旋轉(zhuǎn)自由度的銷釘和四連桿相連，四連桿機構(gòu)中每個桿也是通過一個旋轉(zhuǎn)銷釘連接運動。

車門和立柱通過鉸鏈鉸接，其連接方式也是通過revolve joint來實現(xiàn)。

其余部件用DYNA軟件自帶的Hex單元模擬焊點，直徑5mm，并考慮碰撞嚴重區(qū)域的焊點實效問題;正確處理彈簧、螺栓、膠套、運動副的連接關(guān)系。

3.4 單元公式的處理

為控制沙漏采用3個積分點;若PART的厚度大于1.5mm，在厚度方向采用5積分。

3.5 材料的處理

使用實際材料的試驗結(jié)果值;對于鋼，使用24號材料模式;考慮應(yīng)變率的影響，可恢復的泡沫使用83號材料模式;發(fā)動機等在碰撞過程中不變形物體采用20號剛體材料。

4.整車正碰的仿真計算及參數(shù)選擇

4.1 整車正碰仿真計算

本文采用FMVSS 208法規(guī)，汽車初始速度13.89m/s，終止時間：100ms。求解器為LS-DY—NA 971。在計算過程中為了避免部件間發(fā)生穿透，本文采用自動單面滑移接觸算法。

圖1 整車有限元模型

圖2 車身沖擊方向拉桿形變時間歷程曲線

圖3 車身沖擊加速度時間歷程曲線

4.2 安全氣囊點爆控制參數(shù)選擇

一種非常重要的參數(shù)是汽車方向拉桿的變化量，因為它是單調(diào)變化曲線，如圖2為碰撞過程中方向拉桿變化曲線。由于加速度曲線不是單調(diào)遞增的，如圖3為碰撞過程中車身沖擊加速度時間歷程曲線，設(shè)定的閾值在最佳點火時刻前就已達到，從而導致提前點爆或誤點爆。

然而，汽車方向拉桿的變化量也存在著一些問題。首先，方向拉桿變化量要求我們必須密切注視汽車的碰撞初速度v0;其次，在不同的碰撞初速度下，雖然相同的速度變化量△v，但參數(shù)△L變化是很顯著的。因此，我們要避免那些僅僅依靠汽車方向拉桿變化量而不依賴其他參數(shù)（見圖2、圖3）。

5.結(jié)論

利用方向拉桿變化量作為點火控制變量來建立安全氣囊的點火控制模型，通過模型的輸出來判定是否觸發(fā)氣囊，若滿足觸發(fā)條件，則預(yù)測什么時候觸發(fā)氣囊。與以往的安全氣囊點火控制算法相比，該算法能比較準確地判定安全氣囊的最佳點火時刻。仿真與試驗結(jié)果表明：該算法是可行的，有利于提高汽車的安全性能。

參考文獻

[1]RODNEY.A Study of the Factors Affecting the Fatalities of Airbag and Belt-Restrained Occupants in Frontal Crashes[R].NHTSA，2011：09-0555.

[2]BRAVER E R，MCCARTT A T，SCERBO M.Front Airbag Non-deployments in Frontal Crashes Fatal to Drivers or Right-Front Passengers[C].SCI Paper，2010：178-187.

[3]唐國強，朱西產(chǎn).汽車安全氣囊點火算法的研究[J].公路與汽運，2009（2）.

[4]Federal Safety Standards.FMVSS208：Occupant Crash Protection[S].2010：28-43.

[5]E.C.E.ECE R94：Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with Regard to the Protection of the Occupants[s].1999（2）.

[6]GB11511.乘用車正面碰撞的乘員保護[S].全國汽車標準化技術(shù)委員會，2003.

[7]BREEDD5.A Smart Air bag System： United States，5282134[P].1991.8.19[1994.11.25].

作者簡介：黃駿（1990—），安徽蕪湖人，合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院碩士研究生在讀，主要研究方向：汽車安全氣囊。