改進(jìn)的汽車安全氣囊靜態(tài)點(diǎn)爆仿真方法

趙偉+劉強(qiáng)

作者簡介： 趙偉（1984—），男，山東滕州人，碩士，研究方向汽車被動安全，(Email)wei.zhao@autoliv.com0引言

隨著社會的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的提高，我國的道路狀況不斷得到改善，汽車逐漸進(jìn)入大眾家庭，其保有量快速增長.隨之而來的交通事故總量和因此而產(chǎn)生的生命和財(cái)產(chǎn)損失日趨上升.因此，保護(hù)乘客和行人的安全日益受到人們的關(guān)注，汽車的主動和被動安全變得十分重要.自1953年美國工程師約翰?赫綴克發(fā)明SRS氣囊系統(tǒng)以來，被動式安全一直發(fā)揮著重要作用.［1］美國通用汽車公司在1989年的一項(xiàng)研究表明：SRS氣囊系統(tǒng)與座椅安全帶共同使用可使駕駛員和前排乘員的傷亡人數(shù)減少43%~46%.［2］

汽車安全氣囊是一把雙刃劍：一方面，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞事故時，它能夠在乘員和汽車內(nèi)部構(gòu)件中形成一道緩沖與吸能屏障，減少乘員所承受的減速沖擊和二次碰撞力，從而達(dá)到保護(hù)乘員的目的［3］；另一方面，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)可能對乘員造成二次傷害，甚至是致命傷害［4］，例如：主駕駛安全氣囊氣袋在點(diǎn)爆過程中被高溫高壓氣體擊穿、罩蓋部分飛出，徽牌脫離罩蓋以及方向盤其他部件被擊碎等.

氣囊的智能化、小型輕量化、全方位化、環(huán)保化和虛擬化成為未來氣囊設(shè)計(jì)的必然趨勢.［56］智能化氣囊需要先進(jìn)的傳感系統(tǒng)和電子運(yùn)算系統(tǒng)，能夠在短時間內(nèi)提供包含乘員身材、體質(zhì)量、位置和是否系安全帶等可靠的碰撞環(huán)境信息.小型輕量化的氣囊能夠快速充滿氣體，具有效率高、成本低、使總成體積更小的優(yōu)點(diǎn).氣囊發(fā)展至今，已經(jīng)能夠全方位地保障乘員和行人的安全，例如正面碰撞氣囊、側(cè)面碰撞氣囊、膝部氣囊、翻滾氣囊、幕屏式氣囊及行人保護(hù)氣囊等.［79］采用能夠快速釋放無害無毒氣體的發(fā)生器和環(huán)保型氣袋材料可有效保護(hù)環(huán)境.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬技術(shù)被應(yīng)用到汽車安全系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造的各個環(huán)節(jié).［1011］

目前基于約束系統(tǒng)研究的文獻(xiàn)較多，但對約束系統(tǒng)中有關(guān)零部件的仿真方法和經(jīng)驗(yàn)分享的文獻(xiàn)不多見.本文主要針對主駕駛安全氣囊展開過程的前期階段進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，為汽車被動安全系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)和仿真精度提高提供參考.

1氣囊的折疊

主駕駛氣囊分上中下3層，發(fā)生器和泄氣孔安裝在氣囊最下層，中間一層包含3個拉帶，2塊圓形和環(huán)形的布作為最上層.折疊方式主要有壓縮折疊和卷折疊.本文仿真采用壓縮折疊，根據(jù)氣囊容器和上罩蓋內(nèi)腔的形狀，先零六點(diǎn)壓縮，然后三九點(diǎn)壓縮，最后將發(fā)生器壓入氣囊，模型見圖1.

圖 1氣囊壓縮模型

Fig.1Compression model of airbag

檢查氣囊壓縮后質(zhì)量非常重要，關(guān)系到氣囊前期展開狀態(tài).首先保證氣囊內(nèi)所有單元沒有被穿透，并盡量減少由氣囊厚度引起的干涉.氣囊單元尺寸應(yīng)盡量均勻，使大多數(shù)單元尺寸與參考幾何尺寸保持一致.氣囊壓縮模型見圖2，單元間穿透和干涉均為0，最小單元尺寸為1.2 mm.實(shí)際上，氣囊安裝完成以后織帶間自然產(chǎn)生膨脹，氣囊相互擠壓對周圍容器內(nèi)壁有一定的作用力，但是由于其與氣體充入氣囊并使其快速膨脹產(chǎn)生的力相比小很多，所以可以不予考慮.

圖 2氣囊壓縮后模型

Fig.2Model of compressed airbag

2模型組建

罩蓋、容器和方向盤骨架采用六面體網(wǎng)格劃分，單元平均尺寸為2 mm，其他零部件均按照實(shí)際模型劃分網(wǎng)格，方向盤下罩蓋采用殼網(wǎng)格劃分，方向盤骨架周圍的發(fā)泡采用四面體網(wǎng)格劃分.氣囊材料為350detx，選用膜單元和織帶材料（MAT34），經(jīng)緯度角為45°.在轉(zhuǎn)向管柱下段節(jié)點(diǎn)施加六自由度約束.選取85，23和-35 ℃等3個溫度進(jìn)行靜態(tài)點(diǎn)爆分析，仿真設(shè)置保持與靜態(tài)點(diǎn)爆實(shí)驗(yàn)設(shè)置一致.在不同溫度下，除塑料材料性能發(fā)生很大變化外，還應(yīng)當(dāng)考慮發(fā)生器的性能變化.選用LSDYNA求解器求解，求解時間步長為2.03×10-4 ms.采用粒子法點(diǎn)爆氣囊，粒子數(shù)為50 000個.

在實(shí)驗(yàn)前的數(shù)小時，將主駕駛氣囊整個模塊（包括罩蓋、氣囊容器、氣囊和發(fā)生器等）放入相應(yīng)溫度下的恒溫箱內(nèi)保溫.實(shí)驗(yàn)時從恒溫箱內(nèi)取出模塊，在3 min內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)的安裝調(diào)試并點(diǎn)爆氣囊，有效保證實(shí)驗(yàn)溫度的精確性.

3仿真與實(shí)驗(yàn)對比分析

3.1失效情況對比和改進(jìn)方法

在高溫85 ℃時，上罩蓋六點(diǎn)鐘方向斷裂飛出，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，見圖3和4.

圖 3罩蓋最大主應(yīng)力云圖, kN

Fig.3Maximum principal stress contours of cover, kN圖 4罩蓋斷裂照片

Fig.4Photo of cover break

鉸鏈處斷裂是罩蓋失效的主要形式之一.為滿足在低溫下材料變脆也能夠順利反轉(zhuǎn)的條件，鉸鏈壁設(shè)計(jì)較薄，但在高溫下材料性能變軟，薄壁就成為罩蓋最弱的部位.這是一個相互制約的平衡性問題.改進(jìn)措施主要有以下4點(diǎn)：

（1）優(yōu)化鉸鏈的壁厚，使其既能夠滿足高溫又能夠滿足低溫對材料性能的要求.

（2）增加鉸鏈的長度或在鉸鏈的兩側(cè)適量增加筋，使其能夠承擔(dān)更大的拉伸力.

（3）優(yōu)化撕裂線末端形狀，撕裂線末端彎曲結(jié)尾或末端逐漸增厚.

（4）減輕罩蓋反轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量，降低高速下的慣性力.

采用第二條改進(jìn)措施，將撕裂線末端向左右兩邊移動，增加鉸鏈的長度，取得良好效果.新樣件制造后再次實(shí)驗(yàn)，罩蓋鉸鏈處未發(fā)生斷裂.

3.2氣囊展開形狀與罩蓋開啟位置對比

氣囊折疊方式對氣囊展開前期階段的形狀影響較大.氣囊鋪平以后表面有些褶皺，在實(shí)際壓縮過程中，氣囊會順著這些褶皺凸起凹下，自然形成Z字形，但在氣囊壓縮折疊的仿真中，真正做到與實(shí)際完全一致比較困難.

在常溫23 ℃時，仿真選用與實(shí)驗(yàn)相同的時間軸起點(diǎn)點(diǎn)爆氣囊.氣囊在同一時刻下展開形狀與實(shí)驗(yàn)基本一致，同時罩蓋的開啟狀態(tài)也與實(shí)驗(yàn)保持一致，見圖5.仿真前需要先校核一些因素的準(zhǔn)確性.首先，判斷發(fā)生器氣流和溫度流曲線是否精準(zhǔn)，可以通過仿真模擬測量Tank曲線的實(shí)驗(yàn)過程，即在固定容積且密封的容器內(nèi)點(diǎn)爆發(fā)生器，測量容器內(nèi)壓力隨時間變化的曲線.其次，檢查氣囊的折疊質(zhì)量.確定氣囊在仿真壓縮過程中形狀變化與實(shí)際是否一致，另外在壓縮后檢查單元間是否存在穿透和干涉以及單元尺寸是否均勻一致.如果氣囊多數(shù)單元尺寸被壓縮至1/3以內(nèi)，需要在點(diǎn)爆前對氣囊進(jìn)行“放松”，使氣囊單元尺寸盡量恢復(fù)到原長.最后，檢驗(yàn)罩蓋材料的準(zhǔn)確性.罩蓋的A面分布撕裂線，氣囊需要沿著撕裂線將罩蓋撕裂開罩蓋才能正常開啟，因此涉及到罩蓋變形和單元失效問題，可以結(jié)合材料高速拉伸試驗(yàn)、擺錘實(shí)驗(yàn)或沖擊試驗(yàn)來驗(yàn)證材料的準(zhǔn)確性.

圖 5氣囊形狀和罩蓋位置

Fig.5Airbag shape and cover position

3.3支反力驗(yàn)證

除對比氣囊的展開形狀和罩蓋的開啟狀態(tài)外，還應(yīng)對支反力進(jìn)行驗(yàn)證，以保證氣囊在展開過程中對周圍零部件的作用力和零部件間力的傳遞正確無誤.在轉(zhuǎn)向管柱下端安裝力傳感器，測量沿轉(zhuǎn)向管柱軸向方向（z向）的支反力.選取低溫-35℃模型進(jìn)行對比，結(jié)果見圖6.仿真中的支反力峰值比實(shí)驗(yàn)大400 N，是由于實(shí)驗(yàn)中高溫高壓的氣流從發(fā)生器中沖出給冰冷的氣囊充氣，存在熱傳遞和能量散失問題.在仿真中并未考慮這一能量散失的過程，因此仿真中支反力略大于實(shí)驗(yàn)測量值.

圖 6支反力實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

Fig.6Comparison of reaction force obtained by

experiment and simulation

支反力驗(yàn)證工作非常重要.仿真模型中氣囊對周圍零部件間的作用力和零部件間力的傳遞過程是否準(zhǔn)確，需要根據(jù)支反力判斷.目前，氣囊在展開過程中對罩蓋和氣囊容器的作用力沒有更有效的方法進(jìn)行測量，因此支反力是驗(yàn)證作用力產(chǎn)生和傳遞過程是否準(zhǔn)確的唯一有效途徑.

4結(jié)論

通過仿真分析主駕駛安全氣囊展開過程的前期階段，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證，得到提高仿真精度的一些方法.

（1）詳細(xì)介紹氣囊折疊過程和罩蓋的主要失效形式以及改進(jìn)方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明改進(jìn)方法效果明顯.

（2）對比氣囊展開形狀和罩蓋開啟狀態(tài)的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出影響仿真精度的一些因素，如發(fā)生器氣流和溫度流曲線、氣囊折疊質(zhì)量和罩蓋材料等.

（3）測量支反力是驗(yàn)證氣囊展開過程中作用力產(chǎn)生和傳遞過程是否準(zhǔn)確的一種有效方法.

提高仿真精度，還應(yīng)考慮高溫高壓氣流與氣囊間的熱交換，氣囊與周圍環(huán)境的熱交換以及氣囊中高壓氣體通過氣囊滲透到周圍環(huán)境的能量損失等.

參考文獻(xiàn)：

［1］SHAHMANESH N. Vehicle safety［J］. Automotive Engineer, 1998, 25(10): 4452.

［2］游世輝, 鐘志華. 汽車安全氣囊的計(jì)算機(jī)仿真研究的現(xiàn)狀與趨勢［J］，湖南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2000, 27(3): 4353.

YOU Shihui, ZHONG Zhihua. Review of the research on computer simulation of working process of automobile airbag in China and abroad［J］. J Hunan Univ: Nat Sci, 2000, 27(3): 4353.

［3］鐘志華, 楊濟(jì)匡. 汽車安全氣囊技術(shù)及其應(yīng)用［J］. 中國機(jī)械工程, 2000.02, 11(12): 234238.

ZHONG Zhihua, YANG Jikuang. Automotive airbag technology and its application［J］. China Mech Eng, 2000, 11(1): 234238.

［4］劉子建, 黃天澤, 張建華, 等. 安全氣囊對汽車乘員碰撞損傷防護(hù)的研究［J］. 機(jī)械工程學(xué)報, 2001, 37(5): 1217.

LIU Zijian, HUANG Tianze, ZHANG Jianhua, et al. Survey of research on airbag for occupant injury prevention from vehicle impacts［J］. Chin J Mech Eng, 2001, 37(5): 1217.

［5］何文, 鐘志華, 楊濟(jì)匡. 汽車安全氣囊技術(shù)的新發(fā)展［J］. 汽車研究與開發(fā), 2000(4): 3337.

HE Wen, ZHONG Zhihua, YANG Jikuang. New development of automotive airbag［J］. Automobile Res & Dev, 2000(4): 3337.

［6］金加龍. 汽車安全氣囊的發(fā)展［J］. 浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2002, 3(1): 1923.

JIN Jialong. The development of automobile airbag［J］. J Zhejiang Vocational & Tech Inst of Transportation, 2002, 3(1): 1923.

［7］NOZUMI S. Development of occupant classification system for advanced airbag requirements［J］. Mitsubishi Motors Tech Rev, 2004(16): 6164.

［8］HONG S, JEONG H, JOO B, et al. Invisible knee airbag module development［C］//Proc SAE 2007 World Congress & Exhibition, SAE Tech Paper 2007010347. Detroit: SAE Int, 2007: 497.

［9］LU Z, CHAN P C. Outofposition airbag load sensitivity study［C］∥Proc SAE 2004 World Congress & Exhibition, SAE Tech Paper 2004010847. Detroit: SAE Int, 2004: 847.

［10］張君媛, 林逸, 張建偉. 汽車安全氣囊起爆車速與乘員傷害關(guān)系的仿真研究［J］. 中國公路學(xué)報, 2004, 17(1): 102105.

ZHANG Junyuan, LIN Yi, ZHANG Jianwei. Simulation of relation between airbag fire speed and occupants injury values［J］. China J Highway & Transport, 2004, 17(1): 102105.

［11］何文, 鐘志華, 楊濟(jì)匡. 汽車安全氣囊工作性能仿真試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)研究［J］. 機(jī)械工程學(xué)報, 2002, 38(4): 126129.

HE Wen, ZHONG Zhihua, YANG Jikuang. Research on experimental validation of computer simulation of working performance of automobile airbag［J］.