側(cè)面安全氣囊能量吸收的仿真研究

孫 捷 顧力強(qiáng)

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 200240

側(cè)面安全氣囊能量吸收的仿真研究

孫 捷 顧力強(qiáng)

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 200240

安全氣囊的能量吸收一直是安全氣囊保護(hù)效果是否達(dá)標(biāo)的重要考量標(biāo)準(zhǔn)，然而如果每次通過實(shí)車試驗(yàn)來判斷能量吸收的效果不僅耗費(fèi)大量人力物力，而且實(shí)車碰撞的工況太多，可能影響的實(shí)驗(yàn)參數(shù)也太多，所以我們一般通過其他途徑，例如動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)的仿真來得到側(cè)面氣囊可以吸收的具體能量值。這種方法不但可以減少影響實(shí)車結(jié)果的各種條件，而且結(jié)果也非?？煽扛咝?，還可以大大的減少實(shí)驗(yàn)成本

側(cè)面氣囊 仿真對(duì)比 C-NCAP crash test

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)汽車總量逐步攀升，交通事故發(fā)生率也居高不下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2000年以來，我國每年因?yàn)榻煌ㄊ鹿试斐傻娜藛T傷亡巨大，其中死亡超過六萬人，而傷者也高達(dá)三十萬之多。在這些交通事故中，正面碰撞事故僅占總事故的21%，而側(cè)面碰撞則占到了41%。減少側(cè)面碰撞損失，成為人們研究的重點(diǎn)。由于車輛側(cè)面空間非常的狹小，一方面降低了側(cè)面防護(hù)碰撞的能力，另一方面也增加了車載人員和駕駛員在發(fā)生側(cè)面碰撞中的躲避難度。因此，一旦發(fā)生側(cè)面碰撞，車載人員和駕駛員的胸部、頭部、頸部等關(guān)鍵部位極易發(fā)生傷害，而且傷殘級(jí)別還比較高。按照美國汽車醫(yī)學(xué)協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)面碰撞中人員傷害往往處于3級(jí)以上，對(duì)乘車人員傷害極大。

如何可以模擬出碰撞過程中所有產(chǎn)生的能量傷害，仿真成為了最有效也是最直接的驗(yàn)證方式，因?yàn)檎鎸?shí)車輛的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，不僅需要花費(fèi)大量的人力物力和財(cái)力，同時(shí)由于各種偶然因素的影響以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)等影響，現(xiàn)場(chǎng)真車試驗(yàn)的可重復(fù)性也較差。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真分析被廣泛的應(yīng)用于汽車行業(yè)，通過仿真實(shí)驗(yàn)，可以具體分析車載人員和駕駛員等在側(cè)面碰撞、正面碰撞中的承壓情況。

1 側(cè)面氣囊工作原理

側(cè)面安全氣囊主要分為3個(gè)種類，頭胸保護(hù)氣囊、胸部保護(hù)氣囊、胸臀保護(hù)氣囊。每個(gè)種類的區(qū)別在于氣囊的保護(hù)面積和體積不同。每種氣囊都有各自關(guān)注的保護(hù)對(duì)象。有些氣囊甚至是多腔的來保護(hù)多個(gè)人體器官。由于SAB側(cè)重的是乘客和駕駛員的胸部保護(hù)，而且胸部的臟器較多，所以胸部保護(hù)是SAB主要關(guān)的保護(hù)區(qū)域。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)SAB都必須達(dá)到胸部保護(hù)的功能側(cè)面安全氣囊系統(tǒng)不僅涉及到氣囊本身，與傳感器、自動(dòng)控制單元等也密切相關(guān)。當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，首先由傳感器感應(yīng)到碰撞信號(hào)，并將該碰撞信號(hào)迅速傳感給控制單元，由控制單元對(duì)該碰撞信號(hào)進(jìn)行分析判別，必要時(shí)釋放出氣囊起爆信號(hào)，讓點(diǎn)火設(shè)備迅速點(diǎn)火，氣囊快速充氣，并在最短時(shí)間內(nèi)充滿氣體，減少或避免車上乘客的碰撞傷害，發(fā)揮保護(hù)車上乘客人身安全的作用。

圖1 側(cè)面氣囊介紹Fig.1 SAB introduction

2 側(cè)面氣囊能量吸收及仿真

2.1 側(cè)面氣囊的仿真

本次使用某正在開發(fā)的胸臀保護(hù)的側(cè)面安全氣囊作為目標(biāo)來研究它的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。SAB的仿真較為簡(jiǎn)單，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)腔體，所以在建立模型和數(shù)據(jù)采集時(shí)都較為方便，不會(huì)輕易受其他環(huán)境因素改變。首先我們通過已有的掃描和建立三維模型，通過dyna仿真軟件建立和導(dǎo)入模型，并設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，我們仿真模擬的結(jié)果是模擬氣囊在沒有任何相關(guān)件的情況下點(diǎn)爆后的狀態(tài).仿真的結(jié)果可以看到，模擬時(shí)間和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的到位時(shí)間，充滿時(shí)間.以及充滿位置基本一致.這樣就證明了我們的仿真結(jié)果是真實(shí)可靠的.

表1 仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的到位時(shí)間對(duì)比Table 1 simulation and real test on position time comparison

圖2 側(cè)面氣囊靜態(tài)點(diǎn)爆仿真Fig.2 SAB static deployment simulation

通過靜態(tài)點(diǎn)爆的仿真，是為了動(dòng)態(tài)沖擊對(duì)比的鋪墊.當(dāng)仿真內(nèi)容可靠時(shí)，我們?cè)賹⒛Ｐ蛻?yīng)用到動(dòng)態(tài)沖擊對(duì)比中，這樣使動(dòng)態(tài)沖擊仿真中的可變因素減小.仿真結(jié)果也較為可靠。

2.2 側(cè)面氣囊的動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)是模擬實(shí)車碰撞的一種實(shí)驗(yàn)，可以較為真實(shí)的模擬實(shí)車碰撞時(shí)氣囊點(diǎn)爆和吸收能量的過程，但是缺點(diǎn)是這個(gè)實(shí)驗(yàn)還是相對(duì)靜態(tài)的，不具有動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)候的各種環(huán)境參數(shù)的影響。具體實(shí)驗(yàn)方法是：用25kg的平板去模擬人的軀干，以6 m／s的速度沖擊目標(biāo)，此時(shí)氣囊同時(shí)展開，這種實(shí)驗(yàn)即可以測(cè)試氣囊的到位時(shí)間，也可以測(cè)試氣囊的壓力數(shù)值是否滿足條件。如果到位時(shí)間過慢，那么模擬板會(huì)撞擊到背板區(qū)域，如果壓力值過小，那么就會(huì)發(fā)生所謂的“擊穿”效果，模擬板也會(huì)接觸到背板。我們可以通過各種傳感器和觀察接觸時(shí)間來記錄幾個(gè)重要的關(guān)鍵參數(shù)，撞擊速度／加速度、氣囊腔體的內(nèi)部壓力值、氣囊的變形量（位移）。

圖3 側(cè)面氣囊動(dòng)態(tài)沖擊對(duì)比Fig.3 SAB dynamic impact correlation

2.3 動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果的對(duì)比

為了確認(rèn)仿真參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，我們會(huì)通過真實(shí)的實(shí)際動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)來對(duì)比我們的仿真結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)過程中，我們首先要確保實(shí)驗(yàn)的設(shè)置和仿真內(nèi)容達(dá)到一致，即相同位置的氣囊布置，相同重量的模擬板，相同的觸發(fā)距離，相同的沖擊速度等。然后我們對(duì)比仿真和實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵值。即對(duì)比速度／加速度、腔體壓力、位移。

經(jīng)過對(duì)比數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，速度／加速度值和壓力值如下圖所示。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，在速度和加速度曲線上，我們的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，速度基本是6.3 M／S，加速度基本控制在27.5 M／S2，但是壓力值上由于氣體發(fā)生器本身的不穩(wěn)定性，在幾個(gè)比較重要的氣體釋放關(guān)鍵點(diǎn)，數(shù)值還是較為相同的，例如在5MS時(shí)都可以達(dá)到壓力最大值，而且在10ms左右壓力有一個(gè)負(fù)緩沖，然后規(guī)律的釋放氣體壓力。這種氣囊的能量吸收會(huì)有一個(gè)非常穩(wěn)定的過程，即從車輛碰撞開始，氣囊可以完整地打開，然后壓力值最大時(shí)因?yàn)榇藭r(shí)腔體還未完全打開，氣體在快速的充滿氣囊，最后當(dāng)壓力值達(dá)到工作區(qū)域時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)并沒有發(fā)生擊穿現(xiàn)象，所以氣囊可以完整地吸收整個(gè)沖擊所能造成的能量。達(dá)到預(yù)先目標(biāo)的要求。

圖4 沖擊速度為6 M／S時(shí)各參數(shù)曲線對(duì)比值Fig.4 impact speed 6 m／s several data correlation

為了再次驗(yàn)證對(duì)比實(shí)驗(yàn)的可靠性，我們一般會(huì)選用兩種實(shí)驗(yàn)設(shè)置來確認(rèn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，下圖是沖擊速度為8 M／S，沖擊板重量為35 kg時(shí)的參數(shù)曲線。我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)速度提高后，動(dòng)能明顯變大，加速度曲線的峰值也有所提高。但是仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還是非常接近的，無論是速度、加速度，還是壓力曲線的整體趨勢(shì)依舊很相似，這樣可以清楚地表明我們仿真的結(jié)果是真實(shí)可靠的。

圖5 沖擊速度為8 M／S時(shí)各參數(shù)曲線對(duì)比值Fig.5 impact speed 8 m／s several data correlation

2.4 動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)的失效及優(yōu)化

當(dāng)仿真和實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象時(shí)，我們認(rèn)為這樣的結(jié)果是不符合設(shè)計(jì)要求的。擊穿即模擬軀干的沖擊板直接接觸車門內(nèi)飾。此時(shí)的氣囊是失去保護(hù)效果的。我們可以從下面的參數(shù)中看到，當(dāng)發(fā)生擊穿現(xiàn)象時(shí)，加速度曲線和速度曲線會(huì)有明顯不同。加速度會(huì)因?yàn)槭艿介T板反彈而再次變大，我們也可以通過位移曲線來確認(rèn)擊穿。

當(dāng)發(fā)生擊穿現(xiàn)象時(shí)，我們可以通過幾種手段優(yōu)化氣囊：在保護(hù)區(qū)域變化不大的情況下，減小氣囊

的體積；調(diào)整泄氣孔或者氣囊布料的涂層從而增加氣囊的氣密性。當(dāng)然不管使用哪種優(yōu)化方案。我們都必須重新仿真和通過動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證它的可靠性。

Side Air Bag energy sorption simulation and analyze

He Xiong He Weilian
School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240

Energy absorbing of airbag has been an important consideration whether the protective effect of airbags standard.But if each real crash test to determine the energy absorption effect not only spend a lot of manpower and resources，but also will the actual vehicle collision conditions，which may affect the experimental parameters too many，so we generally through other means，such as dynamic impact simulation and correlation to get specific energy values side airbag can absorb.This approach not only reduces the impact of the various conditions the results of the actual vehicle，and the results are very reliable and efficient，but also can greatly reduce the cost of experiments.

Side airbag simulation correlation C-NCAP crash test

U461.91

B

1006-8244（2015）04-037-04