簾式安全氣囊有限元建模及側碰撞系統(tǒng)仿真

盧禮華,劉志峰,陸建輝,高發(fā)華,羅明軍,張紹衛(wèi)

(1.合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院,230009,合肥;2.蕪湖凱翼汽車有限公司,241006,安徽蕪湖;3.上海東方久樂汽車安全氣囊有限公司,201201,上海)

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簾式安全氣囊有限元建模及側碰撞系統(tǒng)仿真

盧禮華1,2,劉志峰1,陸建輝1,2,高發(fā)華2,羅明軍1,2,張紹衛(wèi)3

(1.合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院,230009,合肥;2.蕪湖凱翼汽車有限公司,241006,安徽蕪湖;3.上海東方久樂汽車安全氣囊有限公司,201201,上海)

為了獲得汽車安全氣囊仿真技術的精確度和可行性,建立了簾式氣囊仿真模型,集成了側碰撞系統(tǒng)模型。采用拓撲映射原理進行模型節(jié)點坐標轉換,從而實現(xiàn)了簾式氣囊有限元卷折網(wǎng)格的自動生成和簾式氣囊在任意管狀結構內的卷折成型;使用MADYMO軟件提供的均壓法以及Dyna歐拉法、粒子法,依據(jù)卷折模型,對氣囊展開過程的模擬結果進行了檢驗;通過將簾式氣囊模型、假人模型、車身側面接觸結構面進行集成,建立了帶安全氣囊的側碰撞分析模型。通過3種類型側碰撞工況的計算和試驗對比,表明所建側碰撞仿真模型能夠真實地反映人體損傷情況。所建模型下的簾式安全氣囊能夠很好地保護乘員安全,可以有效地應用于汽車前期開發(fā)。

側碰撞;簾式氣囊;拓撲映射原理;節(jié)點坐標轉換;乘員安全

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,汽車保有量增大,汽車造成的交通事故不斷增多。據(jù)統(tǒng)計,側碰撞事故約占事故總數(shù)的30%,僅次于正面碰撞,而在造成死亡和重傷的事故中側碰撞事故約占35%[1]。所以,汽車側碰撞的乘員安全保護受到重視,各種側碰撞約束系統(tǒng)被廣泛應用,特別是簾式氣囊在側碰撞事故中對乘員頭部的保護具有明顯的效果。簾式安全氣囊固定在車輛頂棚橫梁上,工作時車窗與人體之間形成氣囊,由此起到了保護人體的作用。McKendrew等研究表明,安全氣囊參數(shù)配置不當是引起前臂傷害的重要原因[2]。Horstemeyer等的分析表明,以傷害為衡量標準設計的汽車更具安全性[3-4]。Cheng等將臺車撞擊試驗與氣囊碰撞對比后得出,氣囊對假人的作用力會隨著假人位置的不同而改變[5-6]。

正確了解簾式安全氣囊與人體頭部在汽車碰撞中的相互作用關系和內在機理,以及對相應的參數(shù)進行優(yōu)化設計[7-9]尤為重要和迫切。為了提高汽車前期開發(fā)水平,計算機仿真已經(jīng)成為試驗驗證、參數(shù)優(yōu)化和設計方案評估的重要手段。本文著重研究了簾式氣囊仿真模型的建立、側碰撞系統(tǒng)模型的集成,基于簾式氣囊平面模型開發(fā)了有限元卷折網(wǎng)格的自動生成技術,從而有效解決了簾式氣囊在任意管狀結構內卷折成型困難的問題,同時使用MADYMO軟件提供的均壓法和Dyna歐拉法、粒子法,分別對卷折模型進行了氣囊展開過程的模擬,確定Dyna粒子法能夠較好地提供計算結果。在此基礎上,將簾式氣囊模型、假人模型以及車身側面接觸結構面進行了集成,針對3種類型的側碰撞工況進行了計算和試驗對比。

1 簾式安全氣囊系統(tǒng)的仿真建模

簾式安全氣囊仿真過程主要包括氣囊?guī)缀伪砻娴挠邢拊Ｐ蜕?氣體發(fā)生器的定義,接觸表面的定義,撞擊剛度的驗證,系統(tǒng)模型的集成,側碰撞系統(tǒng)模型的對標與修正,側碰撞試驗仿真和預測[10-12]。由于氣囊?guī)缀伪砻嬗邢拊Ｉ婕暗絾卧牟灰?guī)則卷曲和彎曲,所以運用常規(guī)的建模方法無法有效完成。本文利用一種網(wǎng)格自動生成技術、根據(jù)不同的幾何邊界,將平面網(wǎng)格數(shù)據(jù)集自動轉換成卷曲和彎曲的網(wǎng)格數(shù)據(jù)集。

1.1 有限元建模

有限元建模流程如圖1所示。該流程由平面網(wǎng)格、線性沖擊剛度的驗證、卷折網(wǎng)格、彎曲網(wǎng)格、簾式氣囊模型的展開過程來判定。根據(jù)拓撲映射原理,本文開發(fā)了一種節(jié)點坐標轉換程序,以自動完成網(wǎng)格卷曲過程。該自動卷折程序的理論基礎源于集合論數(shù)學的映射原理,如圖2所示。

圖1 有限元建模流程

圖2 坐標映射原理圖

設A為簾式氣囊平面模型網(wǎng)格中的節(jié)點集合,B為簾式氣囊卷折模型網(wǎng)格中的節(jié)點集合,二者均為非空集合。如果存在一個法則f(一個座標變換的計算過程),使得對A中的每個元素Ai按法則f在B中有唯一確定的元素Bi與之對應,則稱f為從A到B的映射,記作f:A→B。其中:Bi稱為元素Ai在映射f下的象,記作Bi=f(Ai);Ai稱為Bi關于映射f的原象。集合B中所有元素的象的集合稱為映射f的值域,記作f(A),且滿足以下條件:①對于A中不同的元素,在B中不一定有不同的象;②B中每個元素都有原象,稱映射f建立了集合A和集合B之間的一個一一對應關系,也稱f是A到B上的映射。根據(jù)上述數(shù)學原理,定義A{x|x具有特性p(原點為p0,法矢量為y的平面座標系)},B{y|y具有特性q(起點為u0,方向矢量w為Li的螺旋極座標系)},f:A→B。具體原理說明見圖1、圖2。

卷曲和彎曲網(wǎng)格模型如圖3和圖4所示,是通過圖形映射運算程序自動將平面網(wǎng)格轉換成卷曲網(wǎng)格的,其中輸入?yún)?shù)為節(jié)點坐標值、橫截面邊界幾何文件、折疊隔層間隙,輸出參數(shù)為卷曲后的節(jié)點坐標值、利用Pre-dyna軟件中的8-Line Mapping功能進行處理的彎曲網(wǎng)格[13-14]。

圖3 卷曲網(wǎng)格模型

圖4 彎曲網(wǎng)格模型

為了正確模擬側碰氣囊展開過程中的特性,必須獲得氣體發(fā)生器的物理參數(shù),包括氣體成分、氣體質量流率、氣體溫度流率,此外還要考慮發(fā)生器的位置、噴嘴方向、噴嘴尺寸以及氣囊腔室與發(fā)生器之間的相互作用,如圖5所示。

圖5 氣體發(fā)生器模型

利用3種不同的計算流體分析方法比較了運算時間與分析精度的差異,結果見表1,從中發(fā)現(xiàn):均壓法在氣囊展開后的分析效果較好,運算時間最短;歐拉法的分析精度最好,運算時間過長;粒子法的計算精度優(yōu)于均壓法,運算時間適中。顯然,均壓法可以用于早期開發(fā)階段的簡化模型,粒子法可以用于碰撞試驗的預測和人體損傷值的評估。

表1 3種方法的運算時間和分析精度比較

1.2 側碰撞簾式氣囊安全系統(tǒng)模型

整個側碰撞過程可以分為3個階段[15]:車體在碰撞接觸力作用下產生塑性變形;汽車乘員艙在碰撞過程產生加速度;乘員受慣性作用被加速。簾式氣囊安全系統(tǒng)的動力學分析模型如圖6和圖7所示。

圖6 側碰動力學系統(tǒng)模型

圖7 側碰撞MADYMO模型

側碰撞對人體的傷害是由車門的侵入運動造成的,這種侵入過程非常迅速,通常在20 ms便可造成對人體肩部、肋骨、胸腔、骨盆的嚴重擠壓,所以整個側碰撞簾式氣囊安全系統(tǒng)模型需要考慮5方面的內容:車門結構表面形狀和運動;假人模型;氣囊模型;接觸剛度(假人頭部和氣囊、氣囊和車門內側、假人肩部和車門內側、假人肋骨和車門內側、假人胸腔和車門內側、假人骨盆和車門內側);座椅運動。其中,車門結構運動侵入?yún)^(qū)域的選取和相應的運動曲線對仿真效果具有顯著的影響。經(jīng)過模型和試驗結果的對比,在侵入?yún)^(qū)域需要獲取9個坐標點的運動數(shù)據(jù),才能較真實地反映側碰撞狀況。

1.3 簾式安全氣囊的仿真系統(tǒng)模型驗證

簾式安全氣囊的仿真系統(tǒng)模型在運用之前必須進行驗證,驗證包括:氣囊剛度和靜態(tài)展開過程。氣囊剛度驗證由線性碰撞剛度試驗來完成,涉及沖擊頭的加速度-位移曲線,如圖8所示。在對側氣簾靜態(tài)展開沖擊試驗中需要考察氣簾展開過程中氣簾打開的時間和外形狀態(tài)等[16],如圖9所示。

圖8 線性碰撞試驗模型

(a)試驗 (b)仿真圖9 簾式氣囊靜態(tài)展開試驗與仿真對比

1.4 簾式氣囊沖擊試驗模型

為了進一步驗證簾式氣囊的特性,對頭部進行了仿真沖擊試驗,即在配有簾式氣囊車輛進行沖擊試驗中觀察頭部與氣囊沖擊的力學反應。簾式氣囊沖擊試驗仿真模型如圖10所示。

(a)氣囊未展開 (b)氣囊展開圖10 簾式氣囊沖擊試驗仿真模型

2 側碰撞仿真系統(tǒng)的應用

經(jīng)驗證后的系統(tǒng)模型,可以支持側碰撞安全氣囊約束系統(tǒng)的開發(fā)和安全法規(guī)的驗證。側碰撞安全法規(guī)主要包括3種碰撞試驗規(guī)范:中國碰撞安全性能測試規(guī)范(C-NCAP),歐洲新車安全評鑒協(xié)會側面柱碰撞試驗規(guī)范(E-NCAP);美國高速公路安全保險協(xié)會整車碰撞安全法規(guī)(IIHS)。

2.1 C-NCAP仿真和試驗結果

采用驗證了的乘員約束系統(tǒng)計算機輔助工程(CAE)模型,如圖11所示,根據(jù)C-NCAP對整車側碰進行了仿真,并與側碰試驗進行了對比。

采用了2015版C-NCAP中頭部傷害(式(1))、肋骨傷害(上、中、下部肋骨變形最大值分別與標準值對比)、腹部傷害(選取腹部合力與標準值對比)、骨盆傷害(恥骨合力與標準值對比)的低性能限值作為評判標準,來衡量整車側碰,試驗與仿真對比如表2所示。

圖11 乘員約束系統(tǒng)模型

頭部傷害的當量值HIC計算式為

(1)

式中;a為測量出的合成加速度,用g衡量,g=9.81 m/s2;t2和t1為沖擊過程的開始、結束2個時刻,在該時間間隔(t2-t1≤15 ms)內HIC取最大值。

表2 整車側碰試驗結果

通過試驗對標可知,雖然頭部傷害(頭部損傷標準HIC15)的試驗值與仿真值絕對誤差較大(試驗與約束系統(tǒng)模型仿真損傷差值為24.2),但與C-NCAP頭部傷害HIC15評價標準要求的最低下限1 000相比,相對誤差(試驗、CAE差值與評價標準下線值的比值)只有2.42%,顯然仿真結果與試驗結果基本吻合。上、中、下肋骨壓縮變形仿真值與試驗值的誤差較小,試驗值均小于法規(guī)中最低標準值42 mm,其中變形量最大的為上肋骨;腹部的各項指標仿真值與試驗值的誤差較小,腹部合力小于C-NCAP低性能限值;骨盆恥骨合力仿真值與試驗值的誤差較小,仿真值遠小于C-NCAP標準的下限值。通過對比可以看出,本文模型準確度較高,CAE分析結果與試驗結果吻合較好,說明簾式氣囊在側碰過程中起到了保護乘員安全的作用。

2.2 E-NCAP的29 km/h側碰仿真和試驗結果

圖12為E-NCAP的29 km/h側桿仿真模型。

圖12 E-NCAP的29km/h側碰仿真模型

按E-NCAP要求,對整車側柱碰進行了試驗,并與仿真進行了對比,結果如表3所示。

表3 29 km/h側柱碰試驗與仿真對比

采用2015版E-NCAP對頭部傷害指標HIC15、肋骨壓縮變形量、腹部壓縮變形量及腹部恥骨聯(lián)合最大力進行了考核,并以該部位的最低性能限值作為評判標準。根據(jù)表3可以看出:肋骨壓縮變形量仿真值與試驗值的誤差較小,其相對誤差均小于8%且小于標準的下限值;腹部恥骨聯(lián)合最大力仿真值與試驗值的誤差較小,其值小于E-NCAP的下限值。通過對比分析可知,CAE分析結果與試驗結果吻合較好(恥骨力上的誤差大約為13.2%),表明本文模型準確度較高,相應的簾式氣囊在側面柱碰過程中能夠較好地保證乘員安全。

2.3 IIHS仿真和試驗結果

為了驗證本文模型是否適應美國的IIHS[17]要求,采用驗證了的CAE系統(tǒng)模型(見圖13),根據(jù)美國IIHS,對整車側碰進行了仿真分析,結果如表4所示。

圖13 IIHS下的系統(tǒng)模型

采用2015版IIHS對頭部傷害指標、肋骨壓縮變形量、最大肋骨壓縮變形量進行了考核,采用該指標的低性能限值作為評判標準。

表4 IIHS下CAE系統(tǒng)模型的仿真結果

根據(jù)表4可以看出:頭部傷害的仿真值與試驗值的相對誤差控制在1.23%,二者基本吻合;肋骨壓縮變形量的誤差很小,且小于標準的下限值50 mm;最大肋骨壓縮變形量的相對誤差為0.07%,變形量小于IIHS的下限值55 mm。顯然,整體仿真與試驗值基本吻合。

經(jīng)有限元分析與試驗表明,對于乘員側碰中的傷害指數(shù),CAE分析與試驗結果一致性較好,從而驗證了本文模型的準確性,即簾式安全氣囊在側碰過程中可以起到保護乘員安全的作用。

3 結 論

為驗證簾式安全氣囊在整車側碰過程中對乘員的防護性能,建立了簾式安全氣囊CAE模型,重點研究了簾式氣囊仿真模型的建立、側碰撞系統(tǒng)模型的集成,并通過C-NCAP、E-NCAP、IIHS的側碰試驗、采集假人關鍵部位的損失值對CAE仿真結果進行了驗證,由此得到以下結論。

(1)通過對簾式安全氣囊研究,完成了側面氣簾和側面碰撞系統(tǒng)建模,為側碰撞開發(fā)提供了一種有效的工具。

(2)通過簾式安全氣囊線性碰撞和靜態(tài)展開試驗及CAE分析,驗證了本文模型的準確性。

(3)通過C-NCAP、E-NCAP和IIHS對乘員頭部等關鍵部位的傷害指數(shù)進行分析,表明簾式安全氣囊在車輛側碰過程中能夠有效保證乘員的安全。

[1] 朱曉光, 王治家, 陳建明. PAM-CRASH在側面安全氣囊仿真分析中的應用 [C]∥2013年ESI中國用戶峰會論文選集: ESI虛擬樣機技術及應用. 北京: 知識產權出版社, 2013: 122-124.

[2] CHRISTY M, HINES M H. Assessment of forearm injury due to a deploying driver-side air bag [C/OL]∥Proceedings of the 16th International Conference on the Enhanced Safety of Vehicles. [2015-10-25]. http:∥www.nrd.nhtsa.dot.gov/pdf/esv/esv16/98S5o09. pdf.

[3] DENG Xingqiao, POTULA S, GREWAL H, et al. Finite element analysis of occupant head injuries: parametric effects of the side curtain airbag deployment interaction with a dummy head in a side impact crash [J]. Accident Analysis and Prevention, 2013, 55(1): 232-241.

[4] HORSTEMEYER M F. A comparative study of design optimization methodologies for side-impact crashworthiness, using injury-based versus energy-based criterion [J]. International Journal of Crashworthiness, 2009, 14(2): 125-138.

[5] CHENG Z, RIZER A L. Modeling and simulation of OOP occupant: airbag interaction, SAE 01-0510 [R]. Washington, DC, USA: SAE, 2003.

[6] SCHNEIDER S, NIWA M. Effectiveness of thorax & pelvis side airbag for improved side impact protection [C]∥The 19th ESV Conference. Washington, DC, USA: National Highway Traffic Safety Administration, 2005: 0273

[7] JASON J, HALLMANN, YOGANANDA F, et al. Door velocity and occupant distance affect lateral thoracic injury mitigation with side airbag [J]. Accident Analysis and Prevention, 2011, 43(3): 829-839.

[8] 鄧星橋, 王進戈, 何蓉, 等. 汽車碰撞仿真技術中有限元模型的研究進展 [J]. 西華大學學報(自然科學版), 2013, 32(5): 31-37. DENG Xingqiao, WANG Jinge, HE Rong, et al. Advance of research on finite element human model in car crash simulations [J]. Journal of Xihua University (Natural Science Edition), 2013, 32(5): 31-37.

[9] CHUNG-KYU P M. LSTC/NCAC dummy model development[C/OL]∥11th International LS-DYNA User Conference. [2015-10-12]. http: ∥www. dynalook.com/international-conf-2010/OccupantSafety-5. pdf.

[10]裴洋, 烏秀春, 趙洪波. 簾式氣囊的計算機仿真建模研究 [J]. 遼寧工業(yè)大學學報(自然科學版), 2008, 28(4): 254-256. PEI Yang, WU Xiuchun, ZHAO Hongbo. Study of building of simulating model on curtain airbag [J]. Journal of Liaoning University of Technology (Natural Science Edition), 2008, 28(4): 254-256.

[11]NARAYANASAMY N. An integrated testing and application methodology for curtain airbag development [J]. SAE Transactions, 2005, 114(6): 43-50.

[12]KWAK DAE-YOUNG. A study on the development of the curtain airbag of SUV vehicles for rollover and side impact protection proceedings [J]. JSAE Annual Congress, 2005, 65(5): 11-14.

[13]趙娜. 某車型側安全氣囊的匹配研究 [D]. 長春: 吉林大學, 2014.

[14]張君媛, 蘇國峰, 蘇暢, 等. 計算機輔助設計技術在汽車側面簾式氣囊模塊開發(fā)中的應用 [J]. 汽車工程, 2009, 5(1): 6-9. ZHANG Junyuan, SU Guofeng, SU Chang, et al. CAD technology application in the module development of car side curtain airbag [J]. Automotive Engineering, 2009, 5(1): 6-9.

[15]田迪斯. 某乘用車側面乘員約束系統(tǒng)設計與集成優(yōu)化 [D]. 長春, 吉林大學, 2013.

[16]周淑淵, 向良明, 樓劼, 等. 側氣簾展開對內飾件影響的仿真研究 [J]. 上海汽車, 2012, 6(3): 26-29. ZHOU Shuyuan, XIANG Liangming, LOU Jie, et al. Effect simulation study of inner decoration from side curtain airbag [J]. Journal of Shanghai Automobile, 2012, 6(3): 26-29.

[17]趙桂范, 楊娜. 多剛體人體模型及碰撞過程仿真 [J]. 農業(yè)機械學報, 2007, 38(1): 45-48. ZHAO Guifan, YANG Na. A rigid multibody model and the simulation on impact response [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(1): 45-48.

(編輯 苗凌)

Finite Element Modeling of Curtain Airbag and Simulation of Vehicle Side Impact

LU Lihua1,2, LIU Zhifeng1, LU Jianhui1,2, GAO Fahua2, LUO Mingjun1,2, ZHANG Shaowei3

(1. School of Automotive and Mechanics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2. Cowin Automobile Co. Ltd., Wuhu, Anhui 241006, China; 3. Shanghai East Joy Long Motor Airbag Company, Shanghai 201201, China)

To acquire the accuracy and feasibility of simulation method for automobile airbag, a curtain airbag FE model, including vehicle occupant safety system of side impact modeling, was established. The auto-meshing of folded curtain airbag was realized, and curtain airbag mesh among any type of tube cross section was generated following the topology mapping theory to make mesh nodes coordinate be transformed. Three kinds of methodology (pressure method of MADYMO, ALE gas method and particle method of Dyna) were compared by simulating airbag deployment of the folding model. The side impact analysis model with airbags was constructed by integrating the curtain airbag model, dummy, and body side contact surface. The comparison between calculation of three types of side impact conditions and tests indicates that the model of side impact simulation can accurately reflect human injury. The curtain airbag can more effectively protect passenger and facilitate early-stage design of automobiles.

side impact; curtain airbag; topology mapping theory; node coordinate conversion; passenger safety

2015-12-02。 作者簡介:盧禮華(1978—),男,博士生;陸建輝(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51405123)。

時間:2016-05-10

10.7652/xjtuxb201607016

U461

A

0253-987X(2016)07-0104-06

網(wǎng)絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160510.1520.008.html