有限元法在安全氣囊控制器開發(fā)中的應用

魏敏扶原放趙森張志鵬肖慶華申森

（1.長安汽車北京研究院；2.博世汽車部件（蘇州）有限公司）

在碰撞事故中，安全氣囊控制器（氣囊ECU）能準確判斷出碰撞強度如何，并能準確控制氣囊及安全帶的點爆[1]。通常，一個項目在安全氣囊控制器的開發(fā)上需要投入近20余輛樣車，進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)驗證2輪共40余次整車碰撞試驗，開發(fā)成本高且周期長，是汽車開發(fā)過程中耗資耗時最大的驗證領域之一[2]。某公司進一步開發(fā)出了電動車安全氣囊控制器的切斷高壓電輸出功能，針對以上問題，文章以該純電動升級車型為研究對象，提出基于經(jīng)驗的有限元法替代標定部分試驗的氣囊ECU開發(fā)方法。

1 純電動車碰撞安全開發(fā)特點

不同于傳統(tǒng)汽油車，純電動車的升級車型往往需要更改電池包以提升續(xù)駛里程，整車整備質(zhì)量的大幅增加，以及車身地板和中通道結構的變化，直接影響安全氣囊點爆和切斷高壓電的功能。

傳統(tǒng)安全氣囊控制器開發(fā)模式為：19項ECU數(shù)據(jù)采集試驗→氣囊ECU軟件標定→19項ECU驗證試驗。按傳統(tǒng)開發(fā)模式應重新標定氣囊ECU軟件，會產(chǎn)生以下問題：1）整個標定周期140天，開發(fā)周期超出項目的開發(fā)節(jié)點（80天）；2）數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)驗證2輪整車試驗，每一輪需進行19項整車碰撞試驗，2輪試驗費用約180萬元；3）每一輪需用11輛碰撞試驗工裝車，2輪試驗車總價約1 100萬元。

應用有限元法對純電動車安全氣囊控制器標定試驗工況進行模擬，可以節(jié)省開發(fā)時間，大幅降低開發(fā)成本。以某純電動升級車型為研究對象，建立整車有限元分析模型，應用LS-DYNA軟件進行整車碰撞模擬和安全氣囊控制器信號對比分析工作。

2 模擬分析代替試驗的信號標定

應用以模擬分析代替試驗進行安全氣囊控制器信號標定的方法，需要原車型的試驗結果、原車型的模擬對標結果及升級車型的模擬結果3個要素，具體實施分為5個步驟。

2.1 原車型19項整車碰撞試驗工況的模擬（步驟1）

完全按照試驗工況建立有限元模型，為了保證模擬精度，需要按照建模標準和規(guī)范建立完整的整車模型[3]，如圖1所示，只有不影響模擬結果的地毯及內(nèi)飾板等部分零部件可以省略。在各分總成中設定若干質(zhì)量點補償省略的零部件質(zhì)量，調(diào)整整車模型質(zhì)量和質(zhì)心位置使之與試驗車相同。完全按照試驗工況進行整車碰撞模擬分析，如圖2所示，設定輸出安全氣囊控制器及側碰傳感器處的加速度采集信號。

圖1 某純電動車整車碰撞有限元模型

圖2 某純電動車原車型碰撞工況（部分）有限元模擬

2.2 原車型安全氣囊控制器加速度信號模擬結果與試驗結果對標（步驟2）

將原車型安全氣囊控制器加速度信號模擬結果與試驗結果精確對標，如圖3所示，確保原車型模擬結果合理可信。要求模擬計算的加速度曲線與試驗結果高度擬合，尤其是碰撞前期，加速度曲線特征代表著碰撞過程中發(fā)生的氣囊點爆“事件”[4]。

圖3 某純電動車原車型安全氣囊控制器加速度信號對標結果

2.3 升級車型19項整車碰撞試驗工況模擬（步驟3）

建立升級車型整車有限元模型，計算輸出安全氣囊控制器及側碰傳感器的加速度信號，與原車型相對應的模擬結果進行對比，如圖4所示。

圖4 某純電動車安全氣囊控制器加速度信號模擬結果對比

2.4 安全氣囊不能正常工作的風險項篩選（步驟4）

2.4.1 車體結構的變化情況

升級車型的前后及側面碰撞吸能區(qū)的結構是否有較大變化、整車整備質(zhì)量是否有較大變化、車身地板和中通道結構是否有較大變化，這些車體結構上的變化都有可能影響到氣囊控制器正常發(fā)出點火信號，本例即是因后2項發(fā)生較大變化，需要做信號的詳細對比評估。

2.4.2 升級車型模擬分析與原車型試驗信號對比

首先，將升級車型的模擬結果與原車型信號在時域上進行初步對比，如圖5所示，分析車體結構改變造成對應信號差異的原因。然后，在積分域上再次進行分析對比，用原車型的標定結果模擬升級車型的模擬信號，再對整個模擬結果進行分析，篩選出氣囊應點爆/不點爆的安全余量以及點火時刻都發(fā)生較大變化的工況，如果這些變化超過了可接受的范圍，那么這些工況就是較高風險工況，需要進行試驗驗證。

圖5 安全氣囊某誤點爆高風險項的時域信號對比

風險項嚴重程度由高到低依次是：1）不點爆工況出現(xiàn)誤爆；2）點爆工況出現(xiàn)不點爆；3）點爆工況的點火時間出現(xiàn)點火提前或延后。

在實際應用中，氣囊點爆控制算法有加速度峰值法、加速度坡度法、比功率法及移動窗算法等。其中移動窗算法采用一定的窗寬度，對窗內(nèi)的加速度信號進行積分，移動窗算法具有對碰撞判斷精準及抗干擾能力強等優(yōu)點[5-6]，公式為：

式中：S（t，ω）——加速度信號積分結果；

t——積分當前時刻，s；

ω——移動窗寬度，ω＜0.03 s；

a（t）——加速度，m/s2。

圖6示出安全氣囊點爆門限閥值確定示意圖。當加速度信號在積分閾上超過設定的閾值線（不同車型有不同的閾值線）時，相應的氣囊會被點爆。不同的點爆/不點爆工況的加速度曲線非常復雜，需要引入一個重要的參數(shù)：能量變化量[7]，進一步將需點爆/不點爆的各工況信號逐一辨識出來，計算公式為：

式中：ΔE——能量變化量，J；

m——試驗車質(zhì)量，kg；

v0——初始速度，m/s。

圖6 安全氣囊點爆門限閥值確定示意圖

在積分域對升級車型不點爆工況模擬結果進行判斷，如圖7所示，曲線接近點爆門限，存在誤點爆風險，需進行試驗驗證。

圖7 安全氣囊某誤點爆高風險項的積分域信號對比

2.5 較高風險項的驗證試驗（步驟5）

對步驟4中分析篩選出的風險較高的項目進行驗證試驗。將升級車型的驗證試驗信號、模擬信號以及原車型的試驗信號進行對比，用原車型的標定結果模擬升級車型的驗證試驗信號。如果模擬結果在安全范圍則無需重新標定；如果模擬結果中有工況超出安全范圍，則必須重新標定和再次驗證試驗。

3 模擬分析代替試驗方法的實施效果

圖8示出模擬分析代替試驗的安全氣囊控制器開發(fā)模式。在數(shù)字樣車階段即可進行充分的模擬分析，可以縮短標定周期，減少物理樣車的使用和整車試驗項目，降低開發(fā)成本。

圖8 模擬分析代替試驗的安全氣囊控制器開發(fā)模式

在有效保證產(chǎn)品性能的前提下，整車試驗和信號標定的項目由20項減少到6項，開發(fā)周期由140天縮短為70天，滿足項目開發(fā)進度要求；2輪碰撞試驗項目由38項減少到12項，可節(jié)省試驗費用124.8萬元；2輪碰撞試驗工裝樣車由22輛減少到4輛，估計可節(jié)省樣車費用900萬元。

綜上，整車開發(fā)周期節(jié)省了70天，費用節(jié)省了約1024.8萬元，再次證明了CAE工具方法的意義和價值。

4 結論

在純電動車升級車型的碰撞性能開發(fā)中，文章利用基于經(jīng)驗的精確模擬仿真技術，應用模擬分析代替試驗方法，大量節(jié)省了項目開發(fā)時間和開發(fā)成本，一定程度上改變了傳統(tǒng)開發(fā)模式，初步建立了安全氣囊控制器“黑盒子件”的開發(fā)能力。通過先期策略規(guī)劃，輔之以較高的模擬技術水平，有助于整車廠實現(xiàn)向主動開發(fā)角色的轉變。以模擬分析代替試驗進行安全氣囊控制器標定的方法仍需不斷地發(fā)展完善，將來的目標是此方法可以推廣到其他全新開發(fā)的車型上，由模擬分析完全或大部分替代樣車試驗，進一步縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。