汽車模擬碰撞吸能器的仿真分析

朱桂華，洪小波，朱天宏

(中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410083)

汽車模擬碰撞吸能器的仿真分析

朱桂華，洪小波，朱天宏

(中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410083)

介紹一種新型汽車模擬碰撞用液氣緩沖吸能器。應(yīng)用小孔節(jié)流理論，建立液氣緩沖器的力學(xué)模型，同時對各主要參數(shù)對緩沖器吸能特性的影響進(jìn)行討論。結(jié)果表明：經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后，該液氣緩沖器能夠復(fù)現(xiàn)不同碰撞車速下的加速度波形要求，可廣泛用于汽車安全部件的設(shè)計開發(fā)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

臺車碰撞試驗(yàn)；液氣緩沖器；加速度；動態(tài)仿真

0 引言

汽車碰撞試驗(yàn)主要分為實(shí)車碰撞試驗(yàn)、臺車碰撞試驗(yàn)和零部件臺架試驗(yàn)3個部分。實(shí)車碰撞試驗(yàn)最接近實(shí)際碰撞，但試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，不能反復(fù)試驗(yàn)，所以一般只能在最后一次試驗(yàn)和產(chǎn)品認(rèn)證時進(jìn)行。而臺車碰撞試驗(yàn)可以用來模擬實(shí)車碰撞過程，具有重復(fù)性好、波形易于控制、試驗(yàn)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，所以常用來對安裝在汽車上的被動安全裝置進(jìn)行安全性能試驗(yàn)。碰撞緩沖吸能器是臺車碰撞試驗(yàn)設(shè)備的核心部件，它是模擬實(shí)車碰撞波形的關(guān)鍵部分。目前，國內(nèi)外研制出了各種材料、各種結(jié)構(gòu)的吸能裝置。常見的吸能裝置有：塑料管吸能器、機(jī)械結(jié)構(gòu)變形儲能式吸能器、液壓緩沖吸能器等。其中常用的吸能裝置是液壓緩沖器，它的結(jié)構(gòu)是一個阻尼油缸，根據(jù)試驗(yàn)臺車的質(zhì)量和碰撞車速要求，在缸壁上開數(shù)個節(jié)流孔。當(dāng)臺車碰撞到活塞桿并壓縮缸內(nèi)油液，迫使油液經(jīng)節(jié)流孔噴射出去，從而產(chǎn)生阻尼作用，使臺車減速度具有特定波形。作者在液壓緩沖器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出一種新型汽車模擬碰撞用液氣緩沖吸能器，這種液氣緩沖器具有兩級緩沖過程：一級緩沖可避免碰撞瞬間過大的加速度峰值，二級緩沖吸收絕大部分碰撞能量，并利用爆破片來實(shí)現(xiàn)一級緩沖過渡到二級緩沖的過程。文中將具體論述液氣緩沖器的理論建模過程，并討論各主要參數(shù)對緩沖器吸能特性的影響規(guī)律。

1 液氣緩沖器的工作原理和模型建立

圖1所示為液氣緩沖器的原理圖。氣腔內(nèi)預(yù)先充滿一定壓力的壓縮氮?dú)?，?dāng)碰撞發(fā)生時，臺車碰撞到撞擊頭，使氣腔首先被壓縮。由于爆破片使液腔保持封閉狀態(tài)，節(jié)流孔兩端壓差為0，油液無法經(jīng)過節(jié)流孔噴出，因此，此時僅有氣腔動作而液腔不動作。將這一過程稱為一級緩沖。在一級緩沖階段，氣腔壓縮實(shí)際相當(dāng)于氣壓彈簧的作用，保證臺車與撞擊頭碰撞瞬時不會產(chǎn)生過大的加速度峰值。撞擊頭運(yùn)動直至觸底，一級緩沖完成。此時，撞擊頭將推動柱塞一起運(yùn)動，使液腔壓力迅速上升至爆破片爆破壓力，爆破片瞬間破裂，液腔內(nèi)油液能夠經(jīng)節(jié)流孔噴出，將碰撞動能轉(zhuǎn)變?yōu)橛鸵篃崮?，并耗散至空氣中，直至碰撞行程結(jié)束。柱塞右移過程中，柱塞前方節(jié)流孔個數(shù)隨柱塞行程減少，即節(jié)流孔面積減小，因而通過節(jié)流孔的油液流量受到限制，反映為碰撞波形的規(guī)律變化。將爆破片破裂后的緩沖器工作過程稱為二級緩沖。爆破片屬于非重閉式泄壓裝置，具有動作瞬時、爆破壓力精度高、結(jié)構(gòu)簡單、密封性能好等優(yōu)點(diǎn)，能夠精確控制液氣緩沖器由一級緩沖到二級緩沖的過渡過程。

圖1 液氣緩沖器工作原理圖

為了使模擬碰撞過程的數(shù)學(xué)模型簡化，假設(shè)油液始終充滿腔體，不考慮溫度和受力引起的系統(tǒng)受力變形，不計摩擦力變化影響。建立液氣緩沖器的數(shù)學(xué)模型如下：

(1)一級緩沖力平衡方程

(1)

(2)二級緩沖力平衡方程

(2)

(3)小孔流量方程

(3)

其中：Cq為流量系數(shù)；ρ為液壓油密度；Ac為節(jié)流孔面積。

(4)油液流量連續(xù)性方程

(4)

其中：K為油液體積彈性模量；La為液腔長度。

需要說明的是：由于爆破片的作用，二級緩沖階段液腔初壓力p1為爆破片的爆破壓力pb。

(5)氣腔絕熱壓縮方程

(5)

其中：p0、V0分別為初壓力和氣腔容積。

(6)節(jié)流面積-行程函數(shù)

Ac=Ac(x1)

(6)

利用上述方程，借助Simulink軟件搭建仿真程序，輸入液氣緩沖器的特性參數(shù)Cq、ρ、K和結(jié)構(gòu)參數(shù)pb、La、p0、V0、Ac(x1)，以及臺車質(zhì)量m和碰撞速度v0，采用變步長的四階龍格庫塔法求解，最終得到碰撞過程緩沖器的加速度波形。與理想波形對比，并對各緩沖器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和修正。而對于節(jié)流孔參數(shù)的優(yōu)化，則以理想減速度波形作為已知條件輸入，利用上述仿真模型，反求節(jié)流孔節(jié)流面積-行程函數(shù)Ac(xa)。

2 仿真分析

2.1 仿真評估

以汽車安全帶碰撞試驗(yàn)為例，基于ECE R16法規(guī)要求的加速度波形評估仿真結(jié)果。圖2中上下折線圍成的范圍為法規(guī)要求的范圍，即仿真所得加速度波形在該范圍內(nèi)為合格。從圖2可以看出：此液氣緩沖器在仿真中所復(fù)現(xiàn)的波形效果非常好，完全滿足法規(guī)要求。

圖2 ECE R16要求波形和仿真波形

2.2 試驗(yàn)參數(shù)影響

液氣緩沖器的試驗(yàn)參數(shù)包括碰撞臺車質(zhì)量m和碰撞速度v0。由圖3可以看出：對于不同的碰撞速度，加速度曲線形狀基本一致，隨著碰撞速度的提高，波形高度增加但脈寬減小。如圖4所示：臺車質(zhì)量較大時，波形后段出現(xiàn)較大的峰值，波形脈寬也減小。出現(xiàn)過大的加速度峰值將使緩沖器的吸能效率降低，圖示加速度波形顯然符合緩沖器的吸能規(guī)律。因此，臺車質(zhì)量和碰撞速度太大或太小，都不能得到優(yōu)化的加速度波形，因此，應(yīng)針對實(shí)際碰撞工況，合理匹配各緩沖器結(jié)構(gòu)參數(shù)，使所得波形能夠滿足相關(guān)法規(guī)要求。

圖3 不同碰撞速度下的波形

圖4 不同臺車質(zhì)量下的波形

2.3 特性參數(shù)影響

液氣緩沖器的特性參數(shù)包括流量系數(shù)Cq、油液密度ρ、油液體積彈性模量K，其中Cq、K通常需要通過試驗(yàn)方法來確定，而仿真方法較難獲得可靠的結(jié)果。但Cq、K與實(shí)際情況偏差較大時，從仿真結(jié)果可以看出其對碰撞波形變化的影響。如圖5所示：K的變化主要決定了碰撞波形的波動情況：K偏大時碰撞波形波動比較劇烈，而K偏小時波動很小。

圖5 油液體積彈性模量對緩沖器特性影響

如圖6所示：Cq對液氣緩沖器特性的影響很大：Cq偏小

時，波形前段較高，緩沖器較“硬”；但Cq偏大時，波形后段較高而前段較低。因此，對Cq的優(yōu)化是設(shè)計和調(diào)試緩沖器的關(guān)鍵。

圖6 流量系數(shù)對緩沖器特性影響

2.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

在液氣緩沖器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，節(jié)流孔面積-行程函數(shù)Ac(x1)是節(jié)流孔分布設(shè)計的重要依據(jù)，節(jié)流孔的面積變化直接影響臺車加速度波形。文中對節(jié)流孔面積行程函數(shù)暫不討論，僅研究節(jié)流孔總面積Ac對碰撞波形的影響。從圖7可以看出：當(dāng)Ac偏小時，波形前段高，波形脈寬小，此時液氣緩沖器很“剛硬”，不能滿足碰撞緩沖要求；而當(dāng)Ac偏大時，在波形末端出現(xiàn)波峰，若波形后段加速度峰值過大，甚至可能在有限行程內(nèi)出現(xiàn)緩沖行程內(nèi)無法將碰撞動能完全吸收而導(dǎo)致撞缸。

圖7 不同節(jié)流孔總面積波形對比

爆破片爆破壓力pb的選擇，只決定二級緩沖階段波形的起始高度，而對后續(xù)波形的影響不大。如圖8所示：爆破壓力pb較大時，二級緩沖起始波形較高；pb過大會使加速度驟然上升，從而波形出現(xiàn)尖角，這種現(xiàn)象對于汽車被動安全來說極不理想，因此不宜選擇過大的爆破壓力pb?？紤]到實(shí)際在汽車碰撞初期，越高的波形峰值越易于被氣囊系統(tǒng)識別，因此爆破壓力pb也不宜選擇過小。

圖8 不同爆破壓力下波形對比

3 總結(jié)

提出新型汽車模擬碰撞液氣緩沖器，通過建立緩沖器仿真模型求解出碰撞加速度曲線，能夠符合歐洲有關(guān)技術(shù)法規(guī)的要求，可用于汽車安全部件的設(shè)計開發(fā)和試驗(yàn)驗(yàn)證。分析了相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對液氣緩沖器吸能特性的影響規(guī)律，為今后類似液氣緩沖器的設(shè)計提供理論借鑒。

[1]盛敬超.液壓流體力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1980.

[2]張彪.汽車模擬碰撞緩沖吸能器特性分析[D].長春：吉林大學(xué),2012.

[3]邱少波.汽車碰撞安全工程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2016.

[4]孫爽.多孔式液壓緩沖器仿真與優(yōu)化設(shè)計[D].大連：大連理工大學(xué),2006.

SimulationofEnergyAbsorberforSledImpactTest

ZHU Guihua，HONG Xiaobo，ZHU Tianhong

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha Hunan 410083, China)

A new type of gas-hydraulic energy absorber for sled impact test was introduced. Based on the theory of orifice flow, the mechanical model of the absorber was established, and the influences of various parameters on the absorber were discussed. The results show that, after the optimization of those parameters, the absorber can be used to reproduce acceleration wave under different collision speeds, and can be widely used in development and test validation of automobile safety units.

Sled impact test; Gas-hydraulic energy absorber; Acceleration; Dynamic simulation

2017-04-10

朱桂華(1962—)，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化技術(shù)、環(huán)保裝備。E-mail：zhuguihuaok@163.com。

洪小波，E-mail：hongxiaobo@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.003

U461.91

A

1674-1986(2017)08-013-04