某SUV副駕駛員安全氣囊試驗(yàn)及LS-DYNA有限元模型對(duì)標(biāo)

馬健勝，郭樹文，段丙旭

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 天津 300300)

0 引 言

隨著人們安全意識(shí)的提升，以及各國(guó)碰撞法規(guī)與新車評(píng)價(jià)體系規(guī)程(New Car Assessment Program，NCAP)對(duì)車輛碰撞安全性能的要求越來越嚴(yán)苛，汽車碰撞安全性能開發(fā)在車型開發(fā)流程中越來越重要[1]。車輛碰撞安全性能開發(fā)主要包括車輛結(jié)構(gòu)耐撞性提升與乘員約束系統(tǒng)匹配2部分內(nèi)容。

實(shí)車碰撞試驗(yàn)是汽車被動(dòng)安全研究最基本、最直觀且說服力強(qiáng)的方式，但是整車碰撞試驗(yàn)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高。隨著商業(yè)有限元軟件的發(fā)展，以及有限元假人準(zhǔn)確度的提升，通過計(jì)算仿真輔助的方式匹配優(yōu)化約束系統(tǒng)、計(jì)算假人乘員傷害值成為車型開發(fā)過程必不可少的手段[2]。車輛碰撞工況下乘員約束系統(tǒng)的匹配主要涉及的部件有：儀表板、方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、安全帶、安全氣囊和座椅。通過約束系統(tǒng)部件匹配，當(dāng)車輛檢測(cè)到發(fā)生碰撞時(shí)，行車電腦(ECU)根據(jù)碰撞強(qiáng)度做出判斷，發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)點(diǎn)爆氣囊、安全帶預(yù)緊裝置，氣囊和安全帶等約束系統(tǒng)部件共同作用使得在碰撞過程中假人乘員具有很好的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，假人各部位損傷值控制在法規(guī)要求范圍內(nèi)。安全氣囊作為約束系統(tǒng)匹配中的重要組成部件，需要對(duì)其點(diǎn)火時(shí)間、泄氣孔大小、氣囊剛度等參數(shù)進(jìn)行匹配優(yōu)化，才能讓氣囊恰到好處地發(fā)揮保護(hù)作用。開發(fā)前期，在約束系統(tǒng)有限元模型上驗(yàn)證各種參數(shù)方案對(duì)乘員的保護(hù)效果是必要的、高效的，通過仿真與試驗(yàn)的互相輔助驗(yàn)證，優(yōu)化氣囊參數(shù)，提升車輛約束系統(tǒng)對(duì)乘員的保護(hù)性能。有限元?dú)饽夷Ｐ徒５馁|(zhì)量，直接影響約束系統(tǒng)仿真模型中假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，對(duì)約束系統(tǒng)仿真優(yōu)化匹配的準(zhǔn)確度具有至關(guān)重要的影響。而安全氣囊性能的試驗(yàn)測(cè)試方法、氣囊有限元建模仿真技術(shù)主要被氣囊生產(chǎn)廠家掌握。因此，有必要對(duì)氣囊的試驗(yàn)以及建模進(jìn)行深入研究，氣囊模型的準(zhǔn)確性是約束系統(tǒng)仿真準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。

本文對(duì)某SUV副駕駛員PAB氣囊(Passenger Airbag)試驗(yàn)以及有限元模型建模仿真對(duì)標(biāo)進(jìn)行闡述。測(cè)試氣囊剛度特性的試驗(yàn)主要包括氣體發(fā)生器壓力容器試驗(yàn)(Tank試驗(yàn))、氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)、氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)。車輛安全氣囊有限元建模仿真及對(duì)標(biāo)，主要包括安全氣囊有限元建模、氣體發(fā)生器對(duì)標(biāo)、氣囊氣袋織布泄氣性對(duì)標(biāo)和氣囊線性沖擊性能對(duì)標(biāo)。

1 試驗(yàn)原理及參數(shù)設(shè)置

1.1 PAB沖擊試驗(yàn)原理

氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)是獲得氣囊剛度的重要試驗(yàn)。氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)設(shè)備包括：固定氣囊的剛性墻、水平導(dǎo)軌、剛性沖擊塊、彈射氣缸，試驗(yàn)裝置如圖1所示。本次試驗(yàn)臺(tái)側(cè)視圖、正視圖如圖2所示。給定質(zhì)量的沖擊塊以指定速度沿導(dǎo)軌沖擊氣囊，沖擊塊上的加速度傳感器測(cè)得其導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向的加速度曲線。進(jìn)行仿真試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，使得氣囊有限 元模型中動(dòng)態(tài)沖擊加速度表現(xiàn)與試驗(yàn)表現(xiàn)一致，由此說明氣囊有限元模型剛度與實(shí)體氣囊剛度一致。

圖1 氣囊沖擊試驗(yàn)裝置示意圖 Fig.1 Airbag impact test equipment

圖2 PAB沖擊試驗(yàn)設(shè)備側(cè)、正視圖 Fig.2 Side view and front view of PAB impact test equipment

1.2 氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)過程

沖擊器經(jīng)過光電門的時(shí)刻記為試驗(yàn)0時(shí)刻開始，沖擊塊上的加速度傳感器開始記錄數(shù)據(jù)，高速攝像機(jī)開始拍攝氣囊動(dòng)態(tài)視頻。沖擊塊勻速沿導(dǎo)軌向前滑動(dòng)，經(jīng)過一段延遲時(shí)間后，點(diǎn)爆氣囊，氣囊點(diǎn)爆后氣袋迅速被氣體充滿。在氣囊充滿時(shí)刻沖擊塊與氣囊發(fā)生接觸碰撞，沖擊頭繼續(xù)壓縮氣囊，在整個(gè)過程中，沖擊塊上的加速度傳感器采集加速度。

如圖3所示，該P(yáng)AB氣囊采用的剛性沖擊質(zhì)量塊前端面為規(guī)則矩形，矩形面尺寸200mm×300mm，沖擊塊總質(zhì)量35kg，沖擊速度為6m/s。其中沖擊塊由彈射氣缸彈出，氣缸參數(shù)需要調(diào)試多次，才能夠?qū)_擊塊速度調(diào)整為6m/s。

圖3 沖擊質(zhì)量塊 Fig.3 Impact mass block

本次PAB沖擊試驗(yàn)的工裝尺寸設(shè)置如圖4與表1所示。

圖4 PAB工裝圖 Fig.4 PAB fixture diagram

表1 PAB工裝尺寸測(cè)量 Tab.1 PAB fixture size

首先進(jìn)行各尺寸排氣孔氣囊的靜態(tài)展開試驗(yàn)，觀察氣囊展開形態(tài)，確定氣囊充滿需要的時(shí)間，以及在充滿狀態(tài)下的氣囊厚度。以此確定后續(xù)氣囊沖擊試驗(yàn)中沖擊塊與氣囊接觸的空間位置。需要合理的設(shè)備參數(shù)設(shè)置，使得沖擊塊與氣囊恰好在氣囊充滿時(shí)刻狀態(tài)下發(fā)生接觸碰撞。

通過各排氣孔氣囊的靜態(tài)展開試驗(yàn)，觀察氣囊達(dá)到充滿狀態(tài)所需的時(shí)間。氣囊達(dá)到充滿狀態(tài)的表現(xiàn)為該時(shí)刻氣囊體積達(dá)到最大，氣袋織布無褶皺。觀察到無孔氣囊充滿時(shí)間為36ms，其充滿狀態(tài)如圖5所示。氣孔直徑分別為30、40、50mm的氣囊充滿時(shí)間為38ms，此時(shí)氣孔直徑50mm的氣囊充滿狀態(tài)如圖6所示。調(diào)整相應(yīng)設(shè)備參數(shù)，使得在后續(xù)氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)中氣囊與沖擊塊恰好在氣囊充滿狀態(tài)下發(fā)生碰撞。

圖5 無孔氣囊靜態(tài)展開充滿狀態(tài)(36ms) Fig.5 Static expansion and full state of PAB without vent(36ms)

圖6 直徑Φ50mm氣囊充滿狀態(tài)(38ms) Fig.6 Full state of PAB with diameter Φ 50mm(38ms)

按照如下表2中試驗(yàn)矩陣對(duì)無孔和排氣孔規(guī)格為30、40、50mm的PAB氣囊進(jìn)行試驗(yàn)。先靜態(tài)點(diǎn)爆展開試驗(yàn)各一次，觀察不同規(guī)格氣囊靜態(tài)展開充滿時(shí)間與氣囊展開厚度，再進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)各 2次。表2中氣囊充滿時(shí)間為氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)中觀察到的氣囊達(dá)到充滿狀態(tài)的時(shí)間。延時(shí)時(shí)刻為沖擊塊經(jīng)過光電門之后，經(jīng)過該延時(shí)時(shí)間再點(diǎn)爆氣囊；接觸時(shí)刻為氣囊與沖擊塊發(fā)生接觸碰撞的時(shí)刻。

表2 PAB氣囊試驗(yàn)矩陣 Tab.2 PAB test setup

2 氣囊模型建立及試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

2.1 氣囊模型的建立

有限元?dú)饽夷Ｐ徒⒁约皩?duì)標(biāo)的質(zhì)量來源于碰撞工況下乘員約束系統(tǒng)仿真的實(shí)際需求。如圖7所示，在某SUV正碰50km/h臺(tái)車工況仿真試驗(yàn)對(duì)標(biāo)中，其副駕側(cè)乘員頭部、胸部、骨盆的X向試驗(yàn)加速度如圖8所示，可見假人碰撞歷程在0.15s內(nèi)。所以要求PAB有限元?dú)饽业膭偠忍匦栽?.15s內(nèi)要與實(shí)體氣囊剛度表現(xiàn)一致，才能更好地反映碰撞過程中氣囊與假人的相互作用。

圖7 某SUV 副駕正碰約束系統(tǒng)仿真對(duì)標(biāo) Fig.7 Benchmarking of an occupant restraint system on passenger side of a SUV

圖8 副駕H350頭、胸、骨盆試驗(yàn)加速度曲線 Fig.8 Test acceleration curves on passenger head，chest and pelvis

用Hybrid均壓法建立該P(yáng)AB氣囊發(fā)生器，參數(shù)主要在LS-DYNA軟件的AIRBAG_HYBRID關(guān)鍵字中進(jìn)行設(shè)置[3]。Hybrid均壓法氣囊能夠模擬乘員正常坐姿下，假人與氣囊的相互作用。PAB氣囊織布面片圖紙如圖9所示，進(jìn)行有限元模型建模，然后對(duì)各面片網(wǎng)格進(jìn)行縫合。面片有限元模型網(wǎng)格縫合后形成完整的封閉氣囊。兩個(gè)位置對(duì)稱的排氣孔分別在PAB氣囊左右兩側(cè)面片上，氣囊孔直徑規(guī)格分為無孔、2×30mm、2×40mm、2×50mm共 4種規(guī)格。

圖9 氣囊織布平面圖紙 Fig.9 Airbag plan drawing

將充滿狀態(tài)下的面片網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)三維空間坐標(biāo)作為該氣囊的參考幾何，參考幾何如圖10所示。建立氣囊參考幾何后對(duì)氣囊面片網(wǎng)格進(jìn)行折疊，使折疊后的PAB能夠放進(jìn)氣囊盒中。

圖10 氣囊模型參考幾何 Fig.10 Airbag model reference geometry

在Airbag Reference Geometry關(guān)鍵字中設(shè)置氣囊參考幾何[4]。如果有限元安全氣囊為折疊方式建立，展開的幾何精度將受到折疊方式的影響。建立氣囊的參考幾何，例如把氣囊最終展開狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)作為參考幾何，那氣囊初始折疊的任何形狀都不影響氣囊充滿的最終幾何形狀。設(shè)置氣囊參考幾何的目的是讓氣囊計(jì)算展開形狀，不受氣囊初始折疊方式的影響。

在Airbag-Hybrid關(guān)鍵字中，設(shè)置氣囊發(fā)生器有N2、CO2、H2O共3種氣體成分，根據(jù)總質(zhì)量流以及質(zhì)量百分比分別設(shè)置各氣體成分的質(zhì)量流。發(fā)生器的質(zhì)量流需要通過Tank試驗(yàn)對(duì)標(biāo)獲得。建立的氣囊模型動(dòng)態(tài)沖擊工況如圖11所示。

圖11 PAB試驗(yàn)工況搭建 Fig.11 Construction of PAB impact test conditions

2.2 氣囊發(fā)生器試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

氣囊氣體發(fā)生器的主要作用是在氣囊點(diǎn)爆后，快 速產(chǎn)生氣體將氣囊充滿展開。氣囊氣體發(fā)生器特性主要通過壓力容器試驗(yàn)(Tank試驗(yàn))獲得。該煙火式PAB發(fā)生器在體積60L密閉不變形的剛性罐內(nèi)點(diǎn)爆，發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生N2、CO2、H2O混合氣體，測(cè)得其壓力罐內(nèi)的壓力-時(shí)間曲線。通過調(diào)整仿真模型中的發(fā)生器參數(shù)，調(diào)整溫度流曲線，對(duì)60L Tank試驗(yàn)發(fā)生器點(diǎn)爆工況進(jìn)行模擬，使得在仿真中模擬的發(fā)生器點(diǎn)爆壓力與壓力-時(shí)間曲線和試驗(yàn)一致。PAB質(zhì)量流曲線由壓力曲線換算得到[5]。

PAB發(fā)生器參數(shù)為氣囊生產(chǎn)廠提供，Tank試驗(yàn)分別在高溫、常溫、低溫環(huán)境下進(jìn)行，測(cè)量不同溫度環(huán)境下的發(fā)生器輸出氣體的特性[6]。該P(yáng)AB氣囊常溫下Tank試驗(yàn)的氣體壓力-時(shí)間曲線如圖12所示，氣體質(zhì)量流-時(shí)間曲線如圖13所示。將產(chǎn)生的各氣體成分體積百分比轉(zhuǎn)化為各氣體成分質(zhì)量百分比，如表3所示。按照質(zhì)量百分比作為Airbag-Hydrid關(guān)鍵字中不同氣體的質(zhì)量流輸入。

表3 PAB氣體成分表 Tab.3 Gas composition table of PAB

圖12 壓力曲線 Fig.12 Pressure curve

圖13 質(zhì)量流曲線 Fig.13 Mass curve

建立簡(jiǎn)化的Tank模型如圖14所示，用體積60L的封閉剛性長(zhǎng)方體代表簡(jiǎn)化的壓力罐，使其體積與實(shí)體壓力罐體積一致。賦予氣囊關(guān)鍵字，模擬發(fā)生器在60L密閉容器內(nèi)點(diǎn)爆的Tank試驗(yàn)。仿真的壓力-時(shí)間曲線與試驗(yàn)對(duì)比如圖15所示，試驗(yàn)中氣囊發(fā)生器的仿真精度符合要求，曲線吻合。

圖14 簡(jiǎn)化Tank有限元模型60L Fig.14 Simplified Tank finite element model of 60L

圖15 Tank壓力仿真與試驗(yàn)對(duì)比 Fig.15 Simulation and test comparison of pressure curve in Tank test

2.3 PAB氣囊織布泄氣性對(duì)標(biāo)

在氣囊發(fā)生器仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)后，下一步對(duì)氣囊氣袋織布泄氣性進(jìn)行對(duì)標(biāo)，通過與無孔氣囊線性沖擊試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。氣體從氣囊中泄氣，主要有2個(gè)途徑：從氣孔泄氣和從織布泄氣。氣囊氣袋織布的作用是在氣體發(fā)生器點(diǎn)爆后，沖破PAB盒子上的撕裂線，迅速在乘員與儀表板之間形成氣墊緩沖。無孔氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)的主要目的是對(duì)氣囊的氣袋織布材料泄氣性進(jìn)行對(duì)標(biāo)。

如圖16所示，通過調(diào)整氣囊織布MAT34材料卡片中的泄氣速度-壓力曲線，使得在無孔氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)中，沖擊頭加速度仿真與試驗(yàn)一致，反映了氣囊織布在模型與試驗(yàn)中泄氣性能一致。仿真試驗(yàn)動(dòng)畫對(duì)比如圖17所示，沖擊頭仿真試驗(yàn)加速度對(duì)比如圖18所示。試驗(yàn)中沖擊塊最大減速度為14.1gn，仿真中沖擊塊最大減速度14.28gn，仿真 試驗(yàn)曲線吻合度較好，氣囊織布泄氣性對(duì)標(biāo)，滿足要求。

圖16 氣囊織布泄氣速率-壓力曲線 Fig.16 Deflation rate-pressure curve of airbag weaving

圖17 PAB 無孔仿真與試驗(yàn)動(dòng)畫對(duì)比 Fig.17 Simulation andtest animation comparison of PAB without vent

圖18 PAB 速度6m/s 0氣孔對(duì)標(biāo)結(jié)果 Fig.18 Benchmarking results of PAB without vent in impact test

2.4 PAB 30mm孔氣囊沖擊試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

在氣囊氣體發(fā)生器輸出特性、氣袋織布泄氣性對(duì)標(biāo)完成后，進(jìn)行各氣囊排氣孔大小的PAB剛度對(duì)標(biāo)。PAB 帶有左右2個(gè)直徑30mm的氣囊動(dòng)態(tài)沖擊對(duì)標(biāo)，仿真與試驗(yàn)動(dòng)畫對(duì)比如圖19所示，加速度曲線對(duì)比如圖20所示。可見，2×40mm直徑氣囊孔的氣囊展開狀態(tài)與試驗(yàn)一致，加速度特性在與沖擊塊接觸后的0.15s內(nèi)與試驗(yàn)吻合度較好，滿足仿真對(duì)標(biāo)需求。試驗(yàn)沖擊塊最大減速度9.5gn，仿真沖擊塊最大減速度9.3gn。

圖19 PAB vent30 動(dòng)畫對(duì)比 Fig.19 Simulation and test animation comparison of PAB with 30mm diameter vent

圖20 PAB速度6m/s 2×30mm氣孔對(duì)標(biāo)結(jié)果 Fig.20 Benchmarking results of PAB with 30mm diameter vent in impact test

2.5 PAB 40mm孔氣囊沖擊試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

帶有2個(gè)直徑40mm氣孔的PAB氣囊沖擊仿真與試驗(yàn)對(duì)比動(dòng)畫如圖21所示，加速度曲線對(duì)比如圖23所示。可見，2次試驗(yàn)曲線基本重合，說明該P(yáng)AB實(shí)體產(chǎn)品本身的生產(chǎn)一致性比較好。2×40mm直徑氣囊孔的PAB氣囊展開狀態(tài)與試驗(yàn)一致，加速度特性在與沖擊塊接觸后的0.15s內(nèi)與試驗(yàn)吻合度較好，滿足約束系統(tǒng)仿真對(duì)標(biāo)需求。試驗(yàn)沖擊塊最大減速度6.0gn，仿真沖擊塊最大減速度5.98gn。

圖21 vent40仿真與試驗(yàn)動(dòng)畫對(duì)比 Fig.21 Simulation and test animation comparison of PAB with 40mm diameter vent

圖23 PAB速度6m/s 2×40mm氣孔對(duì)標(biāo)結(jié)果 Fig.23 Benchmarking results of PAB with 40mm diameter vent in impact test

2.6 PAB 50mm孔氣囊沖擊試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

帶有2個(gè)直徑50mm氣孔的PAB氣囊沖擊仿真與試驗(yàn)對(duì)比動(dòng)畫如圖22所示，加速度曲線對(duì)比如圖24所示?？梢?，2×50mm直徑氣囊孔的氣囊展開狀態(tài)與試驗(yàn)一致，加速度特性在與沖擊塊接觸后的0.15s內(nèi)與試驗(yàn)吻合度較好，滿足仿真對(duì)標(biāo)需求。試驗(yàn)沖擊塊最大減速度3.6gn，仿真沖擊塊最大減速度4.35gn。

圖22 vent50仿真與試驗(yàn)動(dòng)畫對(duì)比 Fig.22 Simulation and test animation comparison of PAB with 50mm diameter vent

圖24 PAB速度6m/s 2×50mm氣孔對(duì)標(biāo)結(jié)果 Fig.24 Benchmarking results of PAB with 50mm diameter vent in impact test

3 結(jié) 論

本文介紹了某SUV副駕PAB氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試 驗(yàn)原理、試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置。對(duì)氣體發(fā)生器壓力容器試驗(yàn)、氣囊靜態(tài)展開試驗(yàn)、氣囊氣袋織布泄氣性、不同氣孔規(guī)格氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了有限元模型建模與仿真試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，其中分別對(duì)無孔以及孔徑為30、40、50mm的氣囊進(jìn)行了氣囊動(dòng)態(tài)沖擊仿真試驗(yàn)對(duì)標(biāo)。該P(yáng)AB各規(guī)格排氣孔的有限元?dú)饽覍?duì)標(biāo)質(zhì)量良好，滿足后續(xù)約束系統(tǒng)優(yōu)化匹配仿真要求。本文論述的氣囊試驗(yàn)測(cè)試方式與仿真建模方法可為約束系統(tǒng)開發(fā)提供參考?！?/p>