正面碰撞安全氣囊點火時刻的研究

田鈺楠,郝琪,毛怡,劉宇

(湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程學院,湖北十堰 442002)

汽車發(fā)生碰撞時,安全氣囊是保護乘員安全的重要裝置,其點火時刻的選擇是影響乘員損傷的重要因素。點火過早安全氣囊展開后由于泄氣孔的存在,導致乘員接觸安全氣囊時安全氣囊的剛度減小,乘員穿過安全氣囊與方向盤及汽車內(nèi)飾發(fā)生硬性碰撞。點火時刻過晚會導致安全氣囊在還未完全展開之前與乘員接觸,氣囊與乘員的碰撞速度大于乘員初速度,安全氣囊由爆炸氣體產(chǎn)生的沖擊力造成乘員的二次傷害。因此,選取最佳的點火時刻對乘員的保護有著重要的意義。

在乘員約束系統(tǒng)的開發(fā)階段需要進行大量的安全氣囊匹配試驗,利用有限元法進行仿真計算是最有效的研究方法之一。文獻[1-2]中確定安全氣囊點火時刻的是在一定時間范圍內(nèi)通過仿真模型計算出最佳點火時刻;該方法計算時間過長,點火時間初始值的選取方法依賴于經(jīng)驗。文獻[3-5]中利用MATLAB基于反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立氣囊點火控制算法模型,預測安全氣囊的最佳點火時刻。本文提出了一種快速確定氣囊點火時刻的計算公式,通過車體最大壓縮量、重疊吸能效率和胸部位移等碰撞特性參數(shù)確定安全氣囊的點火時刻,并利用仿真模型驗證了計算公式的可靠性。

1 氣囊點火時刻的計算

氣囊必須在正確的點火時刻啟動,使安全帶到達其吸能極限時繼續(xù)為乘員提供約束,最佳的氣囊起爆時間應保證乘員在氣囊剛好展開到最大時的一瞬間與之接觸。國際上普遍采用T5in-30 ms原則[6-7]確定安全氣囊的點火時刻,即將乘員胸部向前移動5in(127 mm)所需時間減去安全氣囊展開所需要的30 ms做為氣囊目標點火時刻。氣囊點火時刻TTF公式為

TTTF=T5in-30 ms

(1)

由于5in是平均估計值,用乘員與約束系統(tǒng)接觸的時間tc代替乘員胸部向前移動5in所需要的時間T5in[7],當乘員加速度達到安全帶限力器所產(chǎn)生的胸部加速度時,乘員胸部與氣囊接觸的時間tc表達式為

(2)

式中:D1為安全氣囊與胸部接觸時胸部的位移,即乘員與方向盤之間距離減去氣囊厚度,m;ESW和ESWO分別為車體與乘員的等效方波加速度幅值,g。

在沒有進行乘員約束系統(tǒng)匹配前,僅能獲得實車碰撞仿真結(jié)果,即可得到整車壓潰量、車輛加速度曲線及其等效方波。

(3)

式中:vo為碰撞初速度,m/s;C為車體最大壓縮量,m。

為獲取ESWO,利用能量分析法,將乘員碰撞時的動能分解為被約束系統(tǒng)吸收能量和通過車體壓縮變形所吸收的乘員動能,公式為

(4)

(5)

重疊吸能量與乘員初始能量的比值為重疊吸能效率Rrd。根據(jù)四星、五星級NCAP試驗數(shù)據(jù)庫計算出重疊吸能效率Rrd的臨界值為53%[7]。為充分利用重疊吸能量,取Rrd=0.53,最佳重疊吸能密度的公式如下:

(6)

(7)

結(jié)合式(1)～式(6),點火時刻TTF的公式為

(8)

由公式(8)知,點火時刻與3個參數(shù)相關(guān),即車體最大壓縮量C、安全氣囊與胸部接觸時胸部的位移D1和碰撞速度vo。

該公式的提出,可以在僅有整車碰撞實驗或仿真結(jié)果的條件下,借助乘員理想位移(12in),直接利用整車碰撞壓縮量,初步快速的匹配該車的安全氣囊點火時刻。

2 實例驗證

以某小型純電動汽車50 km/h正面碰撞為例,利用公式(8)計算點火時刻并與仿真的理想點火時刻進行驗證。小型純電動汽車的整備質(zhì)量為942 kg,輪距為1 830 mm,軸距為1 300 mm,車身長約2 760 mm最小離地間隙為140 mm,如圖1所示。

圖1 純電動汽車視圖

2.1 理論點火時刻

該車乘員與方向盤的距離約為375 mm,氣囊厚度約為265 mm,氣囊完全展開所需的時間約為30 ms,基本符合T5in-30 ms原則條件。安全氣囊與胸部接觸時胸部的位移D1=0.11 m,試驗測得車體最大壓縮量C=0.368 m,將數(shù)據(jù)代入公式(8)中得到安全氣囊點火時刻TTTF=13 ms。

2.2 仿真確定安全氣囊理想點火時刻

2.2.1 約束系統(tǒng)建模

1) 安全氣囊模型

駕駛員安全氣囊由上下兩片圓形織物材料縫合而成,內(nèi)部有排氣孔和拉帶。本模型氣囊直徑660 mm,排氣孔直徑30 mm,拉帶長度280 mm,均對稱分布。氣囊預先設(shè)定折疊線位置,采用平均單元尺寸5 mm×5 mm的四邊形網(wǎng)格劃分氣囊表面,單元算法采用膜單元算法,沿厚度方向上的積分點為5,上下表面間距0.5 mm,四周由網(wǎng)格節(jié)點連接。

氣囊織物材料是非正交的各向異性材料[8],織物以經(jīng)緯按照一定角度編織,經(jīng)緯線的夾角在大變形過程中會發(fā)生改變,從而導致力學性能發(fā)生改變。有限元軟件LS-DYNA用MAT 34號材料來模擬氣囊織物,安全氣囊的材料基本性能見表1。氣囊拉帶用1D彈簧單元模擬,安全氣囊有限元模型如圖2所示。

表1 安全氣囊的材料性能參數(shù)

圖2 安全氣囊有限元模型

氣囊自接觸使用DYNA中氣囊專用卡片*CONTACT-AIRBAG-SINGLE-SURFACE,能更準確地處理翹曲單元和邊對邊的接觸。為了避免在自接觸中產(chǎn)生不穩(wěn)定的振蕩,模擬氣囊的真實展開情況,阻尼系數(shù)為10。氣囊織物與模型的其他部件接觸,使用面面接觸* CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE。

在仿真計算中為修正扭曲單元的形狀,使氣囊最終展開成準確的幾何形狀,需保存氣囊平鋪的初始單元位置信息。氣囊參考幾何的設(shè)置通過關(guān)鍵字*AIRBAG_REFERENCE_GEOMETRY_RDT定義。

氣囊的折疊利用LS-PrePost軟件中的ABFold模塊,采取左右對稱式層狀折疊,上下卷繞折疊的方式,折疊間距為1 mm,折疊后的氣囊如圖3所示。對氣囊自由松弛仿真分析得到氣囊內(nèi)能約為29 J小于行業(yè)規(guī)定50 J,滿足氣囊穩(wěn)定性要求。氣囊內(nèi)能時間曲線如圖4所示。

圖3 安全氣囊折疊類型

圖4 氣囊松弛的內(nèi)能曲線

氣囊的充氣采用*AIRBAG_WANG_NEFSKE均勻壓力法模擬[9],同時卡片調(diào)用排氣孔ID號模擬排氣孔泄氣。為保證氣囊快速沖開方向盤蓋板的約束并且在30 ms左右完全展開結(jié)束充氣過程,充氣氣體質(zhì)量流曲線呈現(xiàn)拋物線趨勢,質(zhì)量流曲線如圖5所示。

圖5 質(zhì)量流曲線

氣囊展開后表面積相較于未折疊的氣囊表面積僅增加0.68%,圖6為安全氣囊體積時間曲線。

圖6 氣囊體積曲線

由圖6知,在30 ms左右安全氣囊體積最大且穩(wěn)定,30 ms之后氣囊逐漸泄氣,該氣囊完全展開所需時間為30 ms,滿足T5in-30 ms氣囊條件。

2) 駕駛室約束系統(tǒng)模型

根據(jù)車輛駕駛室的位置參數(shù)建立簡易的仿真模型如圖7,包括假人、座椅、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、地板等。該車已完成整車碰撞仿真與試驗[10],輸入實車碰撞試驗的B柱加速度曲線,如圖8所示。

圖7 駕駛室約束系統(tǒng)模型

圖8 B柱加速度曲線

2.2.2 仿真模型驗證

1) 評價指標

乘員損傷值是評價乘員約束系統(tǒng)性能的重要指標,損傷指標涉及到假人的頭部、胸部、腿部等多個部分。研究采用加權(quán)傷害準則WIC作為對安全氣囊保護效果的評價指標,WIC的表達式[11-12]為

(9)

式中:HIC為頭部傷害指數(shù),不大于1 000;C3ms為胸部3 ms合成加速度值,小于60 g;D為胸部壓縮量,不大于75 mm;FFL為左大腿軸向壓力,kN;FFR為右大腿軸向壓力,kN,大腿總的軸向壓力F不大于20 kN。各傷害指標進行歸一化處理,按不同權(quán)重建立加權(quán)傷害評價指標WIC。WIC越低,對假人損傷越小。在以點火時刻為變量的乘員傷害仿真中,最佳安全氣囊的點火時刻應使得假人的的WIC值最低。

2) 計算結(jié)果

以乘員損傷WIC為評價指標,安全氣囊點火時刻為設(shè)計變量,為確定設(shè)計變量的范圍,以假人與方向盤發(fā)生硬性碰撞和假人頭部HIC<1 000為邊界條件,得到安全氣囊點火時刻有效范圍為5～25 ms。以1 ms為變化量,共進行21組仿真試驗計算,得到點火時刻為5～25 ms的乘員損傷各項參數(shù)的變化,如圖9所示。

圖9 點火時刻對乘員損傷的影響

由圖9知,曲線均呈現(xiàn)不規(guī)則波動式增長,在5 ms和20 ms左右波動較為明顯,10～15 ms時處于較為穩(wěn)定的狀態(tài),15 ms以后WIC急速上升。由圖9a)知,在10～15 ms時刻頭部HIC值處于較低的穩(wěn)定狀態(tài),對頭部傷害較小。圖9b)和圖9c)為胸部損傷的變化,靠近點火時刻的邊界值胸部損傷波動較大且胸部壓縮量不符合要求。

點火時刻靠近5 ms時,點火時刻過早導致氣囊在未與假人接觸時發(fā)生泄氣,氣囊剛度減小容易使頭部穿過氣囊的保護與方向盤發(fā)生硬性碰撞,假人處于硬性碰撞限值邊界,導致曲線的不穩(wěn)定性。當點火時刻為15 ms以后,WIC值急速上升且波動明顯,此時點火時刻已經(jīng)過晚,使氣囊在還未完全展開時就與假人發(fā)生碰撞,氣囊展開時的沖擊力對假人造成二次傷害。圖9d)中WIC在10～15 ms時刻處于穩(wěn)定低值。

綜上所述,約束系統(tǒng)仿真模型中得到假人傷害值處于穩(wěn)定最低值的最佳的點火時刻為10～15 ms且乘員損傷均滿足要求,由點火時刻公式計算所得的點火時刻為13 ms位于仿真值范圍內(nèi),由此驗證了點火時刻計算公式的可靠性。

3 結(jié)論

1) 在T5in-30 ms原則的基礎(chǔ)上,推導出安全氣囊點火時刻的計算公式,通過碰撞試驗中車體最大壓縮量C、安全氣囊與胸部接觸時胸部的位移D1和碰撞速度vo這3個參數(shù)可以計算出安全氣囊點火時刻。

2) 通過對駕駛員約束系統(tǒng)模型的仿真計算,得到安全氣囊點火時刻對假人頭部、胸部及WIC損傷的影響趨勢呈現(xiàn)不穩(wěn)定增長趨勢,驗證安全氣囊點火時刻公式的準確性并且均滿足要求。

3) 通過安全氣囊點火時刻的計算公式,可以僅通過整車的碰撞試驗(不含假人及約束系統(tǒng))或仿真結(jié)果,利用理想胸部位移,初步確定準確的點火時刻,有效提高乘員約束系統(tǒng)仿真效率,縮短研發(fā)周期。