不同弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板性能仿真分析研究

高鵬堂

武威職業(yè)學(xué)院,甘肅威武 733000

0 引言

車(chē)載安全氣囊系統(tǒng)是車(chē)輛安全性的重要保障，在車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)有效保護(hù)駕駛員與乘員的生命安全。安全氣囊早在20世紀(jì)60年代被研制出來(lái)并應(yīng)用于車(chē)輛，研究表明：安全氣囊可以降低14%車(chē)輛碰撞時(shí)駕駛員與乘員的死亡率，對(duì)于大型交通事故而言，安全氣囊甚至能夠降低30%的死亡率。安全氣囊安裝于汽車(chē)儀表板安全氣囊區(qū)蓋板的下方，主要由氣體發(fā)生器、碰撞傳感器和控制器等部件組成。當(dāng)車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，由碰撞傳感器接收碰撞信號(hào)并傳遞給控制器，控制器輸出信號(hào)促使氣體發(fā)生器點(diǎn)火，并迅速產(chǎn)生大量氣體致使氣囊迅速膨脹產(chǎn)生內(nèi)部壓力。當(dāng)安全氣囊袋對(duì)安全氣囊蓋板的擠壓應(yīng)力突破安全氣囊蓋板材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，安全氣囊蓋板將沿著弱化槽撕開(kāi)從而彈出安全氣囊，以達(dá)到保護(hù)駕駛員與乘員安全的目的。因此，安全氣囊蓋板能否順利打開(kāi)是這一過(guò)程的重要保障，而這主要與安全氣囊蓋板的材料和蓋板弱化槽的設(shè)計(jì)有關(guān)。

近年來(lái)，圍繞車(chē)載安全氣囊系統(tǒng)的研究，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了大量研究。周健波等基于Moldfolw設(shè)計(jì)了一種安全氣囊蓋板的注塑模具對(duì)安全氣囊蓋板模具的注塑過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，解決了安全氣囊蓋板在注塑成型過(guò)程中可能出現(xiàn)的氣泡、尺寸精度不足以及變形等問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)影響安全氣囊蓋板穩(wěn)健性的主要因素有安全氣囊蓋板是否具有加強(qiáng)筋、安全氣囊蓋板的材料和安全氣囊蓋板的弱化結(jié)構(gòu)等。董衛(wèi)國(guó)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對(duì)安全氣囊蓋板弱化槽的激光加工技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提升了其安全性能。周宗馬等借助LS-PrePost有限元分析軟件中的Airbag Folding模塊對(duì)安全氣囊爆破時(shí)安全氣囊展開(kāi)的過(guò)程進(jìn)行了模擬，并對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其可靠性，大大縮短了安全氣囊系統(tǒng)的研發(fā)流程。

由此可見(jiàn)，對(duì)安全氣囊及其氣囊區(qū)工藝設(shè)計(jì)研究已日漸成熟。然而，安全氣囊蓋板弱化槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于安全氣囊系統(tǒng)的安全性能至關(guān)重要，但目前卻少有深層次的研究。為此，本文借助ABAQUS軟件來(lái)對(duì)比分析不同弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板的展開(kāi)特性。

1 安全氣囊蓋板有限元模型構(gòu)建

1.1 三維模型的建立

三維模型的建立是有限元分析步驟中最為關(guān)鍵的步驟，本文使用SolidWorks進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)與構(gòu)建。目前，主流的安全氣囊蓋板的弱化槽結(jié)構(gòu)可分為U型、H型和雙Y型3種。根據(jù)實(shí)物測(cè)得，安全氣囊表面長(zhǎng)度為250.02 mm，寬度為158.46 mm，厚度為4.00 mm，表面為曲面;氣囊室的外圈長(zhǎng)度為210.02 mm,寬度為112.08 mm，厚度為4.00 mm，最高處為65.39 mm，最低處為45.93 mm;側(cè)面為裝配孔，底部有U型弱化槽，深度為3.00 mm弱化槽。以此為基礎(chǔ)，建立3種類(lèi)型弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板三維模型，分別如圖1至圖3所示。

圖1 H型弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板三維模型

圖2 雙Y型弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板三維模型

圖3 U型弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板三維模型

1.2 有限元模型的建立

通常情況下，有限元模型的建立過(guò)程就是有限元分析的前處理，主要包括定義問(wèn)題的幾何區(qū)域、定義單元的類(lèi)型即選擇不同自由度的單元、定義材料屬性、定義模型幾何屬性即三維模型建立、定義邊界條件以及劃分網(wǎng)格。

在使用SolidWorks軟件建立安全氣囊蓋板三維模型后，將模型文件保存為.step格式再導(dǎo)入ABAQUS中，并將模型創(chuàng)建為獨(dú)立部件。安全氣囊蓋板的材料主要為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料材質(zhì)，材料屬性見(jiàn)表1。因此在ABAQUS中根據(jù)表1數(shù)據(jù)完成對(duì)模型的材料屬性定義。

表1 材料屬性

定義材料屬性并指派截面后，接下來(lái)需要給模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文使用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)來(lái)為模型劃分網(wǎng)格，首先在Mesh模塊中的Mesh-controls里選擇Quad-dominated;然后將單元體形狀設(shè)定為四面體，對(duì)于過(guò)渡區(qū)域和連接區(qū)域，有曲面等區(qū)域需要使用三角單元進(jìn)行過(guò)渡，所以在過(guò)渡區(qū)域允許三角形單元出現(xiàn)。完成網(wǎng)格劃分后即可得到3種弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板的有限模型。圖4為U型弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板有限元模型。

圖4 U型弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板有限元模型

2 汽車(chē)安全氣囊蓋板有限元分析

汽車(chē)在遇到正面碰撞時(shí)，氣囊模塊氣體發(fā)生器會(huì)起爆，起爆瞬間產(chǎn)生大量氣體，氣體膨脹帶動(dòng)氣囊?guī)蛎?，安全氣囊蓋板在氣囊袋膨脹的沖擊作用下，安全氣囊蓋板沿著氣囊弱化槽撕開(kāi)，之后隨著旋轉(zhuǎn)鉸鏈旋轉(zhuǎn)并打開(kāi)。在氣囊爆破時(shí)，氣囊對(duì)安全氣囊蓋板的沖擊力約為1 764 N，起爆壓力約為70 kPa。為了簡(jiǎn)化分析的過(guò)程，設(shè)定氣囊在爆破瞬間對(duì)氣囊蓋板的沖擊力為恒定值。同時(shí)，在進(jìn)行有限元分析過(guò)程中，可以認(rèn)為安全氣囊的底部為完全固定狀態(tài)。所以可以結(jié)合以上分析對(duì)安全氣囊蓋板進(jìn)行載荷的施加與約束的固定，設(shè)定======0。圖5為添加載荷與約束的有限元仿真模型。

圖5 添加載荷與約束的有限元仿真模型

為了研究不同弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板的爆破方式，分別對(duì)3種不同類(lèi)型弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板進(jìn)行了有限元分析，并使三者弱化槽的殘余厚度都設(shè)定為2 mm。在完成上述汽車(chē)安全氣囊蓋板有限元模型的前處理之后，創(chuàng)建作業(yè)并提交計(jì)算，得到安全氣囊蓋板在爆破瞬間的應(yīng)力。H型、雙Y型和U型弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板應(yīng)力云圖如圖6至圖8所示。

圖6 H型弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板應(yīng)力云圖

圖7 雙Y型弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板應(yīng)力云圖

圖8 U型弱化槽結(jié)構(gòu)安全氣囊蓋板應(yīng)力云圖

由圖6可以看出，H型弱化槽結(jié)構(gòu)在受到安全氣囊沖擊時(shí)，H型弱化槽結(jié)構(gòu)中的橫向弱化槽受到最大的應(yīng)力，最大可以達(dá)到26.90 MPa，而中間橫向弱化槽的兩旁受力較小，最低甚至可以低于2.00 MPa，H型弱化槽豎直方向受到應(yīng)力約為17.95 MPa。由此可以推斷，在爆破過(guò)程中，H型弱化槽結(jié)構(gòu)中間受力最大，所以安全氣囊蓋板從中間率先撕開(kāi)，中間撕開(kāi)后，周邊弱化槽受到的應(yīng)力將會(huì)迅速增大，并沿著H型弱化槽的路徑完全撕開(kāi)，并最終實(shí)現(xiàn)氣囊蓋板的張開(kāi)，安全氣囊展開(kāi)。從整體來(lái)看，H型弱化槽中間橫向槽很長(zhǎng)，使得安全氣囊蓋板展開(kāi)的面積更大，而且長(zhǎng)弱化槽展開(kāi)的速度也更快，這有利于安全氣囊的迅速展開(kāi)。但是，由圖中也可以看出，H型弱化槽在受到安全氣囊沖擊時(shí)四周所受應(yīng)力差別不是很大，尤其在H型弱化槽轉(zhuǎn)角處受到的應(yīng)力甚至稍微低于最邊緣受到的應(yīng)力，這使得兩側(cè)展開(kāi)可能并不順利，甚至?xí)茡p產(chǎn)生碎片，在應(yīng)用時(shí)不利于保護(hù)駕駛員與乘員，需要進(jìn)行更多的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

由圖7可以看出，雙Y型弱化槽結(jié)構(gòu)在受到安全氣囊沖擊時(shí)，雙Y中間橫向弱化槽受最大的應(yīng)力，最大可以達(dá)到27.37 MPa，從橫向弱化槽中心到四周應(yīng)力大小下降較慢。橫向弱化槽以及左右V型中間受到的應(yīng)力最低，最低可低于約4.00 MPa。兩端V型弱化槽的應(yīng)力也高于自身四周，平均受到約為16.00 MPa。由此可以推斷，在爆破過(guò)程中，雙Y型和H型類(lèi)似，中間弱化槽受力最大，兩邊較低，所以安全氣囊蓋板會(huì)從中心率先撕開(kāi)，并隨著撕開(kāi)后應(yīng)力增大開(kāi)始沿著弱化槽線(xiàn)向四周撕開(kāi)，實(shí)現(xiàn)安全氣囊的展開(kāi)。從整體來(lái)看，雙Y型弱化槽和H型弱化槽的受力以及展開(kāi)方式相似，但雙Y型弱化槽中心的橫向弱化槽短于H型弱化槽，這使得安全氣囊展開(kāi)過(guò)程中受到的阻礙更多一點(diǎn)，從而使得安全氣囊從氣囊蓋板中展開(kāi)的時(shí)間變長(zhǎng)。但由于雙Y型弱化槽兩旁V型弱化槽受到的應(yīng)力高于其四周蓋板受到的應(yīng)力，使得安全氣囊蓋板更容易沿著弱化槽線(xiàn)的方向撕開(kāi)，安全氣囊蓋板展開(kāi)過(guò)程更為順利，可以減少安全氣囊破碎產(chǎn)生碎片的可能性。

由圖8可以看出，U型弱化槽結(jié)構(gòu)在受到安全氣囊沖擊時(shí)，U型槽最底部橫向槽受到應(yīng)力最大，最大為27.08 MPa，豎直方向弱化槽受到應(yīng)力約為13.56 MPa。與雙Y型和H型不同的是，U型弱化槽橫向部分旁邊低應(yīng)力區(qū)域很小，豎直弱化槽也是類(lèi)似，U型弱化槽的安全氣囊蓋板中偏下區(qū)域受到較大的應(yīng)力，這片區(qū)域受到的應(yīng)力高于安全氣囊蓋板四周受到的應(yīng)力，這片區(qū)域受到最大應(yīng)力約為18.07 MPa，而這片區(qū)域上方又有一片較小的低應(yīng)力區(qū)域，最小約為2.29 MPa。由此可以推斷，U型弱化槽在受到安全氣囊沖擊時(shí)，由于底部受到最大應(yīng)力，所以U型弱化槽安全氣囊蓋板會(huì)率先沿著U型底部橫向槽中心撕開(kāi)，而安全氣囊蓋板中偏下區(qū)域也受到比四周更大的應(yīng)力，會(huì)有凸起的趨勢(shì)并帶動(dòng)底部開(kāi)口加速撕開(kāi)，最終開(kāi)口將沿著U型弱化槽線(xiàn)方向完全撕開(kāi)，使得安全氣囊順利展開(kāi)。從整體來(lái)看，U型弱化槽安全氣囊蓋板擁有和H型弱化槽安全氣囊蓋板一樣的優(yōu)點(diǎn)，就是橫向弱化槽長(zhǎng)，這利于安全氣囊的快速展開(kāi)。但U型弱化槽蓋板也具有和H型蓋板類(lèi)似的缺點(diǎn)，也就是豎直弱化槽部分受到的應(yīng)力并不高于周邊太多，并且橫向弱化槽到豎直弱化槽的過(guò)渡不如雙Y型自然，這使得開(kāi)口在U型和H型弱化槽的傳播過(guò)程不如雙Y型順利，可能會(huì)出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，不利于保護(hù)駕駛員與乘員。不僅如此，由于U型弱化槽安全氣囊蓋板的中下部出現(xiàn)一片受到應(yīng)力較大的區(qū)域，并高于其四周區(qū)域，這可能使得弱化槽在受到安全氣囊沖擊時(shí)，中下部凸起，如果U型槽底部橫向槽撕開(kāi)受到阻礙、撕開(kāi)速度不夠快以及材料強(qiáng)度不夠或者材料混合不均勻的情況下，可能會(huì)產(chǎn)生更多的破碎現(xiàn)象，這將會(huì)嚴(yán)重影響汽車(chē)駕駛員和乘員的安全。

3 結(jié)論

(1)基于有限元分析軟件ABAQUS研究了2 mm殘余厚度H型、U型以及雙Y型安全氣囊蓋板在爆破時(shí)的受力情況。結(jié)果表明：3種弱化槽類(lèi)型的安全氣囊蓋板都是其橫向槽中心受到最大應(yīng)力，并且大于材料的斷裂強(qiáng)度，而橫向槽周邊應(yīng)力低，可以順利從中心撕開(kāi)，開(kāi)口隨著弱化槽線(xiàn)傳播，最終實(shí)現(xiàn)安全氣囊蓋板完全展開(kāi)。

(2)針對(duì)H型、U型以及雙Y型安全氣囊蓋板的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)橫向槽可以更利于安全氣囊的迅速展開(kāi)，而雙Y型弱化槽的V型轉(zhuǎn)折有利于氣囊蓋板自身的展開(kāi)和開(kāi)口傳播。

(3)文中相關(guān)理論方法對(duì)工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化研究具有一定的指導(dǎo)和借鑒價(jià)值。