楊銀麗 黃玉強(qiáng) 徐源林 陸萍 何金光

（長春富維—江森自控汽車飾件系統(tǒng)有限公司）

1 前言

目前，大多數(shù)安全氣囊展開CAE分析采用控制體積法[1,2]，不需要建立氣體發(fā)生器模型，并假設(shè)在安全氣囊中溫度和壓力一致。但控制體積法與物理試驗在充氣過程方面有所不同，這是由于在儀表板隱式氣囊中，氣囊與儀表板距離非常近，在點爆后4 ms左右氣囊就會接觸到儀表板弱化結(jié)構(gòu)，并頂開氣囊門，此時氣囊充氣還遠(yuǎn)沒有結(jié)束，因此，對于隱式氣囊，這種在設(shè)計過程中需要關(guān)注整個展開過程對儀表板結(jié)構(gòu)影響的情況，控制體積法不夠精確，需選用能真實反應(yīng)氣囊展開過程的方法來進(jìn)行仿真。

同濟(jì)大學(xué)吳光強(qiáng)等應(yīng)用顆粒法對安全氣囊進(jìn)行了模擬分析，同時對某駕駛員安全氣囊分別使用控制體積法和顆粒法進(jìn)行了仿真對比[3,4]，王美松等[5]也對側(cè)安全氣囊分別進(jìn)行了顆粒法和控制體積法的仿真對比，對比結(jié)果表明，控制體積法只適用于乘員與氣囊作用的仿真模擬，顆粒法才能模擬出氣囊展開初期的高速氣流運(yùn)動，以及氣流與氣袋織布間的接觸作用，而隱式氣囊由于儀表板結(jié)構(gòu)影響氣囊展開，在模擬時更適合選用顆粒法。現(xiàn)有研究中，運(yùn)用顆粒法對安全氣囊進(jìn)行仿真的模型都相對比較簡單，未能在復(fù)雜項目上進(jìn)行廣泛應(yīng)用，因此，研究結(jié)果還不能直接用于指導(dǎo)儀表板氣囊區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文基于顆粒法，采用LS-DYNA軟件，對汽車儀表板安全氣囊展開過程進(jìn)行了建模和仿真分析，并與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。

2 試驗方法與步驟

2.1 試驗設(shè)備

采用?？怂箍担╤exagon）非接觸式白光測量機(jī)Optigo 200對氣囊囊袋展開后外形進(jìn)行掃描，掃描后得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到HyperMesh11.0中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。氣囊靜態(tài)展開試驗在步入式恒溫恒濕試驗箱GDW/SG4－30中完成。

2.2 試驗過程

a. 裝配試驗樣件，將副駕駛安全氣囊模塊安裝到儀表板上后裝配在車身夾具上。

b. 高溫（+85℃）和低溫（－35℃）試驗前，試驗樣件需存放在溫度箱中，存放時間大于4 h；常溫試驗則無要求。

c. 調(diào)整試驗錄像圖，用高速攝像機(jī)HG－100K進(jìn)行圖像收集，共分3個視圖：正面90°、左面45°、右面45°；相機(jī)數(shù)量：3臺高速攝像機(jī)（1個視圖1臺攝像機(jī)）；相機(jī)幀數(shù)：5000幀；計時方式：從0開始計時。

d. 點爆氣囊，完成試驗。以某項目為例，點爆電流為1.75 A，持續(xù)時間為2 ms。

2.3 評價標(biāo)準(zhǔn)

評價標(biāo)準(zhǔn)按Q CAF01 0300 P－100－2009 《乘員側(cè)安全氣囊模塊技術(shù)條件》執(zhí)行。

3 有限元模型建模

3.1 安全氣囊囊袋有限元模型

將儀表板惰性安全氣囊模塊拆解后，展開囊袋將其鋪平，通過白光掃描得到囊袋的CAD模型，將CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Hypermesh11.0中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖1所示。最初劃分囊袋網(wǎng)格采用的平均尺寸是10 mm，在LS－PrePost折疊時，發(fā)現(xiàn)折疊形狀不好控制，且容易穿透，最后綜合考慮計算精度和速度兩方面因素，采用以四邊形為主的網(wǎng)格，網(wǎng)格平均尺寸為3 mm，在網(wǎng)格劃分過程中將折疊線位置預(yù)留出來。選用LS－Dyna中的*MAT_34材料模擬囊袋柔性織物，材料數(shù)據(jù)來自實際的拉伸和45°剪切方向的試驗數(shù)據(jù)。

根據(jù)實際折疊方式對安全氣囊建立模型。將Hypermesh11.0中畫好的網(wǎng)格導(dǎo)入到LS－PrePost軟件中，用Airbag Folding模塊對安全氣囊進(jìn)行折疊，折疊方法選擇Thinfold，共用13步完成了整個氣囊的折疊，將折疊好的氣囊導(dǎo)入到Hypermesh11.0中與氣體發(fā)生器進(jìn)行裝配。折疊后安全氣囊的有限元模型如圖2所示。

3.2 弱化線建模

儀表板網(wǎng)格平均尺寸為5 mm，弱化線區(qū)域平均尺寸為1.5 mm，如圖3所示，弱化線區(qū)域的厚度定義為實際CAD數(shù)據(jù)的厚度。

3.3 泡沫模型的建立

在模型中，儀表板安全氣囊區(qū)域的泡沫用六面體單元劃分，泡沫厚度為8 mm，共劃分為3層，選用LS－Dyna中的*MAT_57來定義泡沫。弱化線區(qū)域的泡沫在屬性中加*MAT_ADD_EROSION來定義泡沫失效，但泡沫失效參數(shù)假設(shè)為一個非常小的應(yīng)力值（0.05 MPa），嘗試把弱化線區(qū)域的泡沫網(wǎng)格刪除后提交運(yùn)算，展開形態(tài)基本不受影響，因此該應(yīng)力值不會對結(jié)果造成影響。

3.4 接觸參數(shù)設(shè)置

選用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGEL_SURFACE來定義囊袋自身接觸，為了有效消除網(wǎng)格穿透，選用的參數(shù)如表1所示。

最初在設(shè)置模型時選用的接觸參數(shù)為CASE A:soft=1,sbopt=0,depth=2,bsort=100,但計算結(jié)果中出現(xiàn)了穿透和與試驗不符的側(cè)偏現(xiàn)象，如圖4所示的下半部分結(jié)果。根據(jù)LS_DYNA手冊中[6]關(guān)于接觸參數(shù)的介紹，選用CASE B:soft=2,sbopt=3,depth=5,bsort=10。soft選擇2，用基于段的搜索方式，能使接觸更穩(wěn)定，特別是大變形或單元密度和材料剛度變化較大時；depth選用5，軟件會自動搜索表面及邊對邊的穿透，避免不該發(fā)生的穿透；bsort是基于段搜索的頻率，通常情況下碰撞默認(rèn)選擇100，但在airbag接觸中用10，這樣會增加計算過程中接觸搜索的密度。最終解決了側(cè)偏現(xiàn)象，如圖4中所示的上半部分結(jié)果。

3.5 質(zhì)量流和溫度流曲線輸入

為了保證分析結(jié)果精度，在定義質(zhì)量流和溫度流曲線前，需要定義一個灌壓試驗（FEA）驗證模型，以驗證質(zhì)量流曲線和溫度流曲線是否正確。將罐壓試驗的試驗設(shè)備、氣體發(fā)生器劃分網(wǎng)格，將兩者裝配到一起，通過公式（1）獲得平均溫度流曲線：

式中，T1為溫度；VT為罐壓設(shè)備體積；△P為罐壓試驗前、后的壓力變化量；K為絕熱系數(shù)；R為通用氣體熱力學(xué)常數(shù)；△m為罐壓試驗前、后氣體質(zhì)量差。

把物理試驗得到的壓力—時間曲線轉(zhuǎn)化成質(zhì)量流曲線和平均溫度流曲線輸入到該FEA驗證模型中。在驗證模型中選用20萬粒子參與仿真模擬，不考慮溫度變化，壓力容器試驗的有限元模型和仿真結(jié)果模型如圖5和圖6所示。將仿真所得壓力曲線與試驗所得壓力曲線進(jìn)行對比（圖7）可以看出，仿真值與試驗值吻合程度約為96%，驗證了平均溫度法模擬氣體發(fā)生器輸出特性的有效性，因此該質(zhì)量流和溫度流曲線可以用于氣囊分析模型的建模。

3.6 運(yùn)算

圖8 為帶安全氣囊的儀表板有限元模型，共有網(wǎng)格數(shù)量568833個，集合數(shù)量260個，儀表板網(wǎng)格劃分平均尺寸為4 mm，最小網(wǎng)格尺寸為1 mm，螺栓連接通過BEAM（MAT1號材料）進(jìn)行，卡口處的螺栓失效通過梁單元BEAM（MAT100號材料）定義。氣囊展開模型利用DELL服務(wù)器（PowerEdge_R710）進(jìn)行運(yùn)算，整個模型計算時間定義為50 ms。

4 仿真結(jié)果及與物理試驗的對比

不同時刻氣囊爆破試驗及FEA模擬結(jié)果如圖9所示。仿真結(jié)果表明，9 ms時安全氣囊沖開儀表板，儀表板有明顯開裂現(xiàn)象，48.5 ms時安全氣囊完全展開，安全氣囊展開過程順暢，無褶皺情況發(fā)生，整體均勻飽滿；儀表板沿弱化線逐步破壞，并且碎屑較少。

從圖9仿真結(jié)果和試驗結(jié)果對比來看，兩者吻合度較好,也反向驗證了在LS－PrePost中折疊氣囊的合理性。

整個過程在展開時間上有3 ms左右的時間差，經(jīng)過分析可知仿真結(jié)果與試驗結(jié)果存在時間差主要是由以下原因引起：

a.泄氣效率的影響。氣囊囊袋上有兩個泄氣孔，囊袋在展開過程中，泄氣孔的泄氣效率動態(tài)變化，但很難從物理試驗中獲得精確的泄氣效率變化曲線，分析輸入的泄氣效率跟實際有差別，囊袋內(nèi)的能量就跟實際有偏差，會造成一定的時間差。

b.材料方面的影響。做高速拉伸試驗的材料樣條是先用粒料注塑出3.5 mm厚的塑料板，然后按規(guī)格從塑料板上裁出所需樣條，該樣條不包含弱化線，但實際樣件帶有弱化線，因此從拉伸試驗得到的材料力－位移曲線跟實際有差別；而且，從拉伸試驗得到的力－位移關(guān)系，需要通過公式轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，輸入到CAE分析中進(jìn)行模擬分析，其中一個轉(zhuǎn)化公式為σ=F/A，公式中面積A從材料拉伸的頸縮階段開始是一個變化值，但數(shù)據(jù)處理中忽略了該變化，會產(chǎn)生誤差；材料樣條和數(shù)據(jù)處理過程中產(chǎn)生的誤差，對儀表板氣囊展開分析有一定影響，這是由于材料的斷裂準(zhǔn)則 （失效值）直接決定了氣囊在什么時刻會將儀表板沖開并展開，這對于輸入的材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線精度要求較高，從而導(dǎo)致仿真結(jié)果與試驗結(jié)果存在一定誤差。

c.質(zhì)量流和溫度流曲線的影響。用于CAE分析的質(zhì)量流和溫度流曲線均是基于罐壓試驗并采用CAE軟件計算獲得，然后建立罐壓試驗的FEA模型并運(yùn)算，以此驗證輸入的質(zhì)量流和溫度流曲線有效性。計算值與試驗值符合度為96%，存在一定誤差，也會影響氣囊展開的仿真結(jié)果，導(dǎo)致其與試驗結(jié)果存在時間差。

5 結(jié)束語

經(jīng)過模擬分析，得出以下結(jié)論：

a. 利用LS－PrePost折疊氣囊可以相對準(zhǔn)確的反映真實氣囊狀態(tài)，仿真過程中囊袋的展開與真實物理試驗吻合度較好。

b.顆粒法能夠準(zhǔn)確模擬有儀表板影響的PAB安全氣囊展開初期的氣囊展開狀態(tài)。

c.由于安全氣囊囊袋的CAD數(shù)據(jù)來自真實氣囊的白光掃描數(shù)據(jù)，尺寸比實際偏小，后期氣囊完全展開后比實際偏窄，以后應(yīng)用于實際項目時要注意先期獲得準(zhǔn)確的囊袋數(shù)據(jù)。

d. 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果存在3 ms左右的時間差，主要影響因素有泄氣效率、材料、質(zhì)量流和溫度流曲線3方面。

1 胡正才，于多年，李文強(qiáng).某轎車正面安全氣囊性能仿真研究.汽車技術(shù),2010（9）：24～28.

2 鄧文彬，彭冰元，馬亮.基于有限元方法的氣囊展開模擬及對乘員安全性的影響.中國汽車安全技術(shù)國際研討會，2007：29～31.

3 吳奕嫻，吳光強(qiáng).安全氣囊展開數(shù)字仿真研究方法綜述.汽車科技，2011（1）：14～16.

4 吳光強(qiáng)，吳奕嫻.汽車安全氣囊展開過程的仿真算法.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2012，40（2）：281～285.

5 王美松，張雷，魯宏升.基于顆粒法的氣囊展開仿真研究.第十五屆中國汽車安全技術(shù)學(xué)術(shù)會議，江蘇蕪湖，2012，8.

6 Lars Olovsson.Corpuscular Method for Airbag Deployment Simulations.6th European LS－DYNA Users’ Conference,2007.

7 C－NCAP管理規(guī)則.中國汽車技術(shù)研究中心，2012.

8 王宇航.喬維高.基于CAE技術(shù)的汽車安全氣囊建模方法比較研究.上海汽車,2008（12）：21～23.