基于madymo的安全氣囊可靠性試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h1>
2015-01-03 06:37:06田國(guó)紅武曉林齊登科孫立國(guó)
汽車實(shí)用技術(shù) 2015年2期
田國(guó)紅，武曉林，齊登科，孫立國(guó)
（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）
基于madymo的安全氣囊可靠性試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/p>
田國(guó)紅，武曉林，齊登科，孫立國(guó)
（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）
在安全氣囊計(jì)算機(jī)仿真理論的基礎(chǔ)上，利用汽車碰撞安全模擬軟件MADYMO建立起安全氣囊靜態(tài)起爆以及動(dòng)態(tài)沖擊模型，模型中包括方向盤、安全氣囊、飾蓋、沖擊器等。進(jìn)行仿真試驗(yàn)，主要是根據(jù)安全氣囊在展開時(shí)或者展開后與沖擊器等物體相互接觸碰撞時(shí)氣袋內(nèi)部壓力，以及沖擊器碰撞速度、加速度等參數(shù)的變化曲線,進(jìn)而根據(jù)模型的仿真結(jié)果檢驗(yàn)安全氣囊模型的可靠性。
安全氣囊；仿真；可靠性；驗(yàn)證
CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-103-03
引言
MADYMO(Mathematieal Dynamic Mode)主要應(yīng)用是整車約束系統(tǒng)的開發(fā)和改進(jìn)以及乘員安全的仿真分析,是一個(gè)將多剛體理論以及有限元理論結(jié)合在一起的數(shù)學(xué)模型軟件，融合了多體（MB)動(dòng)力學(xué)汁算功能和顯式動(dòng)態(tài)有限元（FE)計(jì)算功能。在產(chǎn)品處于設(shè)計(jì)的初級(jí)階段,用MAOYMO中的動(dòng)力學(xué)計(jì)算功能進(jìn)行計(jì)算仿真,可以大大節(jié)約時(shí)間,達(dá)到快速建模的目的。在產(chǎn)品處于結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)及改進(jìn)分析階段,用MAOYMO中的顯性動(dòng)態(tài)有限元計(jì)算功能進(jìn)行計(jì)算仿真,可以得到更為具體、細(xì)致的仿真結(jié)果[1]。在氣囊系統(tǒng)研發(fā)的初期，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)要求在MADYMO中建立起靜態(tài)起爆試驗(yàn)以及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的仿真模型，根據(jù)仿真模型輸出的壓力、速度、加速度等信號(hào)和實(shí)際試驗(yàn)的比較來判斷氣囊模型的正確性以及合理性，從而作為成員約束系統(tǒng)的基本模型為下一步的分析做準(zhǔn)備。
1、安全氣囊計(jì)算機(jī)仿真理論
利用計(jì)算機(jī)仿真安全氣囊的工作過程是一個(gè)需要考慮安全氣囊展開時(shí)或者展開后與車內(nèi)其他物體或者乘員相互作用的接觸碰撞問題[2]，其作用過程可歸結(jié)為求解如下的接觸碰撞問題：
將上式用顯式有限元法離散后可獲得矩陣形式如下：
其中m、Fe、Fc、Fi分別為質(zhì)量矩陣、外力矢量矩陣、碰撞接觸力矢量矩陣、系統(tǒng)內(nèi)力矢量矩陣。對(duì)上式的有限元求解可以得到氣囊工作過程計(jì)算機(jī)仿真的一些基本數(shù)據(jù)：Fe的計(jì)算包括氣囊內(nèi)的氣體壓力或外界的撞擊力；Fc的計(jì)算主要用于氣囊與其它零部件之間的接觸搜尋，同時(shí)要考慮接觸界面上的接觸碰撞力以及接觸面之間的擦力；Fi的計(jì)算需確定氣囊的變形狀況以及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[3]。
2、駕駛員側(cè)氣囊（DAB）靜態(tài)起爆試驗(yàn)
氣囊模塊的靜態(tài)起爆試驗(yàn)方法如圖1所示，DAB，模塊置于方向盤內(nèi)，蓋上飾蓋，背景為格子彩條板儀測(cè)量厚度，格子尺寸為50mm×50mm，將方向盤以合適的角度固定，檢查無誤后點(diǎn)爆DAB。靜態(tài)起爆試驗(yàn)是從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度驗(yàn)證氣囊模型的準(zhǔn)確性[4]，其的目的是校正氣囊觸發(fā)的動(dòng)態(tài)過程,用來驗(yàn)證仿真模型的起爆過程氣囊的展開形狀、展開速度以及氣囊展開體積等。
根據(jù)試驗(yàn)要求建立駕駛員側(cè)氣囊（DAB）靜態(tài)起爆試驗(yàn)仿真模型，首先，在XMADgic中定義一個(gè)用于固定氣囊的多剛體方向盤以模擬氣囊在車體中的安裝情況；將已經(jīng)建好的DAB模型放入用以盛放氣囊的有限元盒體中并調(diào)整至正確位置；定義氣袋與盒體之間的接觸為有限元表面之間的接觸以及在氣袋展開時(shí)二者之間的摩擦，定義氣袋在展開過程中與方向盤的接觸為有限元表面與剛體的接觸，對(duì)系統(tǒng)施加重力場(chǎng)；控制點(diǎn)爆時(shí)間，提交madymo求解器求解運(yùn)算，模擬氣囊靜態(tài)起爆過程。如圖1為靜態(tài)起爆試驗(yàn)示意圖以及仿真模型靜態(tài)起爆試驗(yàn)要求在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量DAB氣囊形狀、厚度、展開時(shí)間以及氣囊的點(diǎn)爆電壓，并且要求在靜態(tài)充氣試驗(yàn)中和試驗(yàn)后不允許有氣囊組件拋出的破損構(gòu)件打擊到正常安裝時(shí)有乘員的位置；充氣試驗(yàn)后，氣袋從裝配狀態(tài)松離部分不得超過30%氣包縫（外部折縫和縫）必須保持閉合，不允許彼此拉開。如圖為氣囊展開過程中氣室壓力和氣袋體積曲線。
由圖1可知?dú)饽艺归_時(shí)的形狀與試驗(yàn)展開基本上相同，并且由圖2可知?dú)饽艺归_的最大體積約為40L，與設(shè)計(jì)值40L基本上相符，在發(fā)生正面碰撞時(shí)，處于正常位置的駕駛員在氣囊開始點(diǎn)火后30-40ms[1]后與氣囊接觸，由靜態(tài)起爆試驗(yàn)輸出的氣室體積曲線可知此時(shí)氣囊已經(jīng)完全張開，滿足實(shí)際需求。由輸出的壓力曲線可知?dú)饽覛馐覂?nèi)的氣壓在10-15ms內(nèi)達(dá)到峰值，并且在氣囊體積達(dá)到最大時(shí)，內(nèi)部氣壓處于較小的值，可減小正常安裝與假人接觸時(shí)的傷害，初步的驗(yàn)證了模型的合理性。
3、動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)
氣囊模塊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)常用的方法有以下幾種：半球試驗(yàn)、跌落塔試驗(yàn)、胸塊沖擊試驗(yàn)、擺錘試驗(yàn)等，以下主要介紹駕駛員側(cè)安全氣囊的平板跌落試驗(yàn)。
平板跌落試驗(yàn)的方法是設(shè)置沖擊器在一定高度后無初速度自有落下，沖擊展開中的氣囊，試驗(yàn)要求沖擊器是在氣囊完全展開時(shí)與氣袋接觸，然后通過沖擊器上的加速度傳感器獲得沖擊器與氣袋接觸后的加速度響應(yīng)[6]，其試驗(yàn)示意圖以及仿真模型如圖2所示：
在已驗(yàn)證的DAB靜態(tài)起爆模型的基礎(chǔ)上，在XMADgic中定義此跌落試驗(yàn)中的沖擊器模型：定義兩個(gè)橢球體模型來模擬沖擊器，定義其質(zhì)量為30Kg，用一個(gè)滑移鉸來模擬沖擊器的運(yùn)動(dòng)，定義沖擊器的沖擊速度為7m／s，由于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)要求沖擊器與完全展開的氣囊撞擊，需要準(zhǔn)確定義沖擊器的中心和氣囊的中心在一條直線上，并且準(zhǔn)確定義氣囊和沖擊器的初始位置距離。
定義氣袋和沖擊器有限元表面與剛體的接觸以及沖擊器的接觸特性。CHARACTERISTIC_CONTACT。輸出充氣器的速度和加速度響應(yīng)。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果如下圖：
Establishment of A Model of Reliability test of Automotive Airbag Based on MADYMO
Tian Guohong, Wu Xiaolin, Qi Dengke, Sun Liguo
（Liao Ning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）
On the basis of the theory of computer simulation，A model of simulating the blasting test and dynamic loads test of Airbag was established by the MADYMO simulation software for automobile collision security,which includes steering wheel, airbag, abdeckkappe, concussion implement etc. The aceeleration and veloeity of the impacting concussion implement and airbag Pressure history during the even are recorded to validate the reliability of the model.
Airbag; Simulation; Reliability; validate
U467.3
A
1671-7988(2015)02-103-03
田國(guó)紅，就職于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院。
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基于madymo的安全氣囊可靠性試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/p>
田國(guó)紅，武曉林，齊登科，孫立國(guó)
（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）
在安全氣囊計(jì)算機(jī)仿真理論的基礎(chǔ)上，利用汽車碰撞安全模擬軟件MADYMO建立起安全氣囊靜態(tài)起爆以及動(dòng)態(tài)沖擊模型，模型中包括方向盤、安全氣囊、飾蓋、沖擊器等。進(jìn)行仿真試驗(yàn)，主要是根據(jù)安全氣囊在展開時(shí)或者展開后與沖擊器等物體相互接觸碰撞時(shí)氣袋內(nèi)部壓力，以及沖擊器碰撞速度、加速度等參數(shù)的變化曲線,進(jìn)而根據(jù)模型的仿真結(jié)果檢驗(yàn)安全氣囊模型的可靠性。
安全氣囊；仿真；可靠性；驗(yàn)證
CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-103-03
引言
MADYMO(Mathematieal Dynamic Mode)主要應(yīng)用是整車約束系統(tǒng)的開發(fā)和改進(jìn)以及乘員安全的仿真分析,是一個(gè)將多剛體理論以及有限元理論結(jié)合在一起的數(shù)學(xué)模型軟件，融合了多體（MB)動(dòng)力學(xué)汁算功能和顯式動(dòng)態(tài)有限元（FE)計(jì)算功能。在產(chǎn)品處于設(shè)計(jì)的初級(jí)階段,用MAOYMO中的動(dòng)力學(xué)計(jì)算功能進(jìn)行計(jì)算仿真,可以大大節(jié)約時(shí)間,達(dá)到快速建模的目的。在產(chǎn)品處于結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)及改進(jìn)分析階段,用MAOYMO中的顯性動(dòng)態(tài)有限元計(jì)算功能進(jìn)行計(jì)算仿真,可以得到更為具體、細(xì)致的仿真結(jié)果[1]。在氣囊系統(tǒng)研發(fā)的初期，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)要求在MADYMO中建立起靜態(tài)起爆試驗(yàn)以及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的仿真模型，根據(jù)仿真模型輸出的壓力、速度、加速度等信號(hào)和實(shí)際試驗(yàn)的比較來判斷氣囊模型的正確性以及合理性，從而作為成員約束系統(tǒng)的基本模型為下一步的分析做準(zhǔn)備。
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2、駕駛員側(cè)氣囊（DAB）靜態(tài)起爆試驗(yàn)
氣囊模塊的靜態(tài)起爆試驗(yàn)方法如圖1所示，DAB，模塊置于方向盤內(nèi)，蓋上飾蓋，背景為格子彩條板儀測(cè)量厚度，格子尺寸為50mm×50mm，將方向盤以合適的角度固定，檢查無誤后點(diǎn)爆DAB。靜態(tài)起爆試驗(yàn)是從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度驗(yàn)證氣囊模型的準(zhǔn)確性[4]，其的目的是校正氣囊觸發(fā)的動(dòng)態(tài)過程,用來驗(yàn)證仿真模型的起爆過程氣囊的展開形狀、展開速度以及氣囊展開體積等。
根據(jù)試驗(yàn)要求建立駕駛員側(cè)氣囊（DAB）靜態(tài)起爆試驗(yàn)仿真模型，首先，在XMADgic中定義一個(gè)用于固定氣囊的多剛體方向盤以模擬氣囊在車體中的安裝情況；將已經(jīng)建好的DAB模型放入用以盛放氣囊的有限元盒體中并調(diào)整至正確位置；定義氣袋與盒體之間的接觸為有限元表面之間的接觸以及在氣袋展開時(shí)二者之間的摩擦，定義氣袋在展開過程中與方向盤的接觸為有限元表面與剛體的接觸，對(duì)系統(tǒng)施加重力場(chǎng)；控制點(diǎn)爆時(shí)間，提交madymo求解器求解運(yùn)算，模擬氣囊靜態(tài)起爆過程。如圖1為靜態(tài)起爆試驗(yàn)示意圖以及仿真模型靜態(tài)起爆試驗(yàn)要求在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量DAB氣囊形狀、厚度、展開時(shí)間以及氣囊的點(diǎn)爆電壓，并且要求在靜態(tài)充氣試驗(yàn)中和試驗(yàn)后不允許有氣囊組件拋出的破損構(gòu)件打擊到正常安裝時(shí)有乘員的位置；充氣試驗(yàn)后，氣袋從裝配狀態(tài)松離部分不得超過30%氣包縫（外部折縫和縫）必須保持閉合，不允許彼此拉開。如圖為氣囊展開過程中氣室壓力和氣袋體積曲線。
由圖1可知?dú)饽艺归_時(shí)的形狀與試驗(yàn)展開基本上相同，并且由圖2可知?dú)饽艺归_的最大體積約為40L，與設(shè)計(jì)值40L基本上相符，在發(fā)生正面碰撞時(shí)，處于正常位置的駕駛員在氣囊開始點(diǎn)火后30-40ms[1]后與氣囊接觸，由靜態(tài)起爆試驗(yàn)輸出的氣室體積曲線可知此時(shí)氣囊已經(jīng)完全張開，滿足實(shí)際需求。由輸出的壓力曲線可知?dú)饽覛馐覂?nèi)的氣壓在10-15ms內(nèi)達(dá)到峰值，并且在氣囊體積達(dá)到最大時(shí)，內(nèi)部氣壓處于較小的值，可減小正常安裝與假人接觸時(shí)的傷害，初步的驗(yàn)證了模型的合理性。
3、動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)
氣囊模塊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)常用的方法有以下幾種：半球試驗(yàn)、跌落塔試驗(yàn)、胸塊沖擊試驗(yàn)、擺錘試驗(yàn)等，以下主要介紹駕駛員側(cè)安全氣囊的平板跌落試驗(yàn)。
平板跌落試驗(yàn)的方法是設(shè)置沖擊器在一定高度后無初速度自有落下，沖擊展開中的氣囊，試驗(yàn)要求沖擊器是在氣囊完全展開時(shí)與氣袋接觸，然后通過沖擊器上的加速度傳感器獲得沖擊器與氣袋接觸后的加速度響應(yīng)[6]，其試驗(yàn)示意圖以及仿真模型如圖2所示：
在已驗(yàn)證的DAB靜態(tài)起爆模型的基礎(chǔ)上，在XMADgic中定義此跌落試驗(yàn)中的沖擊器模型：定義兩個(gè)橢球體模型來模擬沖擊器，定義其質(zhì)量為30Kg，用一個(gè)滑移鉸來模擬沖擊器的運(yùn)動(dòng)，定義沖擊器的沖擊速度為7m／s，由于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)要求沖擊器與完全展開的氣囊撞擊，需要準(zhǔn)確定義沖擊器的中心和氣囊的中心在一條直線上，并且準(zhǔn)確定義氣囊和沖擊器的初始位置距離。
定義氣袋和沖擊器有限元表面與剛體的接觸以及沖擊器的接觸特性。CHARACTERISTIC_CONTACT。輸出充氣器的速度和加速度響應(yīng)。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果如下圖：
Establishment of A Model of Reliability test of Automotive Airbag Based on MADYMO
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（Liao Ning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）
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