田鈺楠,郝琪,毛怡,劉宇

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院,湖北十堰 442002)

汽車發(fā)生碰撞時(shí),安全氣囊是保護(hù)乘員安全的重要裝置,其點(diǎn)火時(shí)刻的選擇是影響乘員損傷的重要因素。點(diǎn)火過(guò)早安全氣囊展開后由于泄氣孔的存在,導(dǎo)致乘員接觸安全氣囊時(shí)安全氣囊的剛度減小,乘員穿過(guò)安全氣囊與方向盤及汽車內(nèi)飾發(fā)生硬性碰撞。點(diǎn)火時(shí)刻過(guò)晚會(huì)導(dǎo)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(diǎn)火時(shí)刻對(duì)乘員的保護(hù)有著重要的意義。

在乘員約束系統(tǒng)的開發(fā)階段需要進(jìn)行大量的安全氣囊匹配試驗(yàn),利用有限元法進(jìn)行仿真計(jì)算是最有效的研究方法之一。文獻(xiàn)[1-2]中確定安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻的是在一定時(shí)間范圍內(nèi)通過(guò)仿真模型計(jì)算出最佳點(diǎn)火時(shí)刻;該方法計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng),點(diǎn)火時(shí)間初始值的選取方法依賴于經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)[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(diǎn)火控制算法模型,預(yù)測(cè)安全氣囊的最佳點(diǎn)火時(shí)刻。本文提出了一種快速確定氣囊點(diǎn)火時(shí)刻的計(jì)算公式,通過(guò)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(diǎn)火時(shí)刻,并利用仿真模型驗(yàn)證了計(jì)算公式的可靠性。

1 氣囊點(diǎn)火時(shí)刻的計(jì)算

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

TTTF=T5in-30 ms

(1)

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

(2)

式中:D1為安全氣囊與胸部接觸時(shí)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(méi)有進(jìn)行乘員約束系統(tǒng)匹配前,僅能獲得實(shí)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(shí)的動(dòng)能分解為被約束系統(tǒng)吸收能量和通過(guò)車體壓縮變形所吸收的乘員動(dòng)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(jí)NCAP試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)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(diǎn)火時(shí)刻TTF的公式為

(8)

由公式(8)知,點(diǎn)火時(shí)刻與3個(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)火時(shí)刻。

2 實(shí)例驗(yàn)證

以某小型純電動(dòng)汽車50 km/h正面碰撞為例,利用公式(8)計(jì)算點(diǎn)火時(shí)刻并與仿真的理想點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)行驗(yàn)證。小型純電動(dòng)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(zhǎng)約2 760 mm最小離地間隙為140 mm,如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)汽車視圖

2.1 理論點(diǎn)火時(shí)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(shí)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(shí)胸部的位移D1=0.11 m,試驗(yàn)測(cè)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(diǎn)火時(shí)刻TTTF=13 ms。

2.2 仿真確定安全氣囊理想點(diǎn)火時(shí)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(zhǎng)度280 mm,均對(duì)稱分布。氣囊預(yù)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(diǎn)為5,上下表面間距0.5 mm,四周由網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)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(guò)程中會(huì)發(fā)生改變,從而導(dǎo)致力學(xué)性能發(fā)生改變。有限元軟件LS-DYNA用MAT 34號(hào)材料來(lái)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(zhǔn)確地處理翹曲單元和邊對(duì)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(shí)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(jì)算中為修正扭曲單元的形狀,使氣囊最終展開成準(zhǔn)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(guò)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(duì)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(duì)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(shí)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(shí)卡片調(diào)用排氣孔ID號(hào)模擬排氣孔泄氣。為保證氣囊快速?zèng)_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(guò)程,充氣氣體質(zhì)量流曲線呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì),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(shí)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(shí)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(jiǎn)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(yàn)[10],輸入實(shí)車碰撞試驗(yàn)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(yàn)證

1) 評(píng)價(jià)指標(biāo)

乘員損傷值是評(píng)價(jià)乘員約束系統(tǒng)性能的重要指標(biāo),損傷指標(biāo)涉及到假人的頭部、胸部、腿部等多個(gè)部分。研究采用加權(quán)傷害準(zhǔn)則WIC作為對(duì)安全氣囊保護(hù)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo),WIC的表達(dá)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(biāo)進(jìn)行歸一化處理,按不同權(quán)重建立加權(quán)傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)WIC。WIC越低,對(duì)假人損傷越小。在以點(diǎn)火時(shí)刻為變量的乘員傷害仿真中,最佳安全氣囊的點(diǎn)火時(shí)刻應(yīng)使得假人的的WIC值最低。

2) 計(jì)算結(jié)果

以乘員損傷WIC為評(píng)價(jià)指標(biāo),安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻為設(shè)計(jì)變量,為確定設(shè)計(jì)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(diǎn)火時(shí)刻有效范圍為5～25 ms。以1 ms為變化量,共進(jìn)行21組仿真試驗(yàn)計(jì)算,得到點(diǎn)火時(shí)刻為5～25 ms的乘員損傷各項(xiàng)參數(shù)的變化,如圖9所示。

圖9 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)乘員損傷的影響

由圖9知,曲線均呈現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)式增長(zhǎng),在5 ms和20 ms左右波動(dòng)較為明顯,10～15 ms時(shí)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(shí)刻頭部HIC值處于較低的穩(wěn)定狀態(tài),對(duì)頭部傷害較小。圖9b)和圖9c)為胸部損傷的變化,靠近點(diǎn)火時(shí)刻的邊界值胸部損傷波動(dòng)較大且胸部壓縮量不符合要求。

點(diǎn)火時(shí)刻靠近5 ms時(shí),點(diǎn)火時(shí)刻過(guò)早導(dǎo)致氣囊在未與假人接觸時(shí)發(fā)生泄氣,氣囊剛度減小容易使頭部穿過(guò)氣囊的保護(hù)與方向盤發(fā)生硬性碰撞,假人處于硬性碰撞限值邊界,導(dǎo)致曲線的不穩(wěn)定性。當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻為15 ms以后,WIC值急速上升且波動(dòng)明顯,此時(shí)點(diǎn)火時(shí)刻已經(jīng)過(guò)晚,使氣囊在還未完全展開時(shí)就與假人發(fā)生碰撞,氣囊展開時(shí)的沖擊力對(duì)假人造成二次傷害。圖9d)中WIC在10～15 ms時(shí)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(diǎn)火時(shí)刻為10～15 ms且乘員損傷均滿足要求,由點(diǎn)火時(shí)刻公式計(jì)算所得的點(diǎn)火時(shí)刻為13 ms位于仿真值范圍內(nèi),由此驗(yàn)證了點(diǎn)火時(shí)刻計(jì)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(dǎo)出安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻的計(jì)算公式,通過(guò)碰撞試驗(yàn)中車體最大壓縮量C、安全氣囊與胸部接觸時(shí)胸部的位移D1和碰撞速度vo這3個(gè)參數(shù)可以計(jì)算出安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻。

2) 通過(guò)對(duì)駕駛員約束系統(tǒng)模型的仿真計(jì)算,得到安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)假人頭部、胸部及WIC損傷的影響趨勢(shì)呈現(xiàn)不穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì),驗(yàn)證安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻公式的準(zhǔn)確性并且均滿足要求。

3) 通過(guò)安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻的計(jì)算公式,可以僅通過(guò)整車的碰撞試驗(yàn)(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(zhǔn)確的點(diǎn)火時(shí)刻,有效提高乘員約束系統(tǒng)仿真效率,縮短研發(fā)周期。