基于顆粒法的儀表板安全氣囊展開分析

楊銀麗 黃玉強 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，需選用能真實反應氣囊展開過程的方法來進行仿真。

同濟大學吳光強等應用顆粒法對安全氣囊進行了模擬分析，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行了仿真對比[3,4]，王美松等[5]也對側(cè)安全氣囊分別進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，運用顆粒法對安全氣囊進行仿真的模型都相對比較簡單，未能在復雜項目上進行廣泛應用，因此，研究結(jié)果還不能直接用于指導儀表板氣囊區(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行了建模和仿真分析，并與試驗結(jié)果進行了對比。

2 試驗方法與步驟

2.1 試驗設(shè)備

采用海克斯康（hexagon）非接觸式白光測量機Optigo 200對氣囊囊袋展開后外形進行掃描，掃描后得到的數(shù)據(jù)導入到HyperMesh11.0中進行網(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HG－100K進行圖像收集，共分3個視圖：正面90°、左面45°、右面45°；相機數(shù)量：3臺高速攝像機（1個視圖1臺攝像機）；相機幀數(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 評價標準

評價標準按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)導入到Hypermesh11.0中進行網(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)格導入到LS－PrePost軟件中，用Airbag Folding模塊對安全氣囊進行折疊，折疊方法選擇Thinfold，共用13步完成了整個氣囊的折疊，將折疊好的氣囊導入到Hypermesh11.0中與氣體發(fā)生器進行裝配。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)格刪除后提交運算，展開形態(tài)基本不受影響，因此該應力值不會對結(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）進行運算，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)化成有效應力－應變關(guān)系，輸入到CAE分析中進行模擬分析，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力－應變曲線精度要求較高，從而導致仿真結(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，以后應用于實際項目時要注意先期獲得準確的囊袋數(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.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.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，吳奕嫻.汽車安全氣囊展開過程的仿真算法.同濟大學學報，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.