改進的汽車安全氣囊靜態點爆仿真方法

趙偉+劉強

作者簡介： 趙偉（1984—），男，山東滕州人，碩士，研究方向汽車被動安全，(Email)wei.zhao@autoliv.com0引言

隨著社會的快速發展和科學技術的提高，我國的道路狀況不斷得到改善，汽車逐漸進入大眾家庭，其保有量快速增長.隨之而來的交通事故總量和因此而產生的生命和財產損失日趨上升.因此，保護乘客和行人的安全日益受到人們的關注，汽車的主動和被動安全變得十分重要.自1953年美國工程師約翰?赫綴克發明SRS氣囊系統以來，被動式安全一直發揮著重要作用.［1］美國通用汽車公司在1989年的一項研究表明：SRS氣囊系統與座椅安全帶共同使用可使駕駛員和前排乘員的傷亡人數減少43%~46%.［2］

汽車安全氣囊是一把雙刃劍：一方面，當汽車發生碰撞事故時，它能夠在乘員和汽車內部構件中形成一道緩沖與吸能屏障，減少乘員所承受的減速沖擊和二次碰撞力，從而達到保護乘員的目的［3］；另一方面，如果設計不當可能對乘員造成二次傷害，甚至是致命傷害［4］，例如：主駕駛安全氣囊氣袋在點爆過程中被高溫高壓氣體擊穿、罩蓋部分飛出，徽牌脫離罩蓋以及方向盤其他部件被擊碎等.

氣囊的智能化、小型輕量化、全方位化、環保化和虛擬化成為未來氣囊設計的必然趨勢.［56］智能化氣囊需要先進的傳感系統和電子運算系統，能夠在短時間內提供包含乘員身材、體質量、位置和是否系安全帶等可靠的碰撞環境信息.小型輕量化的氣囊能夠快速充滿氣體，具有效率高、成本低、使總成體積更小的優點.氣囊發展至今，已經能夠全方位地保障乘員和行人的安全，例如正面碰撞氣囊、側面碰撞氣囊、膝部氣囊、翻滾氣囊、幕屏式氣囊及行人保護氣囊等.［79］采用能夠快速釋放無害無毒氣體的發生器和環保型氣袋材料可有效保護環境.隨著計算機技術的飛速發展，虛擬技術被應用到汽車安全系統零部件設計、生產和制造的各個環節.［1011］

目前基于約束系統研究的文獻較多，但對約束系統中有關零部件的仿真方法和經驗分享的文獻不多見.本文主要針對主駕駛安全氣囊展開過程的前期階段進行研究，結合實驗驗證仿真結果，為汽車被動安全系統零部件設計和仿真精度提高提供參考.

1氣囊的折疊

主駕駛氣囊分上中下3層，發生器和泄氣孔安裝在氣囊最下層，中間一層包含3個拉帶，2塊圓形和環形的布作為最上層.折疊方式主要有壓縮折疊和卷折疊.本文仿真采用壓縮折疊，根據氣囊容器和上罩蓋內腔的形狀，先零六點壓縮，然后三九點壓縮，最后將發生器壓入氣囊，模型見圖1.

圖 1氣囊壓縮模型

Fig.1Compression model of airbag

檢查氣囊壓縮后質量非常重要，關系到氣囊前期展開狀態.首先保證氣囊內所有單元沒有被穿透，并盡量減少由氣囊厚度引起的干涉.氣囊單元尺寸應盡量均勻，使大多數單元尺寸與參考幾何尺寸保持一致.氣囊壓縮模型見圖2，單元間穿透和干涉均為0，最小單元尺寸為1.2 mm.實際上，氣囊安裝完成以后織帶間自然產生膨脹，氣囊相互擠壓對周圍容器內壁有一定的作用力，但是由于其與氣體充入氣囊并使其快速膨脹產生的力相比小很多，所以可以不予考慮.

圖 2氣囊壓縮后模型

Fig.2Model of compressed airbag

2模型組建

罩蓋、容器和方向盤骨架采用六面體網格劃分，單元平均尺寸為2 mm，其他零部件均按照實際模型劃分網格，方向盤下罩蓋采用殼網格劃分，方向盤骨架周圍的發泡采用四面體網格劃分.氣囊材料為350detx，選用膜單元和織帶材料（MAT34），經緯度角為45°.在轉向管柱下段節點施加六自由度約束.選取85，23和-35 ℃等3個溫度進行靜態點爆分析，仿真設置保持與靜態點爆實驗設置一致.在不同溫度下，除塑料材料性能發生很大變化外，還應當考慮發生器的性能變化.選用LSDYNA求解器求解，求解時間步長為2.03×10-4 ms.采用粒子法點爆氣囊，粒子數為50 000個.

在實驗前的數小時，將主駕駛氣囊整個模塊（包括罩蓋、氣囊容器、氣囊和發生器等）放入相應溫度下的恒溫箱內保溫.實驗時從恒溫箱內取出模塊，在3 min內完成實驗的安裝調試并點爆氣囊，有效保證實驗溫度的精確性.

3仿真與實驗對比分析

3.1失效情況對比和改進方法

在高溫85 ℃時，上罩蓋六點鐘方向斷裂飛出，仿真結果與實驗結果一致，見圖3和4.

圖 3罩蓋最大主應力云圖, kN

Fig.3Maximum principal stress contours of cover, kN圖 4罩蓋斷裂照片

Fig.4Photo of cover break

鉸鏈處斷裂是罩蓋失效的主要形式之一.為滿足在低溫下材料變脆也能夠順利反轉的條件，鉸鏈壁設計較薄，但在高溫下材料性能變軟，薄壁就成為罩蓋最弱的部位.這是一個相互制約的平衡性問題.改進措施主要有以下4點：

（1）優化鉸鏈的壁厚，使其既能夠滿足高溫又能夠滿足低溫對材料性能的要求.

（2）增加鉸鏈的長度或在鉸鏈的兩側適量增加筋，使其能夠承擔更大的拉伸力.

（3）優化撕裂線末端形狀，撕裂線末端彎曲結尾或末端逐漸增厚.

（4）減輕罩蓋反轉部分的質量，降低高速下的慣性力.

采用第二條改進措施，將撕裂線末端向左右兩邊移動，增加鉸鏈的長度，取得良好效果.新樣件制造后再次實驗，罩蓋鉸鏈處未發生斷裂.

3.2氣囊展開形狀與罩蓋開啟位置對比

氣囊折疊方式對氣囊展開前期階段的形狀影響較大.氣囊鋪平以后表面有些褶皺，在實際壓縮過程中，氣囊會順著這些褶皺凸起凹下，自然形成Z字形，但在氣囊壓縮折疊的仿真中，真正做到與實際完全一致比較困難.

在常溫23 ℃時，仿真選用與實驗相同的時間軸起點點爆氣囊.氣囊在同一時刻下展開形狀與實驗基本一致，同時罩蓋的開啟狀態也與實驗保持一致，見圖5.仿真前需要先校核一些因素的準確性.首先，判斷發生器氣流和溫度流曲線是否精準，可以通過仿真模擬測量Tank曲線的實驗過程，即在固定容積且密封的容器內點爆發生器，測量容器內壓力隨時間變化的曲線.其次，檢查氣囊的折疊質量.確定氣囊在仿真壓縮過程中形狀變化與實際是否一致，另外在壓縮后檢查單元間是否存在穿透和干涉以及單元尺寸是否均勻一致.如果氣囊多數單元尺寸被壓縮至1/3以內，需要在點爆前對氣囊進行“放松”，使氣囊單元尺寸盡量恢復到原長.最后，檢驗罩蓋材料的準確性.罩蓋的A面分布撕裂線，氣囊需要沿著撕裂線將罩蓋撕裂開罩蓋才能正常開啟，因此涉及到罩蓋變形和單元失效問題，可以結合材料高速拉伸試驗、擺錘實驗或沖擊試驗來驗證材料的準確性.

圖 5氣囊形狀和罩蓋位置

Fig.5Airbag shape and cover position

3.3支反力驗證

除對比氣囊的展開形狀和罩蓋的開啟狀態外，還應對支反力進行驗證，以保證氣囊在展開過程中對周圍零部件的作用力和零部件間力的傳遞正確無誤.在轉向管柱下端安裝力傳感器，測量沿轉向管柱軸向方向（z向）的支反力.選取低溫-35℃模型進行對比，結果見圖6.仿真中的支反力峰值比實驗大400 N，是由于實驗中高溫高壓的氣流從發生器中沖出給冰冷的氣囊充氣，存在熱傳遞和能量散失問題.在仿真中并未考慮這一能量散失的過程，因此仿真中支反力略大于實驗測量值.

圖 6支反力實驗與仿真結果對比

Fig.6Comparison of reaction force obtained by

experiment and simulation

支反力驗證工作非常重要.仿真模型中氣囊對周圍零部件間的作用力和零部件間力的傳遞過程是否準確，需要根據支反力判斷.目前，氣囊在展開過程中對罩蓋和氣囊容器的作用力沒有更有效的方法進行測量，因此支反力是驗證作用力產生和傳遞過程是否準確的唯一有效途徑.

4結論

通過仿真分析主駕駛安全氣囊展開過程的前期階段，并結合實驗對比驗證，得到提高仿真精度的一些方法.

（1）詳細介紹氣囊折疊過程和罩蓋的主要失效形式以及改進方法，通過實驗驗證表明改進方法效果明顯.

（2）對比氣囊展開形狀和罩蓋開啟狀態的仿真結果與實驗結果，得出影響仿真精度的一些因素，如發生器氣流和溫度流曲線、氣囊折疊質量和罩蓋材料等.

（3）測量支反力是驗證氣囊展開過程中作用力產生和傳遞過程是否準確的一種有效方法.

提高仿真精度，還應考慮高溫高壓氣流與氣囊間的熱交換，氣囊與周圍環境的熱交換以及氣囊中高壓氣體通過氣囊滲透到周圍環境的能量損失等.

參考文獻：

［1］SHAHMANESH N. Vehicle safety［J］. Automotive Engineer, 1998, 25(10): 4452.

［2］游世輝, 鐘志華. 汽車安全氣囊的計算機仿真研究的現狀與趨勢［J］，湖南大學學報: 自然科學版, 2000, 27(3): 4353.

YOU Shihui, ZHONG Zhihua. Review of the research on computer simulation of working process of automobile airbag in China and abroad［J］. J Hunan Univ: Nat Sci, 2000, 27(3): 4353.

［3］鐘志華, 楊濟匡. 汽車安全氣囊技術及其應用［J］. 中國機械工程, 2000.02, 11(12): 234238.

ZHONG Zhihua, YANG Jikuang. Automotive airbag technology and its application［J］. China Mech Eng, 2000, 11(1): 234238.

［4］劉子建, 黃天澤, 張建華, 等. 安全氣囊對汽車乘員碰撞損傷防護的研究［J］. 機械工程學報, 2001, 37(5): 1217.

LIU Zijian, HUANG Tianze, ZHANG Jianhua, et al. Survey of research on airbag for occupant injury prevention from vehicle impacts［J］. Chin J Mech Eng, 2001, 37(5): 1217.

［5］何文, 鐘志華, 楊濟匡. 汽車安全氣囊技術的新發展［J］. 汽車研究與開發, 2000(4): 3337.

HE Wen, ZHONG Zhihua, YANG Jikuang. New development of automotive airbag［J］. Automobile Res & Dev, 2000(4): 3337.

［6］金加龍. 汽車安全氣囊的發展［J］. 浙江交通職業技術學院學報, 2002, 3(1): 1923.

JIN Jialong. The development of automobile airbag［J］. J Zhejiang Vocational & Tech Inst of Transportation, 2002, 3(1): 1923.

［7］NOZUMI S. Development of occupant classification system for advanced airbag requirements［J］. Mitsubishi Motors Tech Rev, 2004(16): 6164.

［8］HONG S, JEONG H, JOO B, et al. Invisible knee airbag module development［C］//Proc SAE 2007 World Congress & Exhibition, SAE Tech Paper 2007010347. Detroit: SAE Int, 2007: 497.

［9］LU Z, CHAN P C. Outofposition airbag load sensitivity study［C］∥Proc SAE 2004 World Congress & Exhibition, SAE Tech Paper 2004010847. Detroit: SAE Int, 2004: 847.

［10］張君媛, 林逸, 張建偉. 汽車安全氣囊起爆車速與乘員傷害關系的仿真研究［J］. 中國公路學報, 2004, 17(1): 102105.

ZHANG Junyuan, LIN Yi, ZHANG Jianwei. Simulation of relation between airbag fire speed and occupants injury values［J］. China J Highway & Transport, 2004, 17(1): 102105.

［11］何文, 鐘志華, 楊濟匡. 汽車安全氣囊工作性能仿真試驗驗證技術研究［J］. 機械工程學報, 2002, 38(4): 126129.

HE Wen, ZHONG Zhihua, YANG Jikuang. Research on experimental validation of computer simulation of working performance of automobile airbag［J］.