無縫安全氣囊儀表板撕裂線的結構分析與優化*

袁智軍,王 輝,劉華官,危學兵,華 林,房 飛

(1.武漢理工大學，現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070; 2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007)

2016161

無縫安全氣囊儀表板撕裂線的結構分析與優化*

袁智軍1,2,王 輝1,劉華官2,危學兵2,華 林1,房 飛2

(1.武漢理工大學，現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070; 2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007)

本文中以目前常用的硬質PP儀表板為對象，基于LS-DYNA平臺建立安全氣囊點爆和撕裂線區域頭部碰撞過程的計算模型，根據氣囊點爆和儀表板低速頭碰要求，采用正交試驗方法并結合臺架試驗深入探究銑刀弱化無縫氣囊儀表板撕裂線設計參數對弱化區強度和氣囊展開的影響。結果表明，對儀表板弱化區的影響程度依次為撕裂線的間距、殘厚和寬度，確定的最佳設計參數組合為撕裂線殘厚0.8mm，間距15mm，寬度1.5mm。本研究為無縫氣囊撕裂線的結構分析與優化提供了理論依據。

儀表板；撕裂線；正交試驗；結構分析；優化

前言

無縫安全氣囊儀表板撕裂線的強度必須控制在合理范圍內。若撕裂線強度太大，氣囊點爆時展開不及時，難以保證前排乘員的安全。若撕裂線強度太小，低速沖擊后儀表板表面可能會凹陷或碎裂，導致尖角、棱邊等暴露在乘員的頭碰區域。因此，為使儀表板弱化區能同時滿足點爆展開和低速頭碰測試要求，撕裂線的設計尤為重要。

銑刀弱化工藝適用范圍廣，投資成本低，加工靈活性高，正在成為硬質儀表板、軟質儀表板骨架和泡沫弱化的重要方法。文獻[1]中通過工藝試驗得出銑刀弱化殘余厚度和氣囊框鉸鏈結構對無縫安全氣囊儀表板強度的影響。文獻[2]中采用LS-DYNA建立了安全氣囊點爆有限元模型來分析安全氣囊點爆時的沖擊力及失效機理。文獻[3]中研究了雙料注塑工藝的撕裂線對安全氣囊門開啟性能的影響。文獻[4]中采用FPM(finite point method)方法模擬了無縫氣囊展開的過程。文獻[5]中采用FEM方法分析了撕裂線長度、鉸鏈厚度以及撕裂線類型對無縫安全氣囊蓋開啟的影響。

目前國內外現有研究僅僅對撕裂線厚度和長度等個別因素進行分析，缺乏撕裂線多設計因素對儀表板弱化區強度和點爆時氣囊蓋開啟的影響規律的系統研究。針對此問題，以公司某轎車座艙模型為例，基于LS-DYNA平臺建立安全氣囊點爆和撕裂線區域頭碰過程計算模型，根據氣囊點爆和儀表板低速頭碰要求，采用正交試驗方法并結合臺架試驗深入探究銑刀弱化無縫安全氣囊儀表板撕裂線的設計參數對弱化區強度和展開性能的影響。

1 計算模型

安全氣囊的點爆過程主要是求解如下接觸碰撞問題[6]：

(1)

MA=Q+F-Θ

(2)

式中：M為質量矩陣；A為系統加速度；Q為系統外力向量；F為接觸碰撞力向量；Θ為系統的內力向量。

從式(2)的求解可知，Q的計算包括氣囊上的氣體壓力和與外界的碰撞力，F的計算包括氣囊與其它零部件之間的接觸搜尋，同時要考慮接觸界面上的碰撞力和接觸摩擦力，Θ的計算需確定氣囊的變形狀況和應力應變關系。因而對氣囊點爆過程的仿真涉及氣囊模型和接觸碰撞模型。在LS-DYNA中，安全氣囊模擬采用CV法(控制體積法)，該方法將氣囊視為一個可控制的體積，其表面由膜單元表示，內部充入理想氣體，充氣量通過與時間相關的質量流量和溫度來描述。定義安全氣囊與蓋板和儀表板本體的接觸為滑移接觸。以某車型儀表板實際產品為例，圖1為建立的安全氣囊點爆計算模型。

此外，為考慮低速碰撞時(氣囊未點爆)頭碰對撕裂線的影響，采用Belytschko-Tsay(BT)殼單元模型，利用罰函數法定義模型中的接觸，建立圖2所示的撕裂線區域頭碰計算模型。材料選擇PP材料，為線彈性，鋼球質量6.8kg，直徑165mm，撞擊速度19km/h。

2 動力學分析

圖3和圖4是撕裂線殘厚為1.2mm時，安全氣囊展開圖和安全氣囊的壓力曲線。圖5為安全氣囊展開過程中儀表板、安全氣囊框和氣囊支架最大應變時刻的計算結果。PAB(passenger airbag)門鉸鏈邊緣應變較大，有破碎飛濺的危險。同時儀表板本體邊緣應變也很大，有破壞危險。

圖6為撕裂線區域不同位置處頭碰最大應變分析結果。撕裂線區域右側頭碰時應變較大，在低速碰撞過程中可能會出現儀表板表面凹陷和局部結構開裂的問題。

3 多目標優化

3.1 正交試驗設計

通過仿真，發現撕裂線的殘厚(A)、間距(B)和寬度(C)(見圖7)，會影響無縫安全氣囊儀表板撕裂線的性能指標，各因素設計水平如表1所示。通過Minitab軟件進行正交試驗設計，得到如表2所示的試驗方案。依據無縫氣囊儀表板的使用需求，確定氣囊沖破時間、PAB門鉸鏈應變、PAB支架應變、儀表板(IP)本體最大應變和頭碰最大應變為優化設計的考察指標，并且5個指標都望小。

因子水平123A/mm0.81.21.6B/mm5.012.015.0C/mm1.52.02.5

表2 正交試驗方案及計算結果

3.2 數據分析

3.2.1 加權矩陣分析

本研究采取正交矩陣分析模型來對多指標正交試驗數據分析，建立3層結構模型，第1層為考察指標層，第2層為因素層，第3層為水平層。影響試驗指標的權重矩陣ω為

(3)

式中：p為考察指標數；M為考察指標層矩陣；T為因素層矩陣；S為水平層矩陣，其定義見文獻[7]。

通過式(3)，計算得出各因素水平對考察指標的影響權重如表3所示。由表中3因素A、B、C權重總和的對比可知，3因素的主次順序為B>A>C；而由3因素各選取權重最大的因素水平可得，最優的組合為A1B3C1，即撕裂線的殘厚為0.8mm，間距為15mm，寬度為1.5mm時即為最優設計方案，此時儀表板弱化區的性能最佳。

表3 各因素水平的權重

3.2.2 單目標均值響應綜合分析

利用Minitab軟件對表2中的正交試驗進行直觀分析，得到各指標的均值主效應圖。圖8所示為氣囊沖破儀表板時間和頭碰最大應變兩指標的主效應圖。將分析所得各考察指標的均值響應整理得到的結果如表4所示。

考察指標最優組合因素主次順序氣囊沖破儀表板時間A1B3C2A>B>CPAB門鉸鏈應變A1B3C1B>A>CPAB支架應變A1B3C1A>B>CIP本體最大應變A1B3C3B>A>C頭碰最大應變A3B1C1B>A>C

由表4中5個指標因素主次順序和最優組合的對比綜合得到，3個因素的主次順序為B>A>C，最優組合選取為A1B3C1，即殘厚為0.8mm，間距為15mm，寬度為1.5mm時為最優參數組合。說明采用加權矩陣和單指標均值響應綜合分析進行數據處理，所得結果一致，驗證了本文優化方法的正確性。

3.3 設計驗證

首先對上節所得最優設計方案進行仿真驗證。計算得到，氣囊沖破時間3.6ms，鉸鏈最大應變72%，PAB支架最大應變5.6%，IP本體應變50%，頭碰應變21%。該設計能很好滿足安全氣囊展開測試和低速頭碰測試要求。

根據優化結果，加工實際樣件后進行臺架試驗。通過常溫、高溫和低溫點爆試驗，安全氣囊開啟時間均在4ms以內。圖9為高溫點爆試驗時，4ms時刻氣囊展開狀態照片。同時，通過點爆現場觀察未發現PAB氣囊門鉸鏈、支架和儀表板本體出現破壞、碎裂飛濺的情況。圖10為撕裂線區域頭碰后的照片。儀表板本體尤其是撕裂線區域頭碰后沒有出現明顯凹陷或破壞失效。實際驗證了本優化方案的合理性。

4 結論

以目前常用的硬質PP儀表板為對象，基于LS-DYNA平臺建立安全氣囊點爆過程和撕裂線區域頭碰過程計算模型，采用正交試驗方法并結合臺架試驗深入探究銑刀弱化無縫安全氣囊儀表板撕裂線設計參數對弱化區強度和氣囊點爆展開的影響，主要結論如下。

(1) 儀表板撕裂線的結構參數中，對儀表板弱化區性能的影響由主到次的順序為：撕裂線的間距、殘厚和寬度。

(2) 儀表板撕裂線的殘厚為0.8mm，間距為15mm，寬度為1.5mm時，儀表板弱化區的性能最佳，能夠較好地滿足氣囊點爆和頭碰要求。

(3) 建立的包括點爆和頭碰計算過程的無縫氣囊撕裂線有限元模型，通過多指標正交試驗的方法，獲得儀表板撕裂線結構參數的最優組合，為撕裂線的參數設計和優化提供參考。

[1] 徐浩閱.銑刀弱化工藝在硬塑儀表板上的應用[J].汽車與配件,2014(19):68-71.

[2] LEE M C H, NOVAK G E. A math-based CAE high-speed punch methodology for polymer airbag cover design[C]. SAE Paper 2006-01-1187.

[3] BYUNGSEOK K. Invisible PAB door development using two-shot molding[C]. SAE Paper 2010-01-0684.

[4] GUO Q, LIU B. Simulation and physical measurement of seamless passenger airbag door deployment[C]. SAE Paper 2012-01-0082.

[5] KONG B, PARK J, LEE D, et al. The effects of various design factors for invisible passenger-side airbag door opening[C]. SAE Paper 2002-01-0184.

[6] 鐘志華.汽車安全氣囊展開過程計算機仿真及其接觸搜尋方法[J].汽車工程,2000,22(5):303-305.

[7] 魏效玲,薛冰軍,趙強.基于正交試驗設計的多指標優化方法研究[J].河北工程大學學報(自然科學版),2010,27(3):95-99.

Structural Analysis and Optimization for the InvisibleTear Seam of Airbag on Instrument Panel

Yuan Zhijun1,2, Wang Hui1, Liu Huaguan2, Wei Xuebing2, Hua Lin1& Fang Fei2

1.WuhanUniversityofTechnology,HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070;2.SAICGMWulingAutomobileCompany,Liuzhou545007

With the Polypropylene instrument panel (IP) currently commonly used as objective, the calculation models for safety airbag deployment and head impact on tear seam are built based on LS-DYNA platform, and according to the requirements of airbag deployment and low-speed head impact on IP, the effects of the design parameters of milling weakened invisible tear seam on the strength in weakened area and airbag deployment are investigated in-depth through orthogonal experiment and bench test. The results show that the influence order of design parameters on the weakened area properties of IP is tear seam spacing, residual thickness and width, and the optimized combination of tear seam design parameters is a residual thickness of 0.8mm, a spacing of 15mm and a width of 1.5mm. The research provides a theoretical basis for the structural analysis and optimization of milling weakened invisible tear seam.

IP; tear seam; orthogonal test; structural analysis; optimization

*國家自然科學基金(51305318)、中國博士后科學基金(2015M582484)和湖北省自然科學基金(2015CFB277)資助。

原稿收到日期為2015年11月2日，修改稿收到日期為2016年1月18日。