有限元法在安全氣囊控制器開發中的應用

魏敏扶原放趙森張志鵬肖慶華申森

（1.長安汽車北京研究院；2.博世汽車部件（蘇州）有限公司）

在碰撞事故中，安全氣囊控制器（氣囊ECU）能準確判斷出碰撞強度如何，并能準確控制氣囊及安全帶的點爆[1]。通常，一個項目在安全氣囊控制器的開發上需要投入近20余輛樣車，進行數據采集和數據驗證2輪共40余次整車碰撞試驗，開發成本高且周期長，是汽車開發過程中耗資耗時最大的驗證領域之一[2]。某公司進一步開發出了電動車安全氣囊控制器的切斷高壓電輸出功能，針對以上問題，文章以該純電動升級車型為研究對象，提出基于經驗的有限元法替代標定部分試驗的氣囊ECU開發方法。

1 純電動車碰撞安全開發特點

不同于傳統汽油車，純電動車的升級車型往往需要更改電池包以提升續駛里程，整車整備質量的大幅增加，以及車身地板和中通道結構的變化，直接影響安全氣囊點爆和切斷高壓電的功能。

傳統安全氣囊控制器開發模式為：19項ECU數據采集試驗→氣囊ECU軟件標定→19項ECU驗證試驗。按傳統開發模式應重新標定氣囊ECU軟件，會產生以下問題：1）整個標定周期140天，開發周期超出項目的開發節點（80天）；2）數據采集和數據驗證2輪整車試驗，每一輪需進行19項整車碰撞試驗，2輪試驗費用約180萬元；3）每一輪需用11輛碰撞試驗工裝車，2輪試驗車總價約1 100萬元。

應用有限元法對純電動車安全氣囊控制器標定試驗工況進行模擬，可以節省開發時間，大幅降低開發成本。以某純電動升級車型為研究對象，建立整車有限元分析模型，應用LS-DYNA軟件進行整車碰撞模擬和安全氣囊控制器信號對比分析工作。

2 模擬分析代替試驗的信號標定

應用以模擬分析代替試驗進行安全氣囊控制器信號標定的方法，需要原車型的試驗結果、原車型的模擬對標結果及升級車型的模擬結果3個要素，具體實施分為5個步驟。

2.1 原車型19項整車碰撞試驗工況的模擬（步驟1）

完全按照試驗工況建立有限元模型，為了保證模擬精度，需要按照建模標準和規范建立完整的整車模型[3]，如圖1所示，只有不影響模擬結果的地毯及內飾板等部分零部件可以省略。在各分總成中設定若干質量點補償省略的零部件質量，調整整車模型質量和質心位置使之與試驗車相同。完全按照試驗工況進行整車碰撞模擬分析，如圖2所示，設定輸出安全氣囊控制器及側碰傳感器處的加速度采集信號。

圖1 某純電動車整車碰撞有限元模型

圖2 某純電動車原車型碰撞工況（部分）有限元模擬

2.2 原車型安全氣囊控制器加速度信號模擬結果與試驗結果對標（步驟2）

將原車型安全氣囊控制器加速度信號模擬結果與試驗結果精確對標，如圖3所示，確保原車型模擬結果合理可信。要求模擬計算的加速度曲線與試驗結果高度擬合，尤其是碰撞前期，加速度曲線特征代表著碰撞過程中發生的氣囊點爆“事件”[4]。

圖3 某純電動車原車型安全氣囊控制器加速度信號對標結果

2.3 升級車型19項整車碰撞試驗工況模擬（步驟3）

建立升級車型整車有限元模型，計算輸出安全氣囊控制器及側碰傳感器的加速度信號，與原車型相對應的模擬結果進行對比，如圖4所示。

圖4 某純電動車安全氣囊控制器加速度信號模擬結果對比

2.4 安全氣囊不能正常工作的風險項篩選（步驟4）

2.4.1 車體結構的變化情況

升級車型的前后及側面碰撞吸能區的結構是否有較大變化、整車整備質量是否有較大變化、車身地板和中通道結構是否有較大變化，這些車體結構上的變化都有可能影響到氣囊控制器正常發出點火信號，本例即是因后2項發生較大變化，需要做信號的詳細對比評估。

2.4.2 升級車型模擬分析與原車型試驗信號對比

首先，將升級車型的模擬結果與原車型信號在時域上進行初步對比，如圖5所示，分析車體結構改變造成對應信號差異的原因。然后，在積分域上再次進行分析對比，用原車型的標定結果模擬升級車型的模擬信號，再對整個模擬結果進行分析，篩選出氣囊應點爆/不點爆的安全余量以及點火時刻都發生較大變化的工況，如果這些變化超過了可接受的范圍，那么這些工況就是較高風險工況，需要進行試驗驗證。

圖5 安全氣囊某誤點爆高風險項的時域信號對比

風險項嚴重程度由高到低依次是：1）不點爆工況出現誤爆；2）點爆工況出現不點爆；3）點爆工況的點火時間出現點火提前或延后。

在實際應用中，氣囊點爆控制算法有加速度峰值法、加速度坡度法、比功率法及移動窗算法等。其中移動窗算法采用一定的窗寬度，對窗內的加速度信號進行積分，移動窗算法具有對碰撞判斷精準及抗干擾能力強等優點[5-6]，公式為：

式中：S（t，ω）——加速度信號積分結果；

t——積分當前時刻，s；

ω——移動窗寬度，ω＜0.03 s；

a（t）——加速度，m/s2。

圖6示出安全氣囊點爆門限閥值確定示意圖。當加速度信號在積分閾上超過設定的閾值線（不同車型有不同的閾值線）時，相應的氣囊會被點爆。不同的點爆/不點爆工況的加速度曲線非常復雜，需要引入一個重要的參數：能量變化量[7]，進一步將需點爆/不點爆的各工況信號逐一辨識出來，計算公式為：

式中：ΔE——能量變化量，J；

m——試驗車質量，kg；

v0——初始速度，m/s。

圖6 安全氣囊點爆門限閥值確定示意圖

在積分域對升級車型不點爆工況模擬結果進行判斷，如圖7所示，曲線接近點爆門限，存在誤點爆風險，需進行試驗驗證。

圖7 安全氣囊某誤點爆高風險項的積分域信號對比

2.5 較高風險項的驗證試驗（步驟5）

對步驟4中分析篩選出的風險較高的項目進行驗證試驗。將升級車型的驗證試驗信號、模擬信號以及原車型的試驗信號進行對比，用原車型的標定結果模擬升級車型的驗證試驗信號。如果模擬結果在安全范圍則無需重新標定；如果模擬結果中有工況超出安全范圍，則必須重新標定和再次驗證試驗。

3 模擬分析代替試驗方法的實施效果

圖8示出模擬分析代替試驗的安全氣囊控制器開發模式。在數字樣車階段即可進行充分的模擬分析，可以縮短標定周期，減少物理樣車的使用和整車試驗項目，降低開發成本。

圖8 模擬分析代替試驗的安全氣囊控制器開發模式

在有效保證產品性能的前提下，整車試驗和信號標定的項目由20項減少到6項，開發周期由140天縮短為70天，滿足項目開發進度要求；2輪碰撞試驗項目由38項減少到12項，可節省試驗費用124.8萬元；2輪碰撞試驗工裝樣車由22輛減少到4輛，估計可節省樣車費用900萬元。

綜上，整車開發周期節省了70天，費用節省了約1024.8萬元，再次證明了CAE工具方法的意義和價值。

4 結論

在純電動車升級車型的碰撞性能開發中，文章利用基于經驗的精確模擬仿真技術，應用模擬分析代替試驗方法，大量節省了項目開發時間和開發成本，一定程度上改變了傳統開發模式，初步建立了安全氣囊控制器“黑盒子件”的開發能力。通過先期策略規劃，輔之以較高的模擬技術水平，有助于整車廠實現向主動開發角色的轉變。以模擬分析代替試驗進行安全氣囊控制器標定的方法仍需不斷地發展完善，將來的目標是此方法可以推廣到其他全新開發的車型上，由模擬分析完全或大部分替代樣車試驗，進一步縮短開發周期，降低開發成本。