汽車(chē)安全氣囊用氣體發(fā)生器殼體設(shè)計(jì)

王曉東, 董作進(jìn), 張 煒*, 孫 銳

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心， 吉林 長(zhǎng)春 130012； 2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

汽車(chē)安全氣囊用氣體發(fā)生器殼體設(shè)計(jì)

王曉東1, 董作進(jìn)2, 張 煒2*, 孫 銳2

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心， 吉林 長(zhǎng)春 130012； 2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

以60 L某型號(hào)主駕駛座安全氣囊用氣體發(fā)生器為例，設(shè)計(jì)了殼體的基本參數(shù),并利用三維建模軟件建立了氣體發(fā)生器殼體的簡(jiǎn)化三維模型。結(jié)合材料屬性和工況建立了殼體有限元分析模型。采用單向流固耦合的方法對(duì)殼體施加載荷,對(duì)殼體在載荷作用下的應(yīng)力和變形進(jìn)行了仿真計(jì)算，優(yōu)化了傳統(tǒng)氣體發(fā)生器的殼體設(shè)計(jì)步驟。

氣體發(fā)生器; 殼體； 三維建模； 有限元分析； 流固耦合

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)方面取得的經(jīng)濟(jì)效益穩(wěn)步增長(zhǎng),國(guó)內(nèi)汽車(chē)總量的急劇上升使得輕、小型汽車(chē)的安全行駛已經(jīng)成為汽車(chē)生產(chǎn)廠家和廣大乘員關(guān)注的熱點(diǎn)，汽車(chē)被動(dòng)安全技術(shù)也由此進(jìn)步明顯[1]。作為汽車(chē)被動(dòng)安全系統(tǒng)的諸多組成模塊之一，汽車(chē)安全氣囊的相關(guān)技術(shù)也取得了較大的進(jìn)步。作用于安全氣囊總成中的汽車(chē)安全氣囊用氣體發(fā)生器在汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)發(fā)揮著保護(hù)人們生命安全的重要作用。當(dāng)中央處理單元給一個(gè)點(diǎn)火信號(hào)使得氣體發(fā)生器工作時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得的合理速度以及合理氣體質(zhì)量流率，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的氣體充滿整個(gè)氣囊氣袋，由此起到保護(hù)車(chē)內(nèi)人員安全免受事故傷害的目的。所以，汽車(chē)安全氣囊總成中的氣體發(fā)生器能否在工作時(shí)保持可靠性對(duì)安全氣囊在點(diǎn)爆之后能否正常展開(kāi)起著決定性的作用。氣體發(fā)生器的殼體提供具備足夠強(qiáng)度的燃燒室腔體，確保燃燒室內(nèi)的產(chǎn)氣藥劑被合理點(diǎn)燃，并按合理的線性燃燒速度保持可靠且穩(wěn)定的燃燒[2]。因此，對(duì)于任意一種型號(hào)的氣體發(fā)生器，使其殼體在工作時(shí)具備可靠性將作為設(shè)計(jì)氣體發(fā)生器工作的重點(diǎn)內(nèi)容。文中對(duì)此展開(kāi)研究。

1 安全氣囊用氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)

根據(jù)產(chǎn)氣機(jī)理的差異性，汽車(chē)安全氣囊用氣體發(fā)生器主要有以下3種形式[3]：

1)煙火式氣體發(fā)生器，氣源來(lái)自產(chǎn)氣藥劑的燃燒；

2)儲(chǔ)氣瓶式氣體發(fā)生器，氣源來(lái)自內(nèi)部?jī)?chǔ)氣罐迅速釋放的氣體；

3)混合式氣體發(fā)生器，其特點(diǎn)表現(xiàn)為內(nèi)部既有產(chǎn)氣藥劑也有儲(chǔ)氣瓶[4]。

針對(duì)煙火式氣體發(fā)生器所進(jìn)行的研究，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單級(jí)點(diǎn)火煙火式氣體發(fā)生器內(nèi)部構(gòu)造圖

單級(jí)點(diǎn)火煙火式氣體發(fā)生器實(shí)物圖如圖2所示。

1.1氣體發(fā)生器的殼體成型工藝和材料選擇

針對(duì)某型號(hào)氣囊60 L主駕駛座安全氣囊用氣體發(fā)生器，殼體制造的成型工藝采用旋壓成型，制造殼體的材質(zhì)在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性等各方面因素之后選用具有塑性好，易于拉拔、沖壓、擠壓、鍛造和焊接等優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具體材料型號(hào)為20#鋼。

圖2 單級(jí)點(diǎn)火煙火式氣體發(fā)生器樣品實(shí)物圖

1.2氣體發(fā)生器的殼體強(qiáng)度設(shè)計(jì)依據(jù)

作為氣體發(fā)生器的殼體部分，其主要作用是提供可以承受足夠壓力的燃燒腔體，以此來(lái)確保燃燒室內(nèi)的產(chǎn)氣藥劑被點(diǎn)燃后可以保持合理的線性燃燒速度進(jìn)行燃燒而不會(huì)發(fā)生失效。由于安全氣囊總成安裝在方向盤(pán)上，安全氣囊總成中的氣體發(fā)生器和駕乘人員的距離較近，因此，對(duì)殼體的基本要求是在氣體發(fā)生器工作前后承受氣體內(nèi)壓和沖擊的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)規(guī)整、無(wú)碎片飛濺現(xiàn)象發(fā)生，各大生產(chǎn)廠家和機(jī)構(gòu)制訂的氣體發(fā)生器生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范對(duì)此均有明確的要求。以美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)發(fā)布的USCAR[5]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文件中對(duì)氣體發(fā)生器部分的說(shuō)明為例，它建議對(duì)氣體發(fā)生器遵照上述規(guī)范文件中所要求的試驗(yàn)方法來(lái)實(shí)施煙火試驗(yàn)，并采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法處理此過(guò)程中所得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算所得出的爆炸安全系數(shù)[6]必須大于1.5。

文中參考了USCAR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文件中所要求的試驗(yàn)方法，并將試驗(yàn)過(guò)程中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后對(duì)氣體發(fā)生器的殼體部分進(jìn)行了強(qiáng)度設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算。

1.3測(cè)定不同溫度下的工作壓力P

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別對(duì)處于-40、25、85 ℃溫度條件下的氣體發(fā)生器進(jìn)行煙火實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其內(nèi)部工作壓力進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)以及按標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后所得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同溫度條件下氣體發(fā)生器內(nèi)部工作壓力數(shù)據(jù)

1.4確定最大預(yù)計(jì)工作壓力MEOP

式中: MEOP85 ℃----在85 ℃的工作溫度條件下氣體發(fā)生器內(nèi)部所承受的最大預(yù)計(jì)工作壓力;

s85 ℃----在85 ℃的工作溫度條件下氣體發(fā)生器內(nèi)部所承受工作壓力的樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

從表1中的數(shù)據(jù)可以得出,氣體發(fā)生器在溫度條件85 ℃時(shí),其內(nèi)部工作壓力將達(dá)到最高的結(jié)論。并由表中數(shù)據(jù)可知:

s85 ℃=0.38 MPa

將上述數(shù)據(jù)結(jié)果代入式(1)中可得:

MEOP85 ℃=26 MPa

1.5氣體發(fā)生器的殼體最小厚度計(jì)算方法

式中:P破壞----氣體發(fā)生器發(fā)生材料失效情況的內(nèi)部工作壓力;

K----氣體發(fā)生器發(fā)生材料失效情況的爆炸安全系數(shù)，暫時(shí)取值為1.5。

P破壞≥26×1.5=39 MPa

設(shè)一個(gè)參數(shù)表示氣體發(fā)生器的殼體部分的內(nèi)部直徑，用D來(lái)表示。參照市面上相同產(chǎn)氣性能的氣體發(fā)生器和相關(guān)技術(shù)資料，取D=64 mm，并將殼體的厚度暫時(shí)設(shè)為δ，具體如圖3所示。

圖3 殼體半剖面簡(jiǎn)化二維圖

將氣體發(fā)生器的上殼體頂面簡(jiǎn)化為平面，則通過(guò)計(jì)算可以得出氣體發(fā)生器的殼體在橫切面方向上的近似面積為：

所以

氣體發(fā)生器的殼體上壁面的面積為：

氣體發(fā)生器的殼體在正常工作狀態(tài)下受到高壓氣體的作用力為：

式中:P----氣體發(fā)生器上壁面所承受的壓力。

將數(shù)據(jù)代入式(5),計(jì)算得出氣體發(fā)生器在受到高壓氣體的作用力后發(fā)生破壞失效的最小作用力為

可進(jìn)一步通過(guò)下式計(jì)算得出,殼體在氣體發(fā)生器處于工作狀態(tài)時(shí)所能允許的最大作用力為

查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知[7]

σ=400 MPa

代入有關(guān)數(shù)據(jù)得：

δ≥1.526 mm

由于考慮上述設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)值計(jì)算并未將靜壓破壞強(qiáng)度的3倍標(biāo)準(zhǔn)差加入計(jì)算，因此,將氣體發(fā)生器的殼體厚度圓整為2.0 mm。

2 仿真驗(yàn)證

在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)工況條件非常復(fù)雜的情況，完全擬合實(shí)際工作條件不僅會(huì)增加工作難度，還通常會(huì)使得工作周期變長(zhǎng)和增加經(jīng)濟(jì)投入，因此在不影響實(shí)際工作效果的條件下，采用簡(jiǎn)化工況的手段來(lái)擬合實(shí)際工作情況將是必要的。氣體發(fā)生器在接收到中央控制單元發(fā)送的點(diǎn)火信號(hào)后，通過(guò)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的點(diǎn)火電流脈沖使得電點(diǎn)火點(diǎn)燃擴(kuò)燃藥，這樣使得產(chǎn)氣藥急劇的燃燒產(chǎn)生大量氣體，并在20～40 ms[7]的時(shí)間內(nèi)充滿氣袋，這個(gè)時(shí)間過(guò)程非常短，為了使邊界條件可以盡可能地?cái)M合出汽車(chē)安全氣囊用氣體發(fā)生器的實(shí)際工作狀況，將內(nèi)部急劇產(chǎn)生的氣體簡(jiǎn)化為壓力入口，同時(shí)對(duì)氣體發(fā)生器安裝孔位置進(jìn)行固定約束消除發(fā)生器的剛體位移，求出變形引起的節(jié)點(diǎn)位移和殼體內(nèi)應(yīng)力。

氣體發(fā)生器工作時(shí)內(nèi)部的氣體壓力不斷作用于殼體壁面上，將氣體發(fā)生器內(nèi)部的空氣填充為流體場(chǎng)，使得殼體內(nèi)表面和流體場(chǎng)外表面形成一幅耦合面，二者之間的受力是一對(duì)相互作用力，因此，氣體發(fā)生器殼體內(nèi)表面承受的載荷與流體場(chǎng)外表面的壓力載荷等值。單向流固耦合過(guò)程中，先算出流體場(chǎng)耦合面的載荷，然后在靜力分析過(guò)程中，殼體耦合面的載荷作為作用力施加于殼體相應(yīng)位置上，即可完成耦合過(guò)程中作用力的傳遞。

設(shè)計(jì)并計(jì)算了氣體發(fā)生器殼體的幾何模型及其特征參數(shù)后，對(duì)氣體發(fā)生器殼體和內(nèi)部高壓氣體劃分有限元單元[8]，合理分析并建立內(nèi)部已填充有氣體的殼體有限元模型。在氣體發(fā)生器殼體有限元分析中根據(jù)不同的計(jì)算目的,可選用不同的計(jì)算模型來(lái)劃分網(wǎng)格?？紤]到結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格更適用于流體介質(zhì)等工況的計(jì)算，具有網(wǎng)格生成質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，文中出于對(duì)計(jì)算成本、計(jì)算機(jī)資源和數(shù)值精度的綜合考慮后選擇對(duì)氣體發(fā)生器的殼體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，建立并分析了氣體發(fā)生器殼體與其內(nèi)部高壓氣體單向耦合的有限元模型。

殼體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖4所示。

通過(guò)選擇相應(yīng)的求解器對(duì)所建立的汽車(chē)安全氣囊用氣體發(fā)生器殼體的有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算和求解，得到殼體的應(yīng)力分布云圖，如圖5所示。

圖5 殼體應(yīng)力分布云圖

氣體發(fā)生器殼體的變形云圖如圖6所示。

圖6 殼體變形云圖

根據(jù)上述某型號(hào)60 L汽車(chē)安全氣囊用氣體發(fā)生器殼體的應(yīng)力分布云圖以及變形云圖可以看出，殼體承受較大應(yīng)力的范圍基本分布在上殼體中間位置，最大的應(yīng)力值為232.81 MPa；氣體發(fā)生器的殼體所發(fā)生的最大變形也在中間區(qū)域，但是變形量和總體尺寸相比較偏小，只有0.153 75 ms。殼體的材料為20#鋼，根據(jù)材料屬性可知其抗拉強(qiáng)度為400 MPa[9]，由此可知,殼體的最大等效應(yīng)力值小于它的抗拉強(qiáng)度，因此滿足殼體強(qiáng)度要求。由于邊界條件中的壓力入口是按照最大內(nèi)部工作壓力的1.5倍裕度進(jìn)行設(shè)置的，而得出的應(yīng)力值仍小于它的強(qiáng)度極限，因此,可以認(rèn)為氣體發(fā)生器殼體的爆炸安全系數(shù)大于1.5。所以，綜合考慮材料屬性和仿真結(jié)果，氣體發(fā)生器的殼體滿足USCAR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的爆炸安全系數(shù)大于1.5的設(shè)計(jì)要求，無(wú)需修正。

3 結(jié) 語(yǔ)

氣體發(fā)生器的殼體強(qiáng)度作為衡量汽車(chē)安全氣囊用氣體發(fā)生器的重要性能指標(biāo)，是發(fā)生碰撞時(shí)保護(hù)人員生命安全的重要保障。文中介紹了一種殼體強(qiáng)度的數(shù)值設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)采用單向流固耦合的方式來(lái)模擬氣體發(fā)生器在點(diǎn)火后急劇產(chǎn)生大量高壓氣體，而氣體發(fā)生器殼體承受了這一過(guò)程中的變形和殼體內(nèi)壁所受到的應(yīng)力，驗(yàn)證了殼體強(qiáng)度的可靠性，改變了過(guò)去進(jìn)行殼體強(qiáng)度裕度設(shè)計(jì)時(shí)采用逐步增加藥量來(lái)進(jìn)行大量試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正的設(shè)計(jì)方法，縮短了設(shè)計(jì)周期。此設(shè)計(jì)思路對(duì)其他不同規(guī)格和點(diǎn)火形式的安全氣囊用氣體發(fā)生器的殼體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)和計(jì)算也有一定的參考意義。

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Simulationdesignofgasgeneratorshellforautomobilesafetyairbag

WANG Xiaodong1, DONG Zuojin2, ZHANG Wei2*, SUN Rui2

(1.Engineering Training Centre, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China;2.School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

Taking a gas generator from the airbag assembly in a 60-liter main driver’s seat as an example, we design the basic parameters of the gas generator shell and build a 3D model for the shell. The finite element analysis model of the shell is also established considering material properties and working conditions. With one-way fluid-solid coupling method, load is added to the shell and simulation calculation is made for the stress and deformation of shell. The design for the gas generator shell is optimized.

gas generator； shell; 3D modeling; finite element analysis; fluid-structure coupling.

TH 122

A

1674-1374(2017)04-0397-05

2017-03-21

吉林省科技廳重點(diǎn)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(20150307013GX)； 吉林省發(fā)改委產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2015Y064)

王曉東(1970-)，男，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事機(jī)電一體化綜合技術(shù)方向研究,E-mail:wangxiaodong@ccut.edu.cn. *通訊作者：張 煒(1980-)，男，漢族，吉林吉林人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)講師，博士，主要從事機(jī)電一體化綜合技術(shù)方向研究,E-mail:kingzw@tju.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.4.14