某SUV副駕駛員安全氣囊試驗及LS-DYNA有限元模型對標

馬健勝，郭樹文，段丙旭

(中國汽車技術研究中心 天津 300300)

0 引 言

隨著人們安全意識的提升，以及各國碰撞法規與新車評價體系規程(New Car Assessment Program，NCAP)對車輛碰撞安全性能的要求越來越嚴苛，汽車碰撞安全性能開發在車型開發流程中越來越重要[1]。車輛碰撞安全性能開發主要包括車輛結構耐撞性提升與乘員約束系統匹配2部分內容。

實車碰撞試驗是汽車被動安全研究最基本、最直觀且說服力強的方式，但是整車碰撞試驗周期長，費用高。隨著商業有限元軟件的發展，以及有限元假人準確度的提升，通過計算仿真輔助的方式匹配優化約束系統、計算假人乘員傷害值成為車型開發過程必不可少的手段[2]。車輛碰撞工況下乘員約束系統的匹配主要涉及的部件有：儀表板、方向盤、轉向管柱、安全帶、安全氣囊和座椅。通過約束系統部件匹配，當車輛檢測到發生碰撞時，行車電腦(ECU)根據碰撞強度做出判斷，發出點火信號點爆氣囊、安全帶預緊裝置，氣囊和安全帶等約束系統部件共同作用使得在碰撞過程中假人乘員具有很好的運動姿態，假人各部位損傷值控制在法規要求范圍內。安全氣囊作為約束系統匹配中的重要組成部件，需要對其點火時間、泄氣孔大小、氣囊剛度等參數進行匹配優化，才能讓氣囊恰到好處地發揮保護作用。開發前期，在約束系統有限元模型上驗證各種參數方案對乘員的保護效果是必要的、高效的，通過仿真與試驗的互相輔助驗證，優化氣囊參數，提升車輛約束系統對乘員的保護性能。有限元氣囊模型建模的質量，直接影響約束系統仿真模型中假人的運動姿態，對約束系統仿真優化匹配的準確度具有至關重要的影響。而安全氣囊性能的試驗測試方法、氣囊有限元建模仿真技術主要被氣囊生產廠家掌握。因此，有必要對氣囊的試驗以及建模進行深入研究，氣囊模型的準確性是約束系統仿真準確性的基礎。

本文對某SUV副駕駛員PAB氣囊(Passenger Airbag)試驗以及有限元模型建模仿真對標進行闡述。測試氣囊剛度特性的試驗主要包括氣體發生器壓力容器試驗(Tank試驗)、氣囊靜態展開試驗、氣囊動態沖擊試驗。車輛安全氣囊有限元建模仿真及對標，主要包括安全氣囊有限元建模、氣體發生器對標、氣囊氣袋織布泄氣性對標和氣囊線性沖擊性能對標。

1 試驗原理及參數設置

1.1 PAB沖擊試驗原理

氣囊動態沖擊試驗是獲得氣囊剛度的重要試驗。氣囊動態沖擊試驗設備包括：固定氣囊的剛性墻、水平導軌、剛性沖擊塊、彈射氣缸，試驗裝置如圖1所示。本次試驗臺側視圖、正視圖如圖2所示。給定質量的沖擊塊以指定速度沿導軌沖擊氣囊，沖擊塊上的加速度傳感器測得其導軌運動方向的加速度曲線。進行仿真試驗對標，使得氣囊有限 元模型中動態沖擊加速度表現與試驗表現一致，由此說明氣囊有限元模型剛度與實體氣囊剛度一致。

圖1 氣囊沖擊試驗裝置示意圖 Fig.1 Airbag impact test equipment

圖2 PAB沖擊試驗設備側、正視圖 Fig.2 Side view and front view of PAB impact test equipment

1.2 氣囊動態沖擊試驗過程

沖擊器經過光電門的時刻記為試驗0時刻開始，沖擊塊上的加速度傳感器開始記錄數據，高速攝像機開始拍攝氣囊動態視頻。沖擊塊勻速沿導軌向前滑動，經過一段延遲時間后，點爆氣囊，氣囊點爆后氣袋迅速被氣體充滿。在氣囊充滿時刻沖擊塊與氣囊發生接觸碰撞，沖擊頭繼續壓縮氣囊，在整個過程中，沖擊塊上的加速度傳感器采集加速度。

如圖3所示，該PAB氣囊采用的剛性沖擊質量塊前端面為規則矩形，矩形面尺寸200mm×300mm，沖擊塊總質量35kg，沖擊速度為6m/s。其中沖擊塊由彈射氣缸彈出，氣缸參數需要調試多次，才能夠將沖擊塊速度調整為6m/s。

圖3 沖擊質量塊 Fig.3 Impact mass block

本次PAB沖擊試驗的工裝尺寸設置如圖4與表1所示。

圖4 PAB工裝圖 Fig.4 PAB fixture diagram

表1 PAB工裝尺寸測量 Tab.1 PAB fixture size

首先進行各尺寸排氣孔氣囊的靜態展開試驗，觀察氣囊展開形態，確定氣囊充滿需要的時間，以及在充滿狀態下的氣囊厚度。以此確定后續氣囊沖擊試驗中沖擊塊與氣囊接觸的空間位置。需要合理的設備參數設置，使得沖擊塊與氣囊恰好在氣囊充滿時刻狀態下發生接觸碰撞。

通過各排氣孔氣囊的靜態展開試驗，觀察氣囊達到充滿狀態所需的時間。氣囊達到充滿狀態的表現為該時刻氣囊體積達到最大，氣袋織布無褶皺。觀察到無孔氣囊充滿時間為36ms，其充滿狀態如圖5所示。氣孔直徑分別為30、40、50mm的氣囊充滿時間為38ms，此時氣孔直徑50mm的氣囊充滿狀態如圖6所示。調整相應設備參數，使得在后續氣囊動態沖擊試驗中氣囊與沖擊塊恰好在氣囊充滿狀態下發生碰撞。

圖5 無孔氣囊靜態展開充滿狀態(36ms) Fig.5 Static expansion and full state of PAB without vent(36ms)

圖6 直徑Φ50mm氣囊充滿狀態(38ms) Fig.6 Full state of PAB with diameter Φ 50mm(38ms)

按照如下表2中試驗矩陣對無孔和排氣孔規格為30、40、50mm的PAB氣囊進行試驗。先靜態點爆展開試驗各一次，觀察不同規格氣囊靜態展開充滿時間與氣囊展開厚度，再進行動態沖擊試驗各 2次。表2中氣囊充滿時間為氣囊靜態展開試驗中觀察到的氣囊達到充滿狀態的時間。延時時刻為沖擊塊經過光電門之后，經過該延時時間再點爆氣囊；接觸時刻為氣囊與沖擊塊發生接觸碰撞的時刻。

表2 PAB氣囊試驗矩陣 Tab.2 PAB test setup

2 氣囊模型建立及試驗對標

2.1 氣囊模型的建立

有限元氣囊模型建立以及對標的質量來源于碰撞工況下乘員約束系統仿真的實際需求。如圖7所示，在某SUV正碰50km/h臺車工況仿真試驗對標中，其副駕側乘員頭部、胸部、骨盆的X向試驗加速度如圖8所示，可見假人碰撞歷程在0.15s內。所以要求PAB有限元氣囊的剛度特性在0.15s內要與實體氣囊剛度表現一致，才能更好地反映碰撞過程中氣囊與假人的相互作用。

圖7 某SUV 副駕正碰約束系統仿真對標 Fig.7 Benchmarking of an occupant restraint system on passenger side of a SUV

圖8 副駕H350頭、胸、骨盆試驗加速度曲線 Fig.8 Test acceleration curves on passenger head，chest and pelvis

用Hybrid均壓法建立該PAB氣囊發生器，參數主要在LS-DYNA軟件的AIRBAG_HYBRID關鍵字中進行設置[3]。Hybrid均壓法氣囊能夠模擬乘員正常坐姿下，假人與氣囊的相互作用。PAB氣囊織布面片圖紙如圖9所示，進行有限元模型建模，然后對各面片網格進行縫合。面片有限元模型網格縫合后形成完整的封閉氣囊。兩個位置對稱的排氣孔分別在PAB氣囊左右兩側面片上，氣囊孔直徑規格分為無孔、2×30mm、2×40mm、2×50mm共 4種規格。

圖9 氣囊織布平面圖紙 Fig.9 Airbag plan drawing

將充滿狀態下的面片網格節點三維空間坐標作為該氣囊的參考幾何，參考幾何如圖10所示。建立氣囊參考幾何后對氣囊面片網格進行折疊，使折疊后的PAB能夠放進氣囊盒中。

圖10 氣囊模型參考幾何 Fig.10 Airbag model reference geometry

在Airbag Reference Geometry關鍵字中設置氣囊參考幾何[4]。如果有限元安全氣囊為折疊方式建立，展開的幾何精度將受到折疊方式的影響。建立氣囊的參考幾何，例如把氣囊最終展開狀態下的節點坐標作為參考幾何，那氣囊初始折疊的任何形狀都不影響氣囊充滿的最終幾何形狀。設置氣囊參考幾何的目的是讓氣囊計算展開形狀，不受氣囊初始折疊方式的影響。

在Airbag-Hybrid關鍵字中，設置氣囊發生器有N2、CO2、H2O共3種氣體成分，根據總質量流以及質量百分比分別設置各氣體成分的質量流。發生器的質量流需要通過Tank試驗對標獲得。建立的氣囊模型動態沖擊工況如圖11所示。

圖11 PAB試驗工況搭建 Fig.11 Construction of PAB impact test conditions

2.2 氣囊發生器試驗對標

氣囊氣體發生器的主要作用是在氣囊點爆后，快 速產生氣體將氣囊充滿展開。氣囊氣體發生器特性主要通過壓力容器試驗(Tank試驗)獲得。該煙火式PAB發生器在體積60L密閉不變形的剛性罐內點爆，發生劇烈的化學反應，產生N2、CO2、H2O混合氣體，測得其壓力罐內的壓力-時間曲線。通過調整仿真模型中的發生器參數，調整溫度流曲線，對60L Tank試驗發生器點爆工況進行模擬，使得在仿真中模擬的發生器點爆壓力與壓力-時間曲線和試驗一致。PAB質量流曲線由壓力曲線換算得到[5]。

PAB發生器參數為氣囊生產廠提供，Tank試驗分別在高溫、常溫、低溫環境下進行，測量不同溫度環境下的發生器輸出氣體的特性[6]。該PAB氣囊常溫下Tank試驗的氣體壓力-時間曲線如圖12所示，氣體質量流-時間曲線如圖13所示。將產生的各氣體成分體積百分比轉化為各氣體成分質量百分比，如表3所示。按照質量百分比作為Airbag-Hydrid關鍵字中不同氣體的質量流輸入。

表3 PAB氣體成分表 Tab.3 Gas composition table of PAB

圖12 壓力曲線 Fig.12 Pressure curve

圖13 質量流曲線 Fig.13 Mass curve

建立簡化的Tank模型如圖14所示，用體積60L的封閉剛性長方體代表簡化的壓力罐，使其體積與實體壓力罐體積一致。賦予氣囊關鍵字，模擬發生器在60L密閉容器內點爆的Tank試驗。仿真的壓力-時間曲線與試驗對比如圖15所示，試驗中氣囊發生器的仿真精度符合要求，曲線吻合。

圖14 簡化Tank有限元模型60L Fig.14 Simplified Tank finite element model of 60L

圖15 Tank壓力仿真與試驗對比 Fig.15 Simulation and test comparison of pressure curve in Tank test

2.3 PAB氣囊織布泄氣性對標

在氣囊發生器仿真與試驗對標后，下一步對氣囊氣袋織布泄氣性進行對標，通過與無孔氣囊線性沖擊試驗實現。氣體從氣囊中泄氣，主要有2個途徑：從氣孔泄氣和從織布泄氣。氣囊氣袋織布的作用是在氣體發生器點爆后，沖破PAB盒子上的撕裂線，迅速在乘員與儀表板之間形成氣墊緩沖。無孔氣囊動態沖擊試驗的主要目的是對氣囊的氣袋織布材料泄氣性進行對標。

如圖16所示，通過調整氣囊織布MAT34材料卡片中的泄氣速度-壓力曲線，使得在無孔氣囊動態沖擊試驗中，沖擊頭加速度仿真與試驗一致，反映了氣囊織布在模型與試驗中泄氣性能一致。仿真試驗動畫對比如圖17所示，沖擊頭仿真試驗加速度對比如圖18所示。試驗中沖擊塊最大減速度為14.1gn，仿真中沖擊塊最大減速度14.28gn，仿真 試驗曲線吻合度較好，氣囊織布泄氣性對標，滿足要求。

圖16 氣囊織布泄氣速率-壓力曲線 Fig.16 Deflation rate-pressure curve of airbag weaving

圖17 PAB 無孔仿真與試驗動畫對比 Fig.17 Simulation andtest animation comparison of PAB without vent

圖18 PAB 速度6m/s 0氣孔對標結果 Fig.18 Benchmarking results of PAB without vent in impact test

2.4 PAB 30mm孔氣囊沖擊試驗對標

在氣囊氣體發生器輸出特性、氣袋織布泄氣性對標完成后，進行各氣囊排氣孔大小的PAB剛度對標。PAB 帶有左右2個直徑30mm的氣囊動態沖擊對標，仿真與試驗動畫對比如圖19所示，加速度曲線對比如圖20所示。可見，2×40mm直徑氣囊孔的氣囊展開狀態與試驗一致，加速度特性在與沖擊塊接觸后的0.15s內與試驗吻合度較好，滿足仿真對標需求。試驗沖擊塊最大減速度9.5gn，仿真沖擊塊最大減速度9.3gn。

圖19 PAB vent30 動畫對比 Fig.19 Simulation and test animation comparison of PAB with 30mm diameter vent

圖20 PAB速度6m/s 2×30mm氣孔對標結果 Fig.20 Benchmarking results of PAB with 30mm diameter vent in impact test

2.5 PAB 40mm孔氣囊沖擊試驗對標

帶有2個直徑40mm氣孔的PAB氣囊沖擊仿真與試驗對比動畫如圖21所示，加速度曲線對比如圖23所示。可見，2次試驗曲線基本重合，說明該PAB實體產品本身的生產一致性比較好。2×40mm直徑氣囊孔的PAB氣囊展開狀態與試驗一致，加速度特性在與沖擊塊接觸后的0.15s內與試驗吻合度較好，滿足約束系統仿真對標需求。試驗沖擊塊最大減速度6.0gn，仿真沖擊塊最大減速度5.98gn。

圖21 vent40仿真與試驗動畫對比 Fig.21 Simulation and test animation comparison of PAB with 40mm diameter vent

圖23 PAB速度6m/s 2×40mm氣孔對標結果 Fig.23 Benchmarking results of PAB with 40mm diameter vent in impact test

2.6 PAB 50mm孔氣囊沖擊試驗對標

帶有2個直徑50mm氣孔的PAB氣囊沖擊仿真與試驗對比動畫如圖22所示，加速度曲線對比如圖24所示?？梢?，2×50mm直徑氣囊孔的氣囊展開狀態與試驗一致，加速度特性在與沖擊塊接觸后的0.15s內與試驗吻合度較好，滿足仿真對標需求。試驗沖擊塊最大減速度3.6gn，仿真沖擊塊最大減速度4.35gn。

圖22 vent50仿真與試驗動畫對比 Fig.22 Simulation and test animation comparison of PAB with 50mm diameter vent

圖24 PAB速度6m/s 2×50mm氣孔對標結果 Fig.24 Benchmarking results of PAB with 50mm diameter vent in impact test

3 結 論

本文介紹了某SUV副駕PAB氣囊動態沖擊試 驗原理、試驗設備及試驗參數設置。對氣體發生器壓力容器試驗、氣囊靜態展開試驗、氣囊氣袋織布泄氣性、不同氣孔規格氣囊動態沖擊試驗進行了有限元模型建模與仿真試驗對標，其中分別對無孔以及孔徑為30、40、50mm的氣囊進行了氣囊動態沖擊仿真試驗對標。該PAB各規格排氣孔的有限元氣囊對標質量良好，滿足后續約束系統優化匹配仿真要求。本文論述的氣囊試驗測試方式與仿真建模方法可為約束系統開發提供參考?！?/p>