不同弱化槽結構安全氣囊蓋板性能仿真分析研究

高鵬堂

武威職業學院,甘肅威武 733000

0 引言

車載安全氣囊系統是車輛安全性的重要保障，在車輛發生碰撞時有效保護駕駛員與乘員的生命安全。安全氣囊早在20世紀60年代被研制出來并應用于車輛，研究表明：安全氣囊可以降低14%車輛碰撞時駕駛員與乘員的死亡率，對于大型交通事故而言，安全氣囊甚至能夠降低30%的死亡率。安全氣囊安裝于汽車儀表板安全氣囊區蓋板的下方，主要由氣體發生器、碰撞傳感器和控制器等部件組成。當車輛發生碰撞時，由碰撞傳感器接收碰撞信號并傳遞給控制器，控制器輸出信號促使氣體發生器點火，并迅速產生大量氣體致使氣囊迅速膨脹產生內部壓力。當安全氣囊袋對安全氣囊蓋板的擠壓應力突破安全氣囊蓋板材料的斷裂強度時，安全氣囊蓋板將沿著弱化槽撕開從而彈出安全氣囊，以達到保護駕駛員與乘員安全的目的。因此，安全氣囊蓋板能否順利打開是這一過程的重要保障，而這主要與安全氣囊蓋板的材料和蓋板弱化槽的設計有關。

近年來，圍繞車載安全氣囊系統的研究，相關學者開展了大量研究。周健波等基于Moldfolw設計了一種安全氣囊蓋板的注塑模具對安全氣囊蓋板模具的注塑過程進行了仿真模擬，解決了安全氣囊蓋板在注塑成型過程中可能出現的氣泡、尺寸精度不足以及變形等問題。同時通過研究發現影響安全氣囊蓋板穩健性的主要因素有安全氣囊蓋板是否具有加強筋、安全氣囊蓋板的材料和安全氣囊蓋板的弱化結構等。董衛國基于神經網絡和遺傳算法對安全氣囊蓋板弱化槽的激光加工技術進行了優化，提升了其安全性能。周宗馬等借助LS-PrePost有限元分析軟件中的Airbag Folding模塊對安全氣囊爆破時安全氣囊展開的過程進行了模擬，并對比試驗結果驗證了其可靠性，大大縮短了安全氣囊系統的研發流程。

由此可見，對安全氣囊及其氣囊區工藝設計研究已日漸成熟。然而，安全氣囊蓋板弱化槽的結構設計對于安全氣囊系統的安全性能至關重要，但目前卻少有深層次的研究。為此，本文借助ABAQUS軟件來對比分析不同弱化槽結構安全氣囊蓋板的展開特性。

1 安全氣囊蓋板有限元模型構建

1.1 三維模型的建立

三維模型的建立是有限元分析步驟中最為關鍵的步驟，本文使用SolidWorks進行三維模型設計與構建。目前，主流的安全氣囊蓋板的弱化槽結構可分為U型、H型和雙Y型3種。根據實物測得，安全氣囊表面長度為250.02 mm，寬度為158.46 mm，厚度為4.00 mm，表面為曲面;氣囊室的外圈長度為210.02 mm,寬度為112.08 mm，厚度為4.00 mm，最高處為65.39 mm，最低處為45.93 mm;側面為裝配孔，底部有U型弱化槽，深度為3.00 mm弱化槽。以此為基礎，建立3種類型弱化槽結構安全氣囊蓋板三維模型，分別如圖1至圖3所示。

圖1 H型弱化槽結構安全氣囊蓋板三維模型

圖2 雙Y型弱化槽結構安全氣囊蓋板三維模型

圖3 U型弱化槽結構安全氣囊蓋板三維模型

1.2 有限元模型的建立

通常情況下，有限元模型的建立過程就是有限元分析的前處理，主要包括定義問題的幾何區域、定義單元的類型即選擇不同自由度的單元、定義材料屬性、定義模型幾何屬性即三維模型建立、定義邊界條件以及劃分網格。

在使用SolidWorks軟件建立安全氣囊蓋板三維模型后，將模型文件保存為.step格式再導入ABAQUS中，并將模型創建為獨立部件。安全氣囊蓋板的材料主要為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料材質，材料屬性見表1。因此在ABAQUS中根據表1數據完成對模型的材料屬性定義。

表1 材料屬性

定義材料屬性并指派截面后，接下來需要給模型進行網格劃分。本文使用自由網格劃分技術來為模型劃分網格，首先在Mesh模塊中的Mesh-controls里選擇Quad-dominated;然后將單元體形狀設定為四面體，對于過渡區域和連接區域，有曲面等區域需要使用三角單元進行過渡，所以在過渡區域允許三角形單元出現。完成網格劃分后即可得到3種弱化槽結構安全氣囊蓋板的有限模型。圖4為U型弱化槽結構安全氣囊蓋板有限元模型。

圖4 U型弱化槽結構安全氣囊蓋板有限元模型

2 汽車安全氣囊蓋板有限元分析

汽車在遇到正面碰撞時，氣囊模塊氣體發生器會起爆，起爆瞬間產生大量氣體，氣體膨脹帶動氣囊帶膨脹，安全氣囊蓋板在氣囊袋膨脹的沖擊作用下，安全氣囊蓋板沿著氣囊弱化槽撕開，之后隨著旋轉鉸鏈旋轉并打開。在氣囊爆破時，氣囊對安全氣囊蓋板的沖擊力約為1 764 N，起爆壓力約為70 kPa。為了簡化分析的過程，設定氣囊在爆破瞬間對氣囊蓋板的沖擊力為恒定值。同時，在進行有限元分析過程中，可以認為安全氣囊的底部為完全固定狀態。所以可以結合以上分析對安全氣囊蓋板進行載荷的施加與約束的固定，設定======0。圖5為添加載荷與約束的有限元仿真模型。

圖5 添加載荷與約束的有限元仿真模型

為了研究不同弱化槽結構安全氣囊蓋板的爆破方式，分別對3種不同類型弱化槽結構安全氣囊蓋板進行了有限元分析，并使三者弱化槽的殘余厚度都設定為2 mm。在完成上述汽車安全氣囊蓋板有限元模型的前處理之后，創建作業并提交計算，得到安全氣囊蓋板在爆破瞬間的應力。H型、雙Y型和U型弱化槽結構安全氣囊蓋板應力云圖如圖6至圖8所示。

圖6 H型弱化槽結構安全氣囊蓋板應力云圖

圖7 雙Y型弱化槽結構安全氣囊蓋板應力云圖

圖8 U型弱化槽結構安全氣囊蓋板應力云圖

由圖6可以看出，H型弱化槽結構在受到安全氣囊沖擊時，H型弱化槽結構中的橫向弱化槽受到最大的應力，最大可以達到26.90 MPa，而中間橫向弱化槽的兩旁受力較小，最低甚至可以低于2.00 MPa，H型弱化槽豎直方向受到應力約為17.95 MPa。由此可以推斷，在爆破過程中，H型弱化槽結構中間受力最大，所以安全氣囊蓋板從中間率先撕開，中間撕開后，周邊弱化槽受到的應力將會迅速增大，并沿著H型弱化槽的路徑完全撕開，并最終實現氣囊蓋板的張開，安全氣囊展開。從整體來看，H型弱化槽中間橫向槽很長，使得安全氣囊蓋板展開的面積更大，而且長弱化槽展開的速度也更快，這有利于安全氣囊的迅速展開。但是，由圖中也可以看出，H型弱化槽在受到安全氣囊沖擊時四周所受應力差別不是很大，尤其在H型弱化槽轉角處受到的應力甚至稍微低于最邊緣受到的應力，這使得兩側展開可能并不順利，甚至會破損產生碎片，在應用時不利于保護駕駛員與乘員，需要進行更多的結構優化。

由圖7可以看出，雙Y型弱化槽結構在受到安全氣囊沖擊時，雙Y中間橫向弱化槽受最大的應力，最大可以達到27.37 MPa，從橫向弱化槽中心到四周應力大小下降較慢。橫向弱化槽以及左右V型中間受到的應力最低，最低可低于約4.00 MPa。兩端V型弱化槽的應力也高于自身四周，平均受到約為16.00 MPa。由此可以推斷，在爆破過程中，雙Y型和H型類似，中間弱化槽受力最大，兩邊較低，所以安全氣囊蓋板會從中心率先撕開，并隨著撕開后應力增大開始沿著弱化槽線向四周撕開，實現安全氣囊的展開。從整體來看，雙Y型弱化槽和H型弱化槽的受力以及展開方式相似，但雙Y型弱化槽中心的橫向弱化槽短于H型弱化槽，這使得安全氣囊展開過程中受到的阻礙更多一點，從而使得安全氣囊從氣囊蓋板中展開的時間變長。但由于雙Y型弱化槽兩旁V型弱化槽受到的應力高于其四周蓋板受到的應力，使得安全氣囊蓋板更容易沿著弱化槽線的方向撕開，安全氣囊蓋板展開過程更為順利，可以減少安全氣囊破碎產生碎片的可能性。

由圖8可以看出，U型弱化槽結構在受到安全氣囊沖擊時，U型槽最底部橫向槽受到應力最大，最大為27.08 MPa，豎直方向弱化槽受到應力約為13.56 MPa。與雙Y型和H型不同的是，U型弱化槽橫向部分旁邊低應力區域很小，豎直弱化槽也是類似，U型弱化槽的安全氣囊蓋板中偏下區域受到較大的應力，這片區域受到的應力高于安全氣囊蓋板四周受到的應力，這片區域受到最大應力約為18.07 MPa，而這片區域上方又有一片較小的低應力區域，最小約為2.29 MPa。由此可以推斷，U型弱化槽在受到安全氣囊沖擊時，由于底部受到最大應力，所以U型弱化槽安全氣囊蓋板會率先沿著U型底部橫向槽中心撕開，而安全氣囊蓋板中偏下區域也受到比四周更大的應力，會有凸起的趨勢并帶動底部開口加速撕開，最終開口將沿著U型弱化槽線方向完全撕開，使得安全氣囊順利展開。從整體來看，U型弱化槽安全氣囊蓋板擁有和H型弱化槽安全氣囊蓋板一樣的優點，就是橫向弱化槽長，這利于安全氣囊的快速展開。但U型弱化槽蓋板也具有和H型蓋板類似的缺點，也就是豎直弱化槽部分受到的應力并不高于周邊太多，并且橫向弱化槽到豎直弱化槽的過渡不如雙Y型自然，這使得開口在U型和H型弱化槽的傳播過程不如雙Y型順利，可能會出現破碎現象，不利于保護駕駛員與乘員。不僅如此，由于U型弱化槽安全氣囊蓋板的中下部出現一片受到應力較大的區域，并高于其四周區域，這可能使得弱化槽在受到安全氣囊沖擊時，中下部凸起，如果U型槽底部橫向槽撕開受到阻礙、撕開速度不夠快以及材料強度不夠或者材料混合不均勻的情況下，可能會產生更多的破碎現象，這將會嚴重影響汽車駕駛員和乘員的安全。

3 結論

(1)基于有限元分析軟件ABAQUS研究了2 mm殘余厚度H型、U型以及雙Y型安全氣囊蓋板在爆破時的受力情況。結果表明：3種弱化槽類型的安全氣囊蓋板都是其橫向槽中心受到最大應力，并且大于材料的斷裂強度，而橫向槽周邊應力低，可以順利從中心撕開，開口隨著弱化槽線傳播，最終實現安全氣囊蓋板完全展開。

(2)針對H型、U型以及雙Y型安全氣囊蓋板的優缺點進行了對比分析。發現長橫向槽可以更利于安全氣囊的迅速展開，而雙Y型弱化槽的V型轉折有利于氣囊蓋板自身的展開和開口傳播。

(3)文中相關理論方法對工程領域的結構分析優化研究具有一定的指導和借鑒價值。