基于颗粒法的仪表板安全气囊展开分析

基于颗粒法的仪表板安全气囊展开分析
杨银丽;黄玉强;徐源林;陆萍;何金光
【摘要】基于颗粒法的基本原理，建立了仪表板安全气囊的有限元模型。

对安全气囊折叠方式和展开过程的研究结果表明，利用LS-PrePost中的Airbag Folding 模块可以有效对安全气囊囊袋的折叠方式进行模拟；采用颗粒法对折叠气囊展开情况的CAE分析结果与试验结果吻合。

由此表明，颗粒法能够准确模拟仪表板安全气囊展开初期的气囊展开状态。

%Finite element model of instrument panel airbag is built based on basic principle of particle method. The folding method and deployment process of airbag are researched, which shows that the folding method of airbag can be effectively simulated with Airbag Folding Module of LS-PrePost; and results of CAE analysis on airbag deployment with particle method coincide with test results, which indicates that particle method can simulate deployment state of instrument panel airbag in the early stage.
【期刊名称】《汽车技术》
【年(卷),期】2014(000)009
【总页数】4页(P58-61)
【关键词】仪表板;安全气囊;颗粒法;CAE分析
【作者】杨银丽;黄玉强;徐源林;陆萍;何金光
【作者单位】长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司;长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司;长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司;长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司;长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U461.91
1 前言
目前，大多数安全气囊展开CAE分析采用控制体积法[1,2]，不需要建立气体发生器模型，并假设在安全气囊中温度和压力一致。

但控制体积法与物理试验在充气过程方面有所不同，这是由于在仪表板隐式气囊中，气囊与仪表板距离非常近，在点爆后4 ms左右气囊就会接触到仪表板弱化结构，并顶开气囊门，此时气囊充气还远没有结束，因此，对于隐式气囊，这种在设计过程中需要关注整个展开过程对仪表板结构影响的情况，控制体积法不够精确，需选用能真实反应气囊展开过程的方法来进行仿真。

同济大学吴光强等应用颗粒法对安全气囊进行了模拟分析，同时对某驾驶员安全气囊分别使用控制体积法和颗粒法进行了仿真对比[3,4]，王美松等[5]也对侧安全气囊分别进行了颗粒法和控制体积法的仿真对比，对比结果表明，控制体积法只适用于乘员与气囊作用的仿真模拟，颗粒法才能模拟出气囊展开初期的高速气流运动，以及气流与气袋织布间的接触作用，而隐式气囊由于仪表板结构影响气囊展开，在模拟时更适合选用颗粒法。

现有研究中，运用颗粒法对安全气囊进行仿真的模型都相对比较简单，未能在复杂项目上进行广泛应用，因此，研究结果还不能直接用于指导仪表板气囊区域的结构设计。

本文基于颗粒法，采用LS-DYNA软件，对汽车仪表板安全气囊展开过程进行了建模和仿真分析，并与试验结果进行了对比。

2 试验方法与步骤
2.1 试验设备
采用海克斯康（hexagon）非接触式白光测量机Optigo 200对气囊囊袋展开后外形进行扫描，扫描后得到的数据导入到HyperMesh11.0中进行网格划分。

气囊静态展开试验在步入式恒温恒湿试验箱GDW/SG4－30中完成。

2.2 试验过程
a. 装配试验样件，将副驾驶安全气囊模块安装到仪表板上后装配在车身夹具上。

b. 高温（+85℃）和低温（－35℃）试验前，试验样件需存放在温度箱中，存放时间大于4 h；常温试验则无要求。

c. 调整试验录像图，用高速摄像机HG－100K进行图像收集，共分3个视图：正面90°、左面45°、右面45°；相机数量：3台高速摄像机（1个视图1台摄像机）；相机帧数：5000帧；计时方式：从0开始计时。

d. 点爆气囊，完成试验。

以某项目为例，点爆电流为1.75 A，持续时间为2 ms。

2.3 评价标准
评价标准按Q CAF01 0300 P－100－2009 《乘员侧安全气囊模块技术条件》执行。

3 有限元模型建模
3.1 安全气囊囊袋有限元模型
将仪表板惰性安全气囊模块拆解后，展开囊袋将其铺平，通过白光扫描得到囊袋的CAD模型，将CAD数据导入到Hypermesh11.0中进行网格划分，结果如图1所示。

最初划分囊袋网格采用的平均尺寸是10 mm，在LS－PrePost折叠时，发现折叠形状不好控制，且容易穿透，最后综合考虑计算精度和速度两方面因素，采用以四边形为主的网格，网格平均尺寸为3 mm，在网格划分过程中将折叠线位置预留出来。

选用LS－Dyna中的*MAT_34材料模拟囊袋柔性织物，材料数据来
自实际的拉伸和45°剪切方向的试验数据。

图1 安全气囊有限元模型
根据实际折叠方式对安全气囊建立模型。

将Hypermesh11.0中画好的网格导入到LS－PrePost软件中，用Airbag Folding模块对安全气囊进行折叠，折叠方法选择Thinfold，共用13步完成了整个气囊的折叠，将折叠好的气囊导入到Hypermesh11.0中与气体发生器进行装配。

折叠后安全气囊的有限元模型如图2所示。

图2 折叠后的安全气囊有限元模型
3.2 弱化线建模
仪表板网格平均尺寸为5 mm，弱化线区域平均尺寸为1.5 mm，如图3所示，弱化线区域的厚度定义为实际CAD数据的厚度。

图3 弱化线区域在整个仪表板上的位置
3.3 泡沫模型的建立
在模型中，仪表板安全气囊区域的泡沫用六面体单元划分，泡沫厚度为8 mm，共划分为3层，选用LS－Dyna中的*MAT_57来定义泡沫。

弱化线区域的泡沫在属性中加*MAT_ADD_EROSION来定义泡沫失效，但泡沫失效参数假设为一个非常小的应力值（0.05 MPa），尝试把弱化线区域的泡沫网格删除后提交运算，展开形态基本不受影响，因此该应力值不会对结果造成影响。

3.4 接触参数设置
选用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGEL_SURFACE来定义囊袋自身接触，为了有效消除网格穿透，选用的参数如表1所示。

表1 接触参数设置frcfrq bsort depth sbopt maxpar lcidab sofscl soft 1 10 5 3 0 0 0 2
最初在设置模型时选用的接触参数为CASE
A:soft=1,sbopt=0,depth=2,bsort=100,但计算结果中出现了穿透和与试验不符
的侧偏现象，如图4所示的下半部分结果。

根据LS_DYNA手册中[6]关于接触参
数的介绍，选用CASE B:soft=2,sbopt=3,depth=5,bsort=10。

soft选择2，用
基于段的搜索方式，能使接触更稳定，特别是大变形或单元密度和材料刚度变化较大时；depth选用5，软件会自动搜索表面及边对边的穿透，避免不该发生的穿透；bsort是基于段搜索的频率，通常情况下碰撞默认选择100，但在airbag接触中
用10，这样会增加计算过程中接触搜索的密度。

最终解决了侧偏现象，如图4中
所示的上半部分结果。

图4 选用不同接触参数的结果
3.5 质量流和温度流曲线输入
为了保证分析结果精度，在定义质量流和温度流曲线前，需要定义一个灌压试验（FEA）验证模型，以验证质量流曲线和温度流曲线是否正确。

将罐压试验的试验设备、气体发生器划分网格，将两者装配到一起，通过公式（1）获得平均温度流曲线：
式中，T1为温度；VT为罐压设备体积；△P为罐压试验前、后的压力变化量；K
为绝热系数；R为通用气体热力学常数；△m为罐压试验前、后气体质量差。

把物理试验得到的压力—时间曲线转化成质量流曲线和平均温度流曲线输入到该FEA验证模型中。

在验证模型中选用20万粒子参与仿真模拟，不考虑温度变化，压力容器试验的有限元模型和仿真结果模型如图5和图6所示。

将仿真所得压力
曲线与试验所得压力曲线进行对比（图7）可以看出，仿真值与试验值吻合程度约为96%，验证了平均温度法模拟气体发生器输出特性的有效性，因此该质量流和
温度流曲线可以用于气囊分析模型的建模。

图5 压力容器试验的有限元模型
图6 压力容器试验的仿真结果模型
图7 仿真结果和试验结果对比
3.6 运算
图8 为带安全气囊的仪表板有限元模型，共有网格数量568833个，集合数量
260个，仪表板网格划分平均尺寸为4 mm，最小网格尺寸为1 mm，螺栓连接
通过BEAM（MAT1号材料）进行，卡口处的螺栓失效通过梁单元BEAM
（MAT100号材料）定义。

气囊展开模型利用DELL服务器（PowerEdge_R710）进行运算，整个模型计算时间定义为50 ms。

图8 集成于仪表板的安全气囊有限元模型
4 仿真结果及与物理试验的对比
不同时刻气囊爆破试验及FEA模拟结果如图9所示。

仿真结果表明，9 ms时安全气囊冲开仪表板，仪表板有明显开裂现象，48.5 ms时安全气囊完全展开，安全气囊展开过程顺畅，无褶皱情况发生，整体均匀饱满；仪表板沿弱化线逐步破坏，并且碎屑较少。

图9 不同时刻气囊爆破试验及FEA模拟结果
从图9仿真结果和试验结果对比来看，两者吻合度较好,也反向验证了在LS－PrePost中折叠气囊的合理性。

整个过程在展开时间上有3 ms左右的时间差，经过分析可知仿真结果与试验结果存在时间差主要是由以下原因引起：
a.泄气效率的影响。

气囊囊袋上有两个泄气孔，囊袋在展开过程中，泄气孔的泄气效率动态变化，但很难从物理试验中获得精确的泄气效率变化曲线，分析输入的泄气效率跟实际有差别，囊袋内的能量就跟实际有偏差，会造成一定的时间差。

b.材料方面的影响。

做高速拉伸试验的材料样条是先用粒料注塑出3.5 mm厚的塑
料板，然后按规格从塑料板上裁出所需样条，该样条不包含弱化线，但实际样件带有弱化线，因此从拉伸试验得到的材料力－位移曲线跟实际有差别；而且，从拉伸试验得到的力－位移关系，需要通过公式转化成有效应力－应变关系，输入到CAE分析中进行模拟分析，其中一个转化公式为σ=F/A，公式中面积A从材料拉伸的颈缩阶段开始是一个变化值，但数据处理中忽略了该变化，会产生误差；材料样条和数据处理过程中产生的误差，对仪表板气囊展开分析有一定影响，这是由于材料的断裂准则（失效值）直接决定了气囊在什么时刻会将仪表板冲开并展开，
这对于输入的材料应力－应变曲线精度要求较高，从而导致仿真结果与试验结果存在一定误差。

c.质量流和温度流曲线的影响。

用于CAE分析的质量流和温度流曲线均是基于罐
压试验并采用CAE软件计算获得，然后建立罐压试验的FEA模型并运算，以此验证输入的质量流和温度流曲线有效性。

计算值与试验值符合度为96%，存在一定
误差，也会影响气囊展开的仿真结果，导致其与试验结果存在时间差。

5 结束语
经过模拟分析，得出以下结论：
a. 利用LS－PrePost折叠气囊可以相对准确的反映真实气囊状态，仿真过程中囊
袋的展开与真实物理试验吻合度较好。

b.颗粒法能够准确模拟有仪表板影响的PAB安全气囊展开初期的气囊展开状态。

c.由于安全气囊囊袋的CAD数据来自真实气囊的白光扫描数据，尺寸比实际偏小，后期气囊完全展开后比实际偏窄，以后应用于实际项目时要注意先期获得准确的囊袋数据。

d. 仿真结果与试验结果存在3 ms左右的时间差，主要影响因素有泄气效率、材料、质量流和温度流曲线3方面。

参考文献
【相关文献】
1 胡正才，于多年，李文强.某轿车正面安全气囊性能仿真研究.汽车技术,2010（9）：24～28.
2 邓文彬，彭冰元，马亮.基于有限元方法的气囊展开模拟及对乘员安全性的影响.中国汽车安全技术国际研讨会，2007：29～31.
3 吴奕娴，吴光强.安全气囊展开数字仿真研究方法综述.汽车科技，2011（1）：14～16.
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5 王美松，张雷，鲁宏升.基于颗粒法的气囊展开仿真研究.第十五届中国汽车安全技术学术会议，江苏芜湖，2012，8.
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7 C－NCAP管理规则.中国汽车技术研究中心，2012.
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