ABAQUS汽车安全气囊碰撞传感器有限元分析(中英对照)

汽车安全气囊系统撞击传感器的

有限单元分析

摘要

汽车弹簧碰撞传感器可以利用有限单元分析软件进行设计，这样可以大大减少设计时间。该传感器包括一个球和一个有弹簧在内的塑料套管的外壳。传感器设计的重要因素是碰撞中的两个传感器的力位移响应和传感器的弹簧压力。以前传感器的设计、制作和测试需要满足力位移原型硬件的要求。弹簧必须远低于材料的弹性极限而设计。利用有限元分析，传感器可以被设计为满足力位移的水平压力。本文的讨论说明利用有限单元分析进行设计可以节省很多时间。

MSC/ABAQUS已经被用于分析和设计安全气囊碰撞传感器。弹簧的大挠度和球与弹簧之间的接触用几何非线性分析。贝塞尔三维刚性球表面元素和惯性基准系统刚性表面界面元素被用于塑料球与弹簧接触面的分析。滑动轨道分析被用于弹簧与弹簧接触的平行界面间。有限元传感器的力位移响应分析结果与实验结果非常一致。

引言

汽车安全气囊系统的重要组成部分是碰撞传感器。包括机械、电子传感器在内的碰撞传感器主要用于各类安全气囊系统。本文研究的是由一个球和一个塑料套管和两个弹簧组成的机电传感器（见图1）。当传感器遇到严重的撞击脉冲，球被推入完成电路连接然后两个弹簧接触到消防安全气囊。这两个弹簧的力位移设计关键是要满足不同的加速度对传感器的输入要求。传感器的弹簧强度必须保持低于弹簧材料屈服强度，防止弹簧塑性变形。有限元分析，可以作为预测工具，以优化工程所需的力和位移反应，同时保持在弹簧压力可接受的水平。

过去传感器的设计需要不断地进行制作和测试，直到力位移原型硬件得到满足需要的条件。利用有限元分析，制作和测试原型的数量大大减少，这大大降低了传感器设计的时间。本文讨论的内容可以表明有限单元分析软件能够节省原型

制作时间的能力。

MSC/ABAQUS [1]已经用于分析和设计安全气囊碰撞传感器。对于大挠度的弹簧与球接触的有限单元分析应是几何非线性的。各种接触单元中使用了这个包括硬表面界面分析，例如贝塞尔曲线的三维刚性表面元素，平行线界面元素，以及滑线元素。有限元分析结果与各种机械文献研究传感器的实验结果非常一致。

问题的定义

机电传感器的关键部件是由两个以悬臂式存在于硬性塑料外壳和刚性球之

间的两个金属弹簧组成的。在塑料外壳中包含一个能指导球运动方向的一端封闭的真空管。球在真空管中被弹簧顶在管子的一端。传感器组装时弹簧被球顶着产生最初的预紧力。球在传感器中只能沿着一个方向运动，这个方向被称为X方向。一旦在X方向的加速度足够用来克服spring1的预紧力，球就能是弹簧弹开。如果加速度继续增加，弹簧1就能直接与弹簧2接触。一旦弹簧1与弹簧2接触上，一个电路接通然后启动安全气囊的体统。

有限元分析方法

当创建一个传感器的有限元描述时，剩下的可以被简化。这两个弹簧完全的被固定在刚性的塑料外壳中。当一个刚性外壳和薄的弹簧作比较时这是一个很好的假设。当球和弹簧接触时球可以被表示为一个刚性表面。球和外壳接触的建模系统中，除了球在X轴移动外壳中的所有的转动和移动都受到限制。

球与外壳之间的公差。在有限元分析中球和塑料外壳的摩擦可以忽略不计。传感器在X轴的分析，可以用一个刚性表面的的移动表示球的所有移动。下面讨论的是球与弹簧间的接触，和各种不同的接触原理。一个非线性静态分析，足以捕获耗费大量时间的非线性瞬态传感器的力位移响应。虽然该传感器的设计是由球质量和给定一个加速度回应的弹簧刚度组成的，但是在静态分析中没有球的质量。

单元网格

球的质量可以被把球挤进传感器的偏转力所确定。利用MSC / Patran的[2]构建传感器的有限单元网络。用MSC/ABAQUS来求解并分析传感器。包括接触单元的有限元网格，如图2所示的内容。该塑料外壳在这种分析中被假定为是刚性的。然后对线性弹簧与薄壳四边形进行了物理性质的建模。球被假定为刚性的，并以线性贝塞尔3 - D刚性表面性质做参考。模型之间的球和弹簧1的接触，使用了刚性表面接触和贝塞尔3 - D刚性表面性质的原理。线性物理性质与IRS物理性质被用在弹簧1上，并保证四边形外壳与弹簧1的节点同步。惯性基准系统元件只用在球状接触区域。

在弹簧1和弹簧2的接触模型中，滑道连接原理用了平行滑道连接原理。线性杆元和ISL物理性质被一起用在了弹簧1上并与外壳组成弹簧1同步节点。滑线与直线杆单元的物理性能用在spring2并与外壳组成弹簧2同步节点。

材料

弹簧1和弹簧2都是具有线性弹性材料的薄金属弹簧。材料特性必须是接触的或刚性的表面元素。

临界条件

假设两弹簧被完全的固定在刚性塑料外壳中。球在X轴上有一个强制的位移。除了X轴的平移以外球在所有方向的移动和转动都受到约束。球和弹簧的临界条件，如图2所示。

讨论

电动机械传感器的重要因素是弹簧的偏转形状，传感器的力位移响应和弹簧的压力水平线。

器中球的所有偏转和移动。研究弹簧的偏转形状何以提供更多的对传感器的执行性能设计以及外壳设计的见解。在确保弹簧能够承受所受到的水平压力时，对弹簧的分析是非常重要的。可以通过各种手段检查各部件的压力。分析中最重要的部分之一是图4所示的传感器力位移响应。在这个力位移响应中，外力必须能够轻易地推动弹簧1接触到弹簧2。这个力必须能够保证作用在球上并且给它一个足够的加速度。根据这些结果，一个或者更多的变量例如弹簧的宽度、球的直径、球的材料都可以被设计直到达到理想的精度范围。

图2所示传感器模型的建立和测试，确定了他的实际受力和力位移响应。图4

显示的MSC / ABAQUS分析结果为传感器的力位移响应的实验结果。

机电传感器和一些其他的传感器之间的有限元实验结果有着很高的相关性。表1显示了包括弹簧1、弹簧和弹簧1与弹簧2接触和球的转动与位移的实验结果。表1中传感器A如图1所示。表1中传感器B如图2所示。

为确保解决方案的衔接，还对传感器模型外壳进行了分析。力位移不足1%时按线性原理分析。弹簧对传感器的压力小于10％的按线性原理分析。用抛物线原理要比用线性原理分析费更多的时间。随着弹簧形状变的更加复杂，弹簧的分析必须要获得一个更精准密集的受力的线性网或局部受力的网。