汽车安全气囊技术及其应用1

3 计算机仿真技术及其在安全气囊研究与 设计中的应用
安全气囊的工作过程是十分复杂的, 因而它的 研究与设计也面临许多挑战性很强的难题。 由于碰 撞是一个瞬态过程 , 实验的手段虽可用来解决一部 分研究与设计问题 , 但许多问题不好解决, 并且使 用起来也不方便。 随着计算机技术的发展和计算机 仿真技术的成熟, 安全气囊研究与设计中的许多问 题可借助计算机仿真技术来解决, 计算机仿真技术 在这方面的应用可分为两个层次: 一是模拟给定碰 撞特性下安全气囊展开过程及其与人体和车内其 他结构的碰撞作用过程; 二是模拟带有安全气囊和 人偶模型的整车碰撞过程。 前者适合于研究和设计 用于已定型的汽车上的安全气囊, 后者适合于与设 计阶段的汽车配套的安全气囊。 显然后者比前者涉 及的问题要多得多。但从仿真理论的角度看, 它们 可用统一的模型来表达, 即求解如下的接触碰撞问 题[ 2] :
参考文献 : [ 1] Er win Dir iw acht er. A lt ernative Ener giespeicher fur V erbr ennungsmo tor en T r eibstoffe der Zukunft . A utot echnik , 1993( 2) : 16～ 20 ( 编辑 华 恒 )
MA = Q+ F ( 2)
式中 , M 为质量矩阵; A 为系统加速度向量; Q 为系 统外力向量; F 为汽车内部的接触碰撞力向量; 为系统的内力向量。 从式( 2) 的求解可了解计算机仿真技术用于 汽车碰撞过程分析涉及到的一些关键技术。 首先 Q 的计算涉及与外界碰撞力的计算, 这里可能涉及车 与 车碰撞, 车与其他路障碰撞等, 其中涉及的接触 搜寻和接触力计算相对简单, 但当路障为易碎物体 时, 碰撞后路障的响应计算较复杂。 F 的计算是很 复杂的, 因为它不仅涉及任意 2 个零部件间接触搜 寻, 还涉及不同刚性接触表面的接触摩擦力计算。 当有气囊存在时, 这个难度更大。 目前除 L S- DYNA3D 等工业软件中的常用方法外 , 还有参考文献 [ 2, 3] 中提到的级域法和防御节点法 , 能在大规模 计算中有效地解决这类问题。 至于 的计算可以说 相对成熟一些, 它涉及不同类型的有限单元材料本 构模型等。 尽管计算机仿真技术还有待完善, 但它已成为 研究安全气囊不可缺少的工具。 对于上面提到的第 一层次的应用, 它可帮助优化气囊结构形式、 折叠 方式、 形状和大小、 安装状态等, 它最重要的优点是 不仅可模拟任意条件下气囊的工作过程, 而且可提 供气囊工作过程的任意详细和具体的数据, 这是实 验难以做到的。 图 1 为应用计算机仿真技术得到的 一个人体模型与气囊碰撞的状态图。
( ABS) 、 驱动防滑调整装置 ( ASR) 等先进的产品 设计, 均使现代汽车向汽车最佳运行工况目标前 进了一大步。 人类即将跨入一个新的世纪 , 随着知识创新、 科技创新和高新科学技术产业化的飞跃发展, 未 来的汽车必将更加丰富多彩 , 在满足人们需要方 面有可能作到随心所欲。未来的汽车发展将把人 们带到一个欲想难料、 展望难尽的广阔天地。
收稿日期 : 1999— 12— 16 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 59675026)
钟志华 教授
套使用等。正因为如此, 汽车安全气囊的设计必须 考虑与其他的安全措施配套 , 以获得最佳保护效 果。 对装备有安全气囊而发生了交通事故的汽车进 行统 计分 析的结 果表明 , 单独 使用气 囊可 减少 18% 的死亡事故, 气囊加上安全带可减少 47% 的 死亡事故。 尽管汽车安全气囊还没有像汽车安全带 那样成为全球范围内的一种强制性安全标准, 但它 在发达国家已是一种事实上的必备安全措施。 汽车 安全气囊技术的研究和应用在国内还处于起步阶 段, 但中国加入世贸组织后, 激烈的国际竞争不可 避免地要把中国的科技界、 工程界和企业界推向作原理
汽车安全气囊系统可分成 3 个组成部分 : 体发生器; 控制系统; 气 气囊。 气体发生器用来根
( 2) 汽车设计的动态化 汽车运行是无数工况 连续动态的组合。 产品设计使每瞬间工况都最佳化 ( 即设计动态化) 是我们追求的目标。实际上, 产品 设计方案只能力求涵盖更多工况, 也只能是汽车运 行的部分、 间断工况的反映, 或者说大体实现部分 工况设计动态化。 两者之间的差距正是汽车科学技 术研究、 创新的广阔空间。 比如, 化油器式供油设计 技术方案, 只能使发动机某些转数、 负荷工况相对 最佳, 其它转数、 负荷工况运行距最佳状态都存在 着程度不同的差距。 电子控制汽油喷射系统设计技 术方案, 却能使上述差距得到很大改善, 从某种意 义上进 , 电子控制汽油喷射系统较化油器式系统向 产品设计动态化目标大大迈进了一步。 除 了电子控制燃油喷射系统 技术 ( EFI ) , 像 可 变气 门 配气 相 位和 气 门升 程电 子 控制 技 术 ( VT EC ) 、 电 控 自 动 变 速 器、 防抱死制动系统 ・ 234・
2 汽车安全气囊设计中应考虑的主要问题
( 1) 使用该安全气囊的汽车整车碰撞性能 即 在给定碰撞条件下 , 汽车内部给定位置的加速度特 性曲线。 这个特性曲线不仅是气囊控制系统判别是 否要启动安全气囊的主要依据 , 它还为安全气囊系 统的具体设计提供了参考依据 , 如这个特性是决定 安全气囊必须达到的反应速度的重要依据。 如果汽 车整车碰撞的特性不够好, 那么安全气囊系统再先 进也可能达不到安全标准的要求。 ( 2) 安全气囊到底应该做多大 也就是要决定 气囊缓冲层的厚度和宽度, 这一方面与汽车内部结 构有关, 另一方面与赋予安全气囊的使命有关。在 其他条件不变的情况下, 正常状态下的乘员离可能 发生二次碰撞的内部结构越远 , 安全气囊的体积就 应越大, 反之亦然。安全气囊的使命问题主要指安 全气囊是否配合安全带使用 , 是为驾驶员配备, 还 是为乘员配备, 是否为防侧撞而设等。在欧洲安全 带是一项强制性安全措施, 人们普遍使用安全带, 安全气囊可以小一些, 而在美国使用安全带的较 少, 气囊必须在无安全带的情况起到同样的保护作 用, 因此, 要求安全气囊体积要大一些。 为驾驶员配 备的防正撞安全气囊通常装在方向盘上, 比为乘员 配备的防正撞安全气囊要小一些, 防侧撞的安全气 囊又通常比防正撞安全气囊要小。 ( 3) 气体发生器的特性 即单位时间内产生的 气体量及其温度与压力, 这个特性必须与气囊的大 小配套, 同时也要与气囊的设计压力变化历程相协 调。 ( 4) 电控系统的特性 其中包括反应时间和长 时间内 ( 通常为 10 年以上) 的可靠性。 理论上讲, 反 应时间越短越好, 但实际中, 由于技术和价格的限 制, 电控系统的反应速度总有一定的限制。如果其 他条件不能改变, 那么反应速度必须足够高, 才能 保证气囊及时打开。 ( 5) 气囊的选材 气囊材料不仅应有足够的强 度, 还要有足够的化学稳定性。目前常用的材料为 各种不同型号的尼龙纺织品。 ( 6) 气囊的内部结构与折叠方式 这将直接影 响气囊的展开过程以及对人体的冲击程度。 ( 7) 气囊的安装及外保护装置 安全气囊装在 汽车上, 绝大部分不会有用武之地。对个别真有用 武之地的气囊来说 , 也不知道什么时候才会遇到碰 ・235・
中国机械工程第 11 卷第 1-2 期 2000 年 2 月 撞发生。 因此一般要求一个安全气囊的可使用寿命 大于汽车的寿命, 这就要求对安全气囊有足够好的 保护措施, 以防气囊受到机械损伤和高温伤害等。 同时安全气囊的安装要考虑到气囊展开后有一个 合适的受力支撑, 以防止气囊经受人员的碰撞后发 生自由移动。 量, 并提高仿真精度。 将式( 1) 用显式有限元方法离散后可获得如 下形式的代数方程组:
中国机械工程第 11 卷第 1-2 期 2000 年 2 月 文章编号: 1004- 132Ⅹ ( 2000) 01- 0234- 04
汽车安全气囊技术及其应用
钟志华 杨济匡
摘要: 讨论了汽车安全气囊的系统构成与工作原理 , 以及安全气囊设计中 应考虑的主要问题 , 特别指出了汽车整车碰撞性能对安全气囊设计及其工作 性能的影响。论述了计算机仿真技术在安全气囊研究与设计中的应用, 并指出 了技术关键, 展望了汽车安全气囊技术的发展趋势。 关键词 : 安全气囊 ; 汽车碰撞 ; 计算机仿真; 安全技术 中图分类号: U 401. 91 文献标识码: A 汽车安全技术是汽车高新技术的重要内涵之 一, 对汽车性能、 价格以及汽车产品在消费者中的 竞争力有着重要影响。 汽车安全气囊是技术含量很 高的一种安全装置 , 它通过汽车碰撞后对特定形状 和大小的气囊快速充气, 在乘员和汽车内部构件中 形成一道缓与冲吸能屏障, 减少乘员所承受的减速 冲击和二次碰撞力 , 从而达到保护乘员的目的。安 全气囊技术尽管仍处于较快的发展和提高之中 , 但 它已经达到了可以大量减少伤亡的水平。因此 , 发 达国家的新一代汽车产品一般都配备了安全气囊。 汽车安全气囊工作时所发挥的作用的大小不仅与 安全气囊本身的状况有关, 还取决于其他一些相关 因素, 如汽车整车的碰撞特性以及是否与安全带配
作者简介 : 宋延 光, 男 , 1941 年生。东风汽车公司 ( 湖 北省十堰市 442001) 总工程师、 神龙有限公 司副董事长、 研究员级高级工程 师。
汽车安全气囊技术及其应用—— 钟志华 杨济匡 据要求以足够快的速度产生足够体积的气体, 供给 气囊。 控制系统则用来判断汽车发生碰撞的剧烈程 度, 决定是否应该打开气囊, 并在条件满足时启动 气体发生器工作。 气囊则用来接受来自气体发生器 的气体 , 控制气体的压力和气囊所占据空间的位置 和形状 , 并接受乘员的碰撞, 吸收碰撞动能, 从而达 到减少和减轻乘员伤亡的目的。 新型的气体发生器包括混合式气体发生器和 纯气体式气体发生器等。 前者采用少量固体燃料来 加热被储存的惰性气体, 从而达到给安全气囊充气 的目的 ; 后者则采用有机气体或可燃气体混合剂为 燃料来产生气体。 气体发生器的重要特性指标包括 单位时间内产生的气体量及其温度和压力, 以及它 能产生的气体总量。 汽车安全气囊的控制系统主要由传感器、 电子 控制系统和触发装置三部分组成。 传感器用来检测 汽车发生碰撞事故的严重程度 , 它将感测到的信号 传给电子控制系统 , 电控系统通过对传感器信号的 计算和分析来决定是否要启动安全气囊, 如果汽车 碰撞足够剧烈 , 达到了启动安全气囊条件, 那么电 控系统就给触发装置发启动信号。 触发装置接到电 控系统的启动信号后便点爆气体发生器, 使安全气 囊进入工作状态。由于汽车事故的突发性和瞬时 性, 电控系统不仅要反应快还要反应准确。通常从 传感器感测到碰撞事件到触发器工作 , 这段时间只 能在几毫秒的范围。要判断准确, 不仅要采用科学 严密的计算理论和方法, 还要了解汽车本身的冲击 特性, 以便准确地判断由于急刹车、 过路坎和其他 非破坏性碰撞时引起的冲击信号。正因为这样 , 汽 车安全气囊一定是因车而异的 , 这样才可能获得最 佳保护效果。 气囊是用具有一定物理力学特性的膜状材料 制成的, 具有特定结构的袋子, 袋子的进口与气体 发生器的气体出口相连, 以使气体发生器产生的气 体全部进入袋子。气囊可以是单气室的, 也可以是 多气室的。对多气室的气囊来说, 各气室之间应有 通道相连, 以保证所有气室都能获得来自气体发生 器的气体。无论是单气室还是多气室气囊, 气囊内 部都可设置一定的联接筋, 以控制气囊充气后的形 状。 安全气囊充气后的形状和大小不仅与汽车碰撞 特性以及相关的其他安全措施有关, 还与安全气囊 的安装位置及其特定的保护使命有关 , 如乘员座的 安全气囊与司机座的安全气囊不一样 , 防正撞的安 全气囊与防侧撞的安全气囊不一样, 有安全带配合 与没有安全带配合的安全气囊不一样。 气囊系统不 仅应在充气过程中能有足够的密封性以保证气囊 能迅速建立足够的压力, 而且要有一定的透气或节 流机制以便气囊受撞后能排出其内部的气体而达 到消耗碰撞能量的目的。