改进的汽车安全气囊静态点爆仿真方法

赵伟+刘强

作者简介： 赵伟（1984—），男，山东滕州人，硕士，研究方向汽车被动安全，(Email)wei.zhao@autoliv.com0引言

随着社会的快速发展和科学技术的提高，我国的道路状况不断得到改善，汽车逐渐进入大众家庭，其保有量快速增长.随之而来的交通事故总量和因此而产生的生命和财产损失日趋上升.因此，保护乘客和行人的安全日益受到人们的关注，汽车的主动和被动安全变得十分重要.自1953年美国工程师约翰•赫缀克发明SRS气囊系统以来，被动式安全一直发挥着重要作用.［1］美国通用汽车公司在1989年的一项研究表明：SRS气囊系统与座椅安全带共同使用可使驾驶员和前排乘员的伤亡人数减少43%~46%.［2］

汽车安全气囊是一把双刃剑：一方面，当汽车发生碰撞事故时，它能够在乘员和汽车内部构件中形成一道缓冲与吸能屏障，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［3］；另一方面，如果设计不当可能对乘员造成二次伤害，甚至是致命伤害［4］，例如：主驾驶安全气囊气袋在点爆过程中被高温高压气体击穿、罩盖部分飞出，徽牌脱离罩盖以及方向盘其他部件被击碎等.

气囊的智能化、小型轻量化、全方位化、环保化和虚拟化成为未来气囊设计的必然趋势.［56］智能化气囊需要先进的传感系统和电子运算系统，能够在短时间内提供包含乘员身材、体质量、位置和是否系安全带等可靠的碰撞环境信息.小型轻量化的气囊能够快速充满气体，具有效率高、成本低、使总成体积更小的优点.气囊发展至今，已经能够全方位地保障乘员和行人的安全，例如正面碰撞气囊、侧面碰撞气囊、膝部气囊、翻滚气囊、幕屏式气囊及行人保护气囊等.［79］采用能够快速释放无害无毒气体的发生器和环保型气袋材料可有效保护环境.随着计算机技术的飞速发展，虚拟技术被应用到汽车安全系统零部件设计、生产和制造的各个环节.［1011］

目前基于约束系统研究的文献较多，但对约束系统中有关零部件的仿真方法和经验分享的文献不多见.本文主要针对主驾驶安全气囊展开过程的前期阶段进行研究，结合实验验证仿真结果，为汽车被动安全系统零部件设计和仿真精度提高提供参考.

1气囊的折叠

主驾驶气囊分上中下3层，发生器和泄气孔安装在气囊最下层，中间一层包含3个拉带，2块圆形和环形的布作为最上层.折叠方式主要有压缩折叠和卷折叠.本文仿真采用压缩折叠，根据气囊容器和上罩盖内腔的形状，先零六点压缩，然后三九点压缩，最后将发生器压入气囊，模型见图1.

图 1气囊压缩模型

Fig.1Compression model of airbag

检查气囊压缩后质量非常重要，关系到气囊前期展开状态.首先保证气囊内所有单元没有被穿透，并尽量减少由气囊厚度引起的干涉.气囊单元尺寸应尽量均匀，使大多数单元尺寸与参考几何尺寸保持一致.气囊压缩模型见图2，单元间穿透和干涉均为0，最小单元尺寸为1.2 mm.实际上，气囊安装完成以后织带间自然产生膨胀，气囊相互挤压对周围容器内壁有一定的作用力，但是由于其与气体充入气囊并使其快速膨胀产生的力相比小很多，所以可以不予考虑.

图 2气囊压缩后模型

Fig.2Model of compressed airbag

2模型组建

罩盖、容器和方向盘骨架采用六面体网格划分，单元平均尺寸为2 mm，其他零部件均按照实际模型划分网格，方向盘下罩盖采用壳网格划分，方向盘骨架周围的发泡采用四面体网格划分.气囊材料为350detx，选用膜单元和织带材料（MAT34），经纬度角为45°.在转向管柱下段节点施加六自由度约束.选取85，23和-35 ℃等3个温度进行静态点爆分析，仿真设置保持与静态点爆实验设置一致.在不同温度下，除塑料材料性能发生很大变化外，还应当考虑发生器的性能变化.选用LSDYNA求解器求解，求解时间步长为2.03×10-4 ms.采用粒子法点爆气囊，粒子数为50 000个.

在实验前的数小时，将主驾驶气囊整个模块（包括罩盖、气囊容器、气囊和发生器等）放入相应温度下的恒温箱内保温.实验时从恒温箱内取出模块，在3 min内完成实验的安装调试并点爆气囊，有效保证实验温度的精确性.

3仿真与实验对比分析

3.1失效情况对比和改进方法

在高温85 ℃时，上罩盖六点钟方向断裂飞出，仿真结果与实验结果一致，见图3和4.

图 3罩盖最大主应力云图, kN

Fig.3Maximum principal stress contours of cover, kN图 4罩盖断裂照片

Fig.4Photo of cover break

铰链处断裂是罩盖失效的主要形式之一.为满足在低温下材料变脆也能够顺利反转的条件，铰链壁设计较薄，但在高温下材料性能变软，薄壁就成为罩盖最弱的部位.这是一个相互制约的平衡性问题.改进措施主要有以下4点：

（1）优化铰链的壁厚，使其既能够满足高温又能够满足低温对材料性能的要求.

（2）增加铰链的长度或在铰链的两侧适量增加筋，使其能够承担更大的拉伸力.

（3）优化撕裂线末端形状，撕裂线末端弯曲结尾或末端逐渐增厚.

（4）减轻罩盖反转部分的质量，降低高速下的惯性力.

采用第二条改进措施，将撕裂线末端向左右两边移动，增加铰链的长度，取得良好效果.新样件制造后再次实验，罩盖铰链处未发生断裂.

3.2气囊展开形状与罩盖开启位置对比

气囊折叠方式对气囊展开前期阶段的形状影响较大.气囊铺平以后表面有些褶皱，在实际压缩过程中，气囊会顺着这些褶皱凸起凹下，自然形成Z字形，但在气囊压缩折叠的仿真中，真正做到与实际完全一致比较困难.

在常温23 ℃时，仿真选用与实验相同的时间轴起点点爆气囊.气囊在同一时刻下展开形状与实验基本一致，同时罩盖的开启状态也与实验保持一致，见图5.仿真前需要先校核一些因素的准确性.首先，判断发生器气流和温度流曲线是否精准，可以通过仿真模拟测量Tank曲线的实验过程，即在固定容积且密封的容器内点爆发生器，测量容器内压力随时间变化的曲线.其次，检查气囊的折叠质量.确定气囊在仿真压缩过程中形状变化与实际是否一致，另外在压缩后检查单元间是否存在穿透和干涉以及单元尺寸是否均匀一致.如果气囊多数单元尺寸被压缩至1/3以内，需要在点爆前对气囊进行“放松”，使气囊单元尺寸尽量恢复到原长.最后，检验罩盖材料的准确性.罩盖的A面分布撕裂线，气囊需要沿着撕裂线将罩盖撕裂开罩盖才能正常开启，因此涉及到罩盖变形和单元失效问题，可以结合材料高速拉伸试验、摆锤实验或冲击试验来验证材料的准确性.

图 5气囊形状和罩盖位置

Fig.5Airbag shape and cover position

3.3支反力验证

除对比气囊的展开形状和罩盖的开启状态外，还应对支反力进行验证，以保证气囊在展开过程中对周围零部件的作用力和零部件间力的传递正确无误.在转向管柱下端安装力传感器，测量沿转向管柱轴向方向（z向）的支反力.选取低温-35℃模型进行对比，结果见图6.仿真中的支反力峰值比实验大400 N，是由于实验中高温高压的气流从发生器中冲出给冰冷的气囊充气，存在热传递和能量散失问题.在仿真中并未考虑这一能量散失的过程，因此仿真中支反力略大于实验测量值.

图 6支反力实验与仿真结果对比

Fig.6Comparison of reaction force obtained by

experiment and simulation

支反力验证工作非常重要.仿真模型中气囊对周围零部件间的作用力和零部件间力的传递过程是否准确，需要根据支反力判断.目前，气囊在展开过程中对罩盖和气囊容器的作用力没有更有效的方法进行测量，因此支反力是验证作用力产生和传递过程是否准确的唯一有效途径.

4结论

通过仿真分析主驾驶安全气囊展开过程的前期阶段，并结合实验对比验证，得到提高仿真精度的一些方法.

（1）详细介绍气囊折叠过程和罩盖的主要失效形式以及改进方法，通过实验验证表明改进方法效果明显.

（2）对比气囊展开形状和罩盖开启状态的仿真结果与实验结果，得出影响仿真精度的一些因素，如发生器气流和温度流曲线、气囊折叠质量和罩盖材料等.

（3）测量支反力是验证气囊展开过程中作用力产生和传递过程是否准确的一种有效方法.

提高仿真精度，还应考虑高温高压气流与气囊间的热交换，气囊与周围环境的热交换以及气囊中高压气体通过气囊渗透到周围环境的能量损失等.

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