基于madymo的安全气囊可靠性试验模型的建立

田国红，武晓林，齐登科，孙立国

（辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000）

基于madymo的安全气囊可靠性试验模型的建立

田国红，武晓林，齐登科，孙立国

（辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000）

在安全气囊计算机仿真理论的基础上，利用汽车碰撞安全模拟软件MADYMO建立起安全气囊静态起爆以及动态冲击模型，模型中包括方向盘、安全气囊、饰盖、冲击器等。进行仿真试验，主要是根据安全气囊在展开时或者展开后与冲击器等物体相互接触碰撞时气袋内部压力，以及冲击器碰撞速度、加速度等参数的变化曲线,进而根据模型的仿真结果检验安全气囊模型的可靠性。

安全气囊；仿真；可靠性；验证

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-103-03

引言

MADYMO(Mathematieal Dynamic Mode)主要应用是整车约束系统的开发和改进以及乘员安全的仿真分析,是一个将多刚体理论以及有限元理论结合在一起的数学模型软件，融合了多体（MB)动力学汁算功能和显式动态有限元（FE)计算功能。在产品处于设计的初级阶段,用MAOYMO中的动力学计算功能进行计算仿真,可以大大节约时间,达到快速建模的目的。在产品处于结构方面的设计及改进分析阶段,用MAOYMO中的显性动态有限元计算功能进行计算仿真,可以得到更为具体、细致的仿真结果[1]。在气囊系统研发的初期，根据实际试验的试验条件和试验要求在MADYMO中建立起静态起爆试验以及动态试验的仿真模型，根据仿真模型输出的压力、速度、加速度等信号和实际试验的比较来判断气囊模型的正确性以及合理性，从而作为成员约束系统的基本模型为下一步的分析做准备。

1、安全气囊计算机仿真理论

利用计算机仿真安全气囊的工作过程是一个需要考虑安全气囊展开时或者展开后与车内其他物体或者乘员相互作用的接触碰撞问题[2]，其作用过程可归结为求解如下的接触碰撞问题：

将上式用显式有限元法离散后可获得矩阵形式如下：

其中m、Fe、Fc、Fi分别为质量矩阵、外力矢量矩阵、碰撞接触力矢量矩阵、系统内力矢量矩阵。对上式的有限元求解可以得到气囊工作过程计算机仿真的一些基本数据：Fe的计算包括气囊内的气体压力或外界的撞击力；Fc的计算主要用于气囊与其它零部件之间的接触搜寻，同时要考虑接触界面上的接触碰撞力以及接触面之间的擦力；Fi的计算需确定气囊的变形状况以及应力应变关系[3]。

2、驾驶员侧气囊（DAB）静态起爆试验

气囊模块的静态起爆试验方法如图1所示，DAB，模块置于方向盘内，盖上饰盖，背景为格子彩条板仪测量厚度，格子尺寸为50mm×50mm，将方向盘以合适的角度固定，检查无误后点爆DAB。静态起爆试验是从运动学角度验证气囊模型的准确性[4]，其的目的是校正气囊触发的动态过程,用来验证仿真模型的起爆过程气囊的展开形状、展开速度以及气囊展开体积等。

根据试验要求建立驾驶员侧气囊（DAB）静态起爆试验仿真模型，首先，在XMADgic中定义一个用于固定气囊的多刚体方向盘以模拟气囊在车体中的安装情况；将已经建好的DAB模型放入用以盛放气囊的有限元盒体中并调整至正确位置；定义气袋与盒体之间的接触为有限元表面之间的接触以及在气袋展开时二者之间的摩擦，定义气袋在展开过程中与方向盘的接触为有限元表面与刚体的接触，对系统施加重力场；控制点爆时间，提交madymo求解器求解运算，模拟气囊静态起爆过程。如图1为静态起爆试验示意图以及仿真模型静态起爆试验要求在实验中测量DAB气囊形状、厚度、展开时间以及气囊的点爆电压，并且要求在静态充气试验中和试验后不允许有气囊组件抛出的破损构件打击到正常安装时有乘员的位置；充气试验后，气袋从装配状态松离部分不得超过30%气包缝（外部折缝和缝）必须保持闭合，不允许彼此拉开。如图为气囊展开过程中气室压力和气袋体积曲线。

由图1可知气囊展开时的形状与试验展开基本上相同，并且由图2可知气囊展开的最大体积约为40L，与设计值40L基本上相符，在发生正面碰撞时，处于正常位置的驾驶员在气囊开始点火后30-40ms[1]后与气囊接触，由静态起爆试验输出的气室体积曲线可知此时气囊已经完全张开，满足实际需求。由输出的压力曲线可知气囊气室内的气压在10-15ms内达到峰值，并且在气囊体积达到最大时，内部气压处于较小的值，可减小正常安装与假人接触时的伤害，初步的验证了模型的合理性。

3、动态冲击试验

气囊模块动态冲击试验常用的方法有以下几种：半球试验、跌落塔试验、胸块冲击试验、摆锤试验等，以下主要介绍驾驶员侧安全气囊的平板跌落试验。

平板跌落试验的方法是设置冲击器在一定高度后无初速度自有落下，冲击展开中的气囊，试验要求冲击器是在气囊完全展开时与气袋接触，然后通过冲击器上的加速度传感器获得冲击器与气袋接触后的加速度响应[6]，其试验示意图以及仿真模型如图2所示：

在已验证的DAB静态起爆模型的基础上，在XMADgic中定义此跌落试验中的冲击器模型：定义两个椭球体模型来模拟冲击器，定义其质量为30Kg，用一个滑移铰来模拟冲击器的运动，定义冲击器的冲击速度为7m／s，由于动态试验要求冲击器与完全展开的气囊撞击，需要准确定义冲击器的中心和气囊的中心在一条直线上，并且准确定义气囊和冲击器的初始位置距离。

定义气袋和冲击器有限元表面与刚体的接触以及冲击器的接触特性。CHARACTERISTIC_CONTACT。输出充气器的速度和加速度响应。仿真结果与试验结果如下图：

Establishment of A Model of Reliability test of Automotive Airbag Based on MADYMO

Tian Guohong, Wu Xiaolin, Qi Dengke, Sun Liguo

（Liao Ning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）

On the basis of the theory of computer simulation，A model of simulating the blasting test and dynamic loads test of Airbag was established by the MADYMO simulation software for automobile collision security,which includes steering wheel, airbag, abdeckkappe, concussion implement etc. The aceeleration and veloeity of the impacting concussion implement and airbag Pressure history during the even are recorded to validate the reliability of the model.

Airbag; Simulation; Reliability; validate

U467.3

A

1671-7988(2015)02-103-03

田国红，就职于辽宁工业大学汽车与交通工程学院。