汽车模拟碰撞吸能器的仿真分析

朱桂华，洪小波，朱天宏

(中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，湖南长沙 410083)

汽车模拟碰撞吸能器的仿真分析

朱桂华，洪小波，朱天宏

(中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，湖南长沙 410083)

介绍一种新型汽车模拟碰撞用液气缓冲吸能器。应用小孔节流理论，建立液气缓冲器的力学模型，同时对各主要参数对缓冲器吸能特性的影响进行讨论。结果表明：经过参数优化后，该液气缓冲器能够复现不同碰撞车速下的加速度波形要求，可广泛用于汽车安全部件的设计开发和试验验证。

台车碰撞试验；液气缓冲器；加速度；动态仿真

0 引言

汽车碰撞试验主要分为实车碰撞试验、台车碰撞试验和零部件台架试验3个部分。实车碰撞试验最接近实际碰撞，但试验费用昂贵，不能反复试验，所以一般只能在最后一次试验和产品认证时进行。而台车碰撞试验可以用来模拟实车碰撞过程，具有重复性好、波形易于控制、试验费用低等优点，所以常用来对安装在汽车上的被动安全装置进行安全性能试验。碰撞缓冲吸能器是台车碰撞试验设备的核心部件，它是模拟实车碰撞波形的关键部分。目前，国内外研制出了各种材料、各种结构的吸能装置。常见的吸能装置有：塑料管吸能器、机械结构变形储能式吸能器、液压缓冲吸能器等。其中常用的吸能装置是液压缓冲器，它的结构是一个阻尼油缸，根据试验台车的质量和碰撞车速要求，在缸壁上开数个节流孔。当台车碰撞到活塞杆并压缩缸内油液，迫使油液经节流孔喷射出去，从而产生阻尼作用，使台车减速度具有特定波形。作者在液压缓冲器的结构基础上，提出一种新型汽车模拟碰撞用液气缓冲吸能器，这种液气缓冲器具有两级缓冲过程：一级缓冲可避免碰撞瞬间过大的加速度峰值，二级缓冲吸收绝大部分碰撞能量，并利用爆破片来实现一级缓冲过渡到二级缓冲的过程。文中将具体论述液气缓冲器的理论建模过程，并讨论各主要参数对缓冲器吸能特性的影响规律。

1 液气缓冲器的工作原理和模型建立

图1所示为液气缓冲器的原理图。气腔内预先充满一定压力的压缩氮气，当碰撞发生时，台车碰撞到撞击头，使气腔首先被压缩。由于爆破片使液腔保持封闭状态，节流孔两端压差为0，油液无法经过节流孔喷出，因此，此时仅有气腔动作而液腔不动作。将这一过程称为一级缓冲。在一级缓冲阶段，气腔压缩实际相当于气压弹簧的作用，保证台车与撞击头碰撞瞬时不会产生过大的加速度峰值。撞击头运动直至触底，一级缓冲完成。此时，撞击头将推动柱塞一起运动，使液腔压力迅速上升至爆破片爆破压力，爆破片瞬间破裂，液腔内油液能够经节流孔喷出，将碰撞动能转变为油夜热能，并耗散至空气中，直至碰撞行程结束。柱塞右移过程中，柱塞前方节流孔个数随柱塞行程减少，即节流孔面积减小，因而通过节流孔的油液流量受到限制，反映为碰撞波形的规律变化。将爆破片破裂后的缓冲器工作过程称为二级缓冲。爆破片属于非重闭式泄压装置，具有动作瞬时、爆破压力精度高、结构简单、密封性能好等优点，能够精确控制液气缓冲器由一级缓冲到二级缓冲的过渡过程。

图1 液气缓冲器工作原理图

为了使模拟碰撞过程的数学模型简化，假设油液始终充满腔体，不考虑温度和受力引起的系统受力变形，不计摩擦力变化影响。建立液气缓冲器的数学模型如下：

(1)一级缓冲力平衡方程

(1)

(2)二级缓冲力平衡方程

(2)

(3)小孔流量方程

(3)

其中：Cq为流量系数；ρ为液压油密度；Ac为节流孔面积。

(4)油液流量连续性方程

(4)

其中：K为油液体积弹性模量；La为液腔长度。

需要说明的是：由于爆破片的作用，二级缓冲阶段液腔初压力p1为爆破片的爆破压力pb。

(5)气腔绝热压缩方程

(5)

其中：p0、V0分别为初压力和气腔容积。

(6)节流面积-行程函数

Ac=Ac(x1)

(6)

利用上述方程，借助Simulink软件搭建仿真程序，输入液气缓冲器的特性参数Cq、ρ、K和结构参数pb、La、p0、V0、Ac(x1)，以及台车质量m和碰撞速度v0，采用变步长的四阶龙格库塔法求解，最终得到碰撞过程缓冲器的加速度波形。与理想波形对比，并对各缓冲器参数进行优化和修正。而对于节流孔参数的优化，则以理想减速度波形作为已知条件输入，利用上述仿真模型，反求节流孔节流面积-行程函数Ac(xa)。

2 仿真分析

2.1 仿真评估

以汽车安全带碰撞试验为例，基于ECE R16法规要求的加速度波形评估仿真结果。图2中上下折线围成的范围为法规要求的范围，即仿真所得加速度波形在该范围内为合格。从图2可以看出：此液气缓冲器在仿真中所复现的波形效果非常好，完全满足法规要求。

图2 ECE R16要求波形和仿真波形

2.2 试验参数影响

液气缓冲器的试验参数包括碰撞台车质量m和碰撞速度v0。由图3可以看出：对于不同的碰撞速度，加速度曲线形状基本一致，随着碰撞速度的提高，波形高度增加但脉宽减小。如图4所示：台车质量较大时，波形后段出现较大的峰值，波形脉宽也减小。出现过大的加速度峰值将使缓冲器的吸能效率降低，图示加速度波形显然符合缓冲器的吸能规律。因此，台车质量和碰撞速度太大或太小，都不能得到优化的加速度波形，因此，应针对实际碰撞工况，合理匹配各缓冲器结构参数，使所得波形能够满足相关法规要求。

图3 不同碰撞速度下的波形

图4 不同台车质量下的波形

2.3 特性参数影响

液气缓冲器的特性参数包括流量系数Cq、油液密度ρ、油液体积弹性模量K，其中Cq、K通常需要通过试验方法来确定，而仿真方法较难获得可靠的结果。但Cq、K与实际情况偏差较大时，从仿真结果可以看出其对碰撞波形变化的影响。如图5所示：K的变化主要决定了碰撞波形的波动情况：K偏大时碰撞波形波动比较剧烈，而K偏小时波动很小。

图5 油液体积弹性模量对缓冲器特性影响

如图6所示：Cq对液气缓冲器特性的影响很大：Cq偏小

时，波形前段较高，缓冲器较“硬”；但Cq偏大时，波形后段较高而前段较低。因此，对Cq的优化是设计和调试缓冲器的关键。

图6 流量系数对缓冲器特性影响

2.4 结构参数影响

在液气缓冲器的结构设计中，节流孔面积-行程函数Ac(x1)是节流孔分布设计的重要依据，节流孔的面积变化直接影响台车加速度波形。文中对节流孔面积行程函数暂不讨论，仅研究节流孔总面积Ac对碰撞波形的影响。从图7可以看出：当Ac偏小时，波形前段高，波形脉宽小，此时液气缓冲器很“刚硬”，不能满足碰撞缓冲要求；而当Ac偏大时，在波形末端出现波峰，若波形后段加速度峰值过大，甚至可能在有限行程内出现缓冲行程内无法将碰撞动能完全吸收而导致撞缸。

图7 不同节流孔总面积波形对比

爆破片爆破压力pb的选择，只决定二级缓冲阶段波形的起始高度，而对后续波形的影响不大。如图8所示：爆破压力pb较大时，二级缓冲起始波形较高；pb过大会使加速度骤然上升，从而波形出现尖角，这种现象对于汽车被动安全来说极不理想，因此不宜选择过大的爆破压力pb。考虑到实际在汽车碰撞初期，越高的波形峰值越易于被气囊系统识别，因此爆破压力pb也不宜选择过小。

图8 不同爆破压力下波形对比

3 总结

提出新型汽车模拟碰撞液气缓冲器，通过建立缓冲器仿真模型求解出碰撞加速度曲线，能够符合欧洲有关技术法规的要求，可用于汽车安全部件的设计开发和试验验证。分析了相关试验参数及结构参数对液气缓冲器吸能特性的影响规律，为今后类似液气缓冲器的设计提供理论借鉴。

[1]盛敬超.液压流体力学[M].北京：机械工业出版社,1980.

[2]张彪.汽车模拟碰撞缓冲吸能器特性分析[D].长春：吉林大学,2012.

[3]邱少波.汽车碰撞安全工程[M].北京：北京理工大学出版社,2016.

[4]孙爽.多孔式液压缓冲器仿真与优化设计[D].大连：大连理工大学,2006.

SimulationofEnergyAbsorberforSledImpactTest

ZHU Guihua，HONG Xiaobo，ZHU Tianhong

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha Hunan 410083, China)

A new type of gas-hydraulic energy absorber for sled impact test was introduced. Based on the theory of orifice flow, the mechanical model of the absorber was established, and the influences of various parameters on the absorber were discussed. The results show that, after the optimization of those parameters, the absorber can be used to reproduce acceleration wave under different collision speeds, and can be widely used in development and test validation of automobile safety units.

Sled impact test; Gas-hydraulic energy absorber; Acceleration; Dynamic simulation

2017-04-10

朱桂华(1962—)，副教授，研究方向为机电液一体化技术、环保装备。E-mail：zhuguihuaok@163.com。

洪小波，E-mail：hongxiaobo@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.003

U461.91

A

1674-1986(2017)08-013-04