卢礼华;陆建辉;刘志峰;罗明军
【摘 要】阐述了驾驶员侧安全气囊(DAB)仿真与试验验证的分析流程.为了准确模拟驾驶员侧安全气囊的工作特性,基于有限元分析软件建立了驾驶员侧安全气囊的有限元模型,并通过气体发生器的压力试验、跌落塔试验对气囊参数进行标定.通过对驾驶员侧安全气囊的静态展开过程进行CAE仿真分析,结果表明静态展开时气囊壳体撕裂线出现过撕,且壳体上部和底座连接处断裂分离.经试验表明,驾驶员侧安全气囊性能CAE仿真精度较高,该安全气囊不能满足驾驶员的安全要求.为了优化驾驶员侧安全气囊,对驾驶员侧安全气囊的壳体和底座进行结构进行加强,试验结果表明该方法可行有效,在工程上具有参考价值.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2017(000)001
【总页数】4页(P197-200)
【关键词】驾驶员侧气囊;折叠;跌落塔试验;静态展开
【作 者】卢礼华;陆建辉;刘志峰;罗明军
【作者单位】合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009;芜湖凯翼汽车有限公司,安徽芜湖241000;合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009;芜湖凯翼汽车有限公司,安徽芜湖241000;合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009;芜湖凯翼汽车有限公司,安徽芜湖241000
【正文语种】中 文
【中图分类】TH16;U461
近年来，随着道路条件的改善，汽车行驶的速度越来越快，车流密度增大，交通安全问题日益严重。安全气囊作为高度综合的智能型安全系统，在发生碰撞事故时能有效地保护乘员的生命，尤其是驾驶员侧安全气囊。据美国高速公路安全保险机构统计，如果配置了安全气囊，其车祸的死亡率要比未配置的车辆低24%，在车祸中造成中重度创伤的机会降低（25～29）%[1]。
安全气囊模拟计算技术是研究气囊与假人相互作用的有效手段。随着计算机技术和有限元
技术的发展，气体发生器数学模型、气囊展开过程数学模型、气囊织物的有限单元模型、织物的材料模型等不断完善，采用有限元法模拟气囊的工作性能越来越得到广大工程师和科研工作者的重视，其精度在试验中得到验证，并得到广泛应用[2]。介绍了驾驶员侧安全气囊（DAB）仿真与试验流程，对该安全气囊进行有限元建模，并通过试验对模型进行标定，最后对新开发的气囊壳体和气囊进行静态展开仿真分析，为后期结构设计的改进和开发起到预警作用。
安全气囊的参数主要包含：气袋形状及容积、充气特性、折叠及展开方式、拉带布置、排气孔大小及数量位置、气袋织物特性等。由于气囊的参数多而且复杂，需要大量的试验对参数进行标定，主要的试验有：气体发生器的压力试验、气囊的静态展开试验、跌落塔试验、滑车试验，等等。当前国内外气囊公司都有一系列的仿真及验证流程，气囊的仿真及验证流程，如图1所示。主要包含虚拟折叠气囊、静态展开、跌落塔试验、展开分析等。
3.1 气囊模型的建立
当前安全气囊的折叠模型主要有两种建模方法：直接折叠法和初始矩阵法（MM）。直接折叠法建模是按照气囊的实际折叠方式来建立相应的有限元网格，主要应用于2D气囊；初
始矩阵法（MM）主要应用于3D气囊，其无法直接展平，如果将其展平，需要引入大量的皱褶和二次折叠，将使得模型变得极为复杂而无法计算[3]。驾驶员侧气囊可以归类为2D气囊，其由两个圆平面组成，能够很方便地展平，一般采用直接折叠法。根据实际工艺采用挤压法，折叠过程，如图2所示。
3.2 气体发生器模拟及压力试验
在Ls-dyna软件中模拟气体发生器需要点爆后的气体质量变化的曲线以及温度变化的曲线[4-6]。模拟气体发生器的方法一般有Airbag_Hybrid和Airbag_Particle。Airbag_Hybrid方法是传统的均匀压力法，计算速度快。Airbag_Particle方法是新的粒子法，其更精确、和试验更吻合。驾驶员侧气囊一般使用Airbag_Hybrid法，并通过压力试验对标，对温度曲线和质量曲线进行标定[7]。压力试验（TankTest）的仿真和试验结果标定，如图3所示。质量流曲线，如图4所示。
3.3 安全气囊C AE模型的验证
安全气囊展开过程中气体的泄露有三种路径：
（1）泄露孔，根据试验匹配来确定泄露孔的大小、数量及位置；
（2）气囊布料间泄漏，可以使用涂层消除此泄漏；
（3）气囊织布搭接处缝线间泄漏，不同的缝制工艺对泄漏有一定的影响。
跌落塔试验（Drop Tower Test）就是通过仿真和试验的对标，包含跌落平板的加速度、速度、位移的对标，来调整气囊的泄露率，获取正确的气囊仿真模型[8]。该试验装置由跌落平台及其固定装置、电磁开关、光电传感器、安全气囊固定平台和电测量系统等组成，包含2个高速相机，最大滑落高度5m，最大冲击速度8m/s，如图5所示。
过跌落塔试验验证，证明安全气囊模型有效性和精确性。将安全气囊置于跌落台架固定台上，冲击块以设定的速度撞击充满的气袋。在试验过程中，采用高速摄像机（至少1000帧/s）对安全气囊变形过程进行全程图像采集。
为排除偶然误差，整个试验温度控制在（23±5）℃，采用多个样件进行重复试验[9-11]。试验过程中，记录跌落块的高度、光栅的位置、气囊模块的安装位置、TTF延时及相关的试验曲线，具体安全气囊跌落塔试验过程对标，如图6所示。加速度、速度、位移对标结果，
如图7所示。
辉腾与帕萨特的区别通过对安全气囊的跌落试验的加速度、速度和位移进行对标可知，仿真和试验相关系数达到90%，说明仿真模型是可靠的，可以用于后期安全气囊的静态展开的CAE模型。
3.4 安全气囊的静态展开
厢式3.4.1 气囊壳体的建模
安全气囊的静态展开主要用来评估气囊壳体的撕裂形式及壳体在气囊展开过程中是否有断裂风险。由于需要对壳体进行评估，需要对壳体进行详细建模，使用体单元，且厚度方向至少三层单元，如图8所示。气囊展开是高速瞬态过程，材料需要考虑应变率的影响，材料的应力应变曲线，如图9所示。
3.4.2 气囊静态展开
在气囊的展开试验中，使用高速摄影机拍摄气囊的展开过程，并与仿真分析的展开过程进行对比，仿真和试验结果，如图10所示。
在仿真和试验过程中，安全气囊壳体发生断裂，壳体断裂位置，如图11所示。仿真分析中，气囊上壳体在3点钟卡扣位置、下壳体在底座9点钟连接点位置发生断裂，断裂位置的应变分布，如图11所示。
通过分析常温下气囊静态展开时气囊壳体外盖和底座的接触力变化曲线，如图12所示。可知气囊和壳体接触力比较大，最大达到6.6kN，其原因是由于外盖撕裂线设置不合理或者上下壳体卡扣设置不合理导致接触分配不均。
哈啰顺风车通过安全气囊的展开试验可知气囊壳体两处发生断裂，如图13所示。裂纹产生结果与CAE分析结果一致。
青岛开发区二手车通过安全气囊和壳体的碰撞试验，结果表明气囊壳体外盖与底座发生断裂，其验证了该有限元模型准确有效，后期用于优化分析。
3.5 优化分析
前期CAE分析表明，安全气囊壳体发生断裂，壳体断裂发生在底座根部。由于底座的局部应力/应变较高，结构较弱，可能在展开过程中断裂，导致外壳和底座分离，建议在该处进
feifan行增厚加强，对外盖撕裂线进行加长和优化，优化位置，如图14所示。
通过壳体底座局部结构加强优化后，仿真分析满足要求，如图15所示。优化前上下壳体分离（图中圈内），优化后壳体没有分离；同时试验人员反馈结构通过了试验验证，满足设计要求。
气囊的匹配是一个十分复杂的过程，如果完全依赖台车碰撞试验或实车碰撞试验，存在费用高、周期长等缺陷。通过实例证明，通过跌落塔等一系列系统试验，来对有限元模型进行标定，可以获得足够精确的模型，可以进一步用于气囊的静态展开分析及滑车的动态展开模拟，可以节约大量的试验时间和试验费用。
通过实例介绍了驾驶员侧安全气囊的仿真和验证过程，包含气囊的折叠、气体发生器的压力试验、跌落塔试验、气囊的静态展开。通过CAE仿真分析，再现问题，并通过分析结果进行详细分析，到结构改进的方向，进行结构优化及分析，使得新结构顺利通过了试验验证，结果表明该方法可行有效，在工程上具有参考价值。提车时如何验车
【相关文献】
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