侧面碰撞安全气囊的模拟设计过程

lichengwan

随着对侧面碰撞保护这一问题焦点增加关注，2O世纪90年代中期国际汽车工业已经开发出一种以模拟为基础的设计过程，以克服气囊设计初期缺乏与车辆结构有关的参数的矛盾。

侧面碰撞保护是汽车生产商的主要设计要求之一。据统计资料表明，汽车在侧面碰撞中的伤害占整个汽车事故中伤害的3O 。在1993年，NHTSA宣布的一种新的法规作为FMVSS一2I4的一部分，并要求所有在美国销售的车辆应服从动态的侧面碰撞保护标准。欧洲的类似法规已在l 998年实施。

为了满足上述法规要求和市场的期望，汽车制造商和供应工业自1 998年以来．开发了新的约束系统软件。其中侧面碰撞安全气囊保护系统是最为引人关注的一种形式。

从理论上讲，开发碰撞系统时，应按给出的汽车结构参数和它的已知碰撞特性来设计。而事实上．这种技术设想与实际条件存在差距。主要差距有：

a)在车辆设计初期，在缺少确定的参数而又不可能完全得到的情况下，要求及早提供设计方向；
b)要为相当宽的范围的车辆作出成本及效益的结论。

为了达到设计目标，供应商们必须开发一种灵活而全面的设计过程 以下介绍的一种开发侧面碰撞安全气囊的过程是一种以模拟为基础的设计过程，是一种非线性有限元(FME)方法，用有限的车辆参数及资料，来模拟实体(元件)和系统的碰撞特性。近些年来．FME技术用于碰撞已积累了广泛的资料，用这种方法处理问题灵活，可应用于开发、处理多种形式和级别的车辆配备的侧面安全气囊。

1 模拟设计准则

开发以模拟为基础的侧面碰撞安全气囊主要遵《世界汽车2001年第1期循以下两个准则：

a)由于建立的模型不可能过分地精确，但模拟应尽可能符合实际，在产品开发过程中能精确地给出设计目标，同时，应十分详细地包括对各种元件子系统的判断；

b)处理结果必须是模数化．数据可靠，并适用于各种车辆

2 侧面安全气囊的开发过程：

基于上述准则，侧面碰撞安全气囊的开发主要包括了以下三个过程，其流程由图1所示。


设计的第一阶段是气囊本身，气囊设计过程主要在这一阶段进行。第二阶段是着手研究侧面碰撞安全气囊与美国S1D(Sid Impact Dummy)假人的相互关系。研究对象是搞清气囊的位置、尺寸、展开特性及假人运动的影响。在这一阶段中，还没有应用车辆各方面的结构参数及资料。第三阶段表明了应准备的真实车辆有关的元件；主要有门、座椅结构件和侧面碰撞的壁障(Barrier)以及第二阶段应用的假人。结合假人，可建立前两阶段至现阶段的各种概念和认识，第三阶段的模拟过程吻台了产品车辆的开发过程。而设计过程的台理性和车辆的真实水平，不用到第三阶段完成再作评价，在每个阶段建立的有限元．可以在不改变整个模型基础上，同样可以进行局部评价及修改。

2．1 设计过程第一阶段—— 气囊的静态展开模拟

侧面安全气囊展开特性是这一阶段最关注的焦点，目的是如何掌握、了解各种气囊参数；如织物材料特性、泄漏量、空隙度和气体发生器特性等。这些参数都影响气囊展开性能。由于引爆侧面安全气囊比前碰撞安全气囊时间短，且引爆后更具有 攻击性”，所以要仔细地控制建立和释放气囊压力，以提供有效的约束，从而避免一种有害于乘员的作用。

研究气囊参数的目的是了解、掌握它们展开的灵敏度。图2示出了在不同气囊的泄漏孔尺寸下的气体泄漏压力的关系特性曲线。得出的结论是气囊气体总的泄漏量与泄漏孔尺寸、气囊织物种类有关它们对控制气囊压力的释放起主要作用。在这一阶段建立的气囊模型有x 个结点和y 个表面元素。


2．2 第二阶段一SID假人和侧面碰撞安全气囊的关系

这一阶段的研究目标是为更好地掌握定位假人和气囊的相互作用。模拟设计已使问题简化，并能迅速地提供设计方向。其模拟方法是移动气囊．展开时朝向固定的假人，并以预先设置的速度引爆气囊，用平的壁障来代替第三阶段的门和门的内饰件。在这一阶段中比较复杂的问题是与界面接触处的节点的数字化处理．如柔软的展开气囊与刚性壁障之间的接触以及气囊和假人之间的接触界面的处理。

假人的节点在这一阶段起着十分重要的作用．这一阶段中所建立的表面元素应包括研究系统附有的并使用于不同假人连接的弹簧及缓冲件等。并以NHTSA批准认可的初期的假人脊椎骨和胸部的合理灵敏度及整个假人运动学规律来改进假人的节点和其它有关的零件，以局部改善可靠性和准确的控制。

这一阶段中所建立的模型总计有x 个节点个表面元素(包括扩充使用的弹簧及缓冲件)及z个块元素。

2．3 第三阶段～ 一全范围侧面碰撞模拟

在建立与了解了气囊特性和它与SID假人的相互关系以后，在本阶段是通过把结构元件和侧面碰撞壁障输入到模型中，来确定一种模拟全范围的侧面碰撞事件。子系统模型包括气囊、SID假人、座椅骨架、座垫、门、部分铰链摇臂和一个被批准使用的US侧面碰撞壁障。

尽管这些部件是处理过程必要条件．但是仅有这些部件来模拟全范围侧面碰撞事件还是不充分的 例如，缺少负载的支撑体，如B柱、全部铰链机构、车顶连接件、车身下部横粱、地板等。没有这些零件就不可能产生支撑车门的正确界面条件。然而借助于可进行负荷传递的门锁、部分铰链，就可以假设门铰链及其运动部件是不变形的．存在于铰链与运动部件之间力的转移是非线性的。在门铰链与车身之间使用了弹簧件．它的质量系数基本上能为车门提供台适的支撑界面条件 S后，改变弹簧参数和质量、校准门的速度轨迹．就可以做壁障试验。这种使用弹簧质量元(素)来满足仅使用有限的车辆资料的想法，是为了简化问题的处理过程。

试验之初，假人和车辆各就其位，用弹簧把门固定在预计设置的原始位置．以50 km／h的速度驱动侧门朝壁障方向运动，由于门和壁撞碰撞．引爆气囊，并朝向SID假人展开。

从壁撞试验后数据检查结果显示．标准的伤害大部分发生在碰撞时间50 ms以内。在这个短暂的时间中．为使分析问题简化．假设了不计座椅、地板的变形及假人运动学对结果的影响。

在这一阶段中，建立的模型包括 个结点个表面元素和z 个块元素。当然，通过使用附加的或更多的仿真车辆的车身结构件，肯定能改善假设的模型．然而．这将失去了使用子系统模型的意义，也会使对象研究复杂化。

另外．还通过一种实验设计(DOE)矩阵，确定弹簧和质量参数，以使门和假人的灵敏度达到一致。图3依次地表示了门速度、头部速度、下脊椎骨加速度，胸部加速度随着碰撞发生后时间改变的关系曲线。


用DOE方法，为数字化处理侧面安全气囊开发过程提供可行性。特别用DOE技术与块质量的结台来处理车身侧面结构时．明显地简化了处理数字化过程。借助于应用高速、超大容量的电子计算机，极大地节省和改善反应时问。随着研究工作的进一步深A，下一步是对所建立的模型全面的确认，并进一步修改模型的包络体，以进一步使模拟过程更接近实体。

综上所述，气囊供应商在开发侧面安全气囊时采用以模拟为基础的设计方法，弥补了设计初期数据不足、缩短项目进程、降低开发成本，也为气囊供应商们精确地估算了汽车制造中的乘员室的侧面强度．以保证所设计的气囊安全、有效、可靠