帘式安全气囊有限元建模及侧碰撞系统仿真

卢礼华,刘志峰,陆建辉,高发华,罗明军,张绍卫

(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院,230009,合肥;2.芜湖凯翼汽车有限公司,241006,安徽芜湖;3.上海东方久乐汽车安全气囊有限公司,201201,上海)



帘式安全气囊有限元建模及侧碰撞系统仿真

卢礼华1,2,刘志峰1,陆建辉1,2,高发华2,罗明军1,2,张绍卫3

(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院,230009,合肥;2.芜湖凯翼汽车有限公司,241006,安徽芜湖;3.上海东方久乐汽车安全气囊有限公司,201201,上海)

为了获得汽车安全气囊仿真技术的精确度和可行性,建立了帘式气囊仿真模型,集成了侧碰撞系统模型。采用拓扑映射原理进行模型节点坐标转换,从而实现了帘式气囊有限元卷折网格的自动生成和帘式气囊在任意管状结构内的卷折成型;使用MADYMO软件提供的均压法以及Dyna欧拉法、粒子法,依据卷折模型,对气囊展开过程的模拟结果进行了检验;通过将帘式气囊模型、假人模型、车身侧面接触结构面进行集成,建立了带安全气囊的侧碰撞分析模型。通过3种类型侧碰撞工况的计算和试验对比,表明所建侧碰撞仿真模型能够真实地反映人体损伤情况。所建模型下的帘式安全气囊能够很好地保护乘员安全,可以有效地应用于汽车前期开发。

侧碰撞;帘式气囊;拓扑映射原理;节点坐标转换;乘员安全

随着汽车工业的发展,汽车保有量增大,汽车造成的交通事故不断增多。据统计,侧碰撞事故约占事故总数的30%,仅次于正面碰撞,而在造成死亡和重伤的事故中侧碰撞事故约占35%[1]。所以,汽车侧碰撞的乘员安全保护受到重视,各种侧碰撞约束系统被广泛应用,特别是帘式气囊在侧碰撞事故中对乘员头部的保护具有明显的效果。帘式安全气囊固定在车辆顶棚横梁上,工作时车窗与人体之间形成气囊,由此起到了保护人体的作用。McKendrew等研究表明,安全气囊参数配置不当是引起前臂伤害的重要原因[2]。Horstemeyer等的分析表明,以伤害为衡量标准设计的汽车更具安全性[3-4]。Cheng等将台车撞击试验与气囊碰撞对比后得出,气囊对假人的作用力会随着假人位置的不同而改变[5-6]。

正确了解帘式安全气囊与人体头部在汽车碰撞中的相互作用关系和内在机理,以及对相应的参数进行优化设计[7-9]尤为重要和迫切。为了提高汽车前期开发水平,计算机仿真已经成为试验验证、参数优化和设计方案评估的重要手段。本文着重研究了帘式气囊仿真模型的建立、侧碰撞系统模型的集成,基于帘式气囊平面模型开发了有限元卷折网格的自动生成技术,从而有效解决了帘式气囊在任意管状结构内卷折成型困难的问题,同时使用MADYMO软件提供的均压法和Dyna欧拉法、粒子法,分别对卷折模型进行了气囊展开过程的模拟,确定Dyna粒子法能够较好地提供计算结果。在此基础上,将帘式气囊模型、假人模型以及车身侧面接触结构面进行了集成,针对3种类型的侧碰撞工况进行了计算和试验对比。

1 帘式安全气囊系统的仿真建模

帘式安全气囊仿真过程主要包括气囊几何表面的有限元模型生成,气体发生器的定义,接触表面的定义,撞击刚度的验证,系统模型的集成,侧碰撞系统模型的对标与修正,侧碰撞试验仿真和预测[10-12]。由于气囊几何表面有限元建模涉及到单元的不规则卷曲和弯曲,所以运用常规的建模方法无法有效完成。本文利用一种网格自动生成技术、根据不同的几何边界,将平面网格数据集自动转换成卷曲和弯曲的网格数据集。

1.1 有限元建模

有限元建模流程如图1所示。该流程由平面网格、线性冲击刚度的验证、卷折网格、弯曲网格、帘式气囊模型的展开过程来判定。根据拓扑映射原理,本文开发了一种节点坐标转换程序,以自动完成网格卷曲过程。该自动卷折程序的理论基础源于集合论数学的映射原理,如图2所示。

图1 有限元建模流程

图2 坐标映射原理图

设A为帘式气囊平面模型网格中的节点集合,B为帘式气囊卷折模型网格中的节点集合,二者均为非空集合。如果存在一个法则f(一个座标变换的计算过程),使得对A中的每个元素Ai按法则f在B中有唯一确定的元素Bi与之对应,则称f为从A到B的映射,记作f:A→B。其中:Bi称为元素Ai在映射f下的象,记作Bi=f(Ai);Ai称为Bi关于映射f的原象。集合B中所有元素的象的集合称为映射f的值域,记作f(A),且满足以下条件:①对于A中不同的元素,在B中不一定有不同的象;②B中每个元素都有原象,称映射f建立了集合A和集合B之间的一个一一对应关系,也称f是A到B上的映射。根据上述数学原理,定义A{x|x具有特性p(原点为p0,法矢量为y的平面座标系)},B{y|y具有特性q(起点为u0,方向矢量w为Li的螺旋极座标系)},f:A→B。具体原理说明见图1、图2。

卷曲和弯曲网格模型如图3和图4所示,是通过图形映射运算程序自动将平面网格转换成卷曲网格的,其中输入参数为节点坐标值、横截面边界几何文件、折叠隔层间隙,输出参数为卷曲后的节点坐标值、利用Pre-dyna软件中的8-Line Mapping功能进行处理的弯曲网格[13-14]。

图3 卷曲网格模型

图4 弯曲网格模型

为了正确模拟侧碰气囊展开过程中的特性,必须获得气体发生器的物理参数,包括气体成分、气体质量流率、气体温度流率,此外还要考虑发生器的位置、喷嘴方向、喷嘴尺寸以及气囊腔室与发生器之间的相互作用,如图5所示。

图5 气体发生器模型

利用3种不同的计算流体分析方法比较了运算时间与分析精度的差异,结果见表1,从中发现:均压法在气囊展开后的分析效果较好,运算时间最短;欧拉法的分析精度最好,运算时间过长;粒子法的计算精度优于均压法,运算时间适中。显然,均压法可以用于早期开发阶段的简化模型,粒子法可以用于碰撞试验的预测和人体损伤值的评估。

表1 3种方法的运算时间和分析精度比较

1.2 侧碰撞帘式气囊安全系统模型

整个侧碰撞过程可以分为3个阶段[15]:车体在碰撞接触力作用下产生塑性变形;汽车乘员舱在碰撞过程产生加速度;乘员受惯性作用被加速。帘式气囊安全系统的动力学分析模型如图6和图7所示。

图6 侧碰动力学系统模型

图7 侧碰撞MADYMO模型

侧碰撞对人体的伤害是由车门的侵入运动造成的,这种侵入过程非常迅速,通常在20 ms便可造成对人体肩部、肋骨、胸腔、骨盆的严重挤压,所以整个侧碰撞帘式气囊安全系统模型需要考虑5方面的内容:车门结构表面形状和运动;假人模型;气囊模型;接触刚度(假人头部和气囊、气囊和车门内侧、假人肩部和车门内侧、假人肋骨和车门内侧、假人胸腔和车门内侧、假人骨盆和车门内侧);座椅运动。其中,车门结构运动侵入区域的选取和相应的运动曲线对仿真效果具有显著的影响。经过模型和试验结果的对比,在侵入区域需要获取9个坐标点的运动数据,才能较真实地反映侧碰撞状况。

1.3 帘式安全气囊的仿真系统模型验证

帘式安全气囊的仿真系统模型在运用之前必须进行验证,验证包括:气囊刚度和静态展开过程。气囊刚度验证由线性碰撞刚度试验来完成,涉及冲击头的加速度-位移曲线,如图8所示。在对侧气帘静态展开冲击试验中需要考察气帘展开过程中气帘打开的时间和外形状态等[16],如图9所示。

图8 线性碰撞试验模型

(a)试验 (b)仿真图9 帘式气囊静态展开试验与仿真对比

1.4 帘式气囊冲击试验模型

为了进一步验证帘式气囊的特性,对头部进行了仿真冲击试验,即在配有帘式气囊车辆进行冲击试验中观察头部与气囊冲击的力学反应。帘式气囊冲击试验仿真模型如图10所示。

(a)气囊未展开 (b)气囊展开图10 帘式气囊冲击试验仿真模型

2 侧碰撞仿真系统的应用

经验证后的系统模型,可以支持侧碰撞安全气囊约束系统的开发和安全法规的验证。侧碰撞安全法规主要包括3种碰撞试验规范:中国碰撞安全性能测试规范(C-NCAP),欧洲新车安全评鉴协会侧面柱碰撞试验规范(E-NCAP);美国高速公路安全保险协会整车碰撞安全法规(IIHS)。

2.1 C-NCAP仿真和试验结果

采用验证了的乘员约束系统计算机辅助工程(CAE)模型,如图11所示,根据C-NCAP对整车侧碰进行了仿真,并与侧碰试验进行了对比。

采用了2015版C-NCAP中头部伤害(式(1))、肋骨伤害(上、中、下部肋骨变形最大值分别与标准值对比)、腹部伤害(选取腹部合力与标准值对比)、骨盆伤害(耻骨合力与标准值对比)的低性能限值作为评判标准,来衡量整车侧碰,试验与仿真对比如表2所示。

图11 乘员约束系统模型

头部伤害的当量值HIC计算式为

(1)

式中;a为测量出的合成加速度,用g衡量,g=9.81 m/s2;t2和t1为冲击过程的开始、结束2个时刻,在该时间间隔(t2-t1≤15 ms)内HIC取最大值。

表2 整车侧碰试验结果

通过试验对标可知,虽然头部伤害(头部损伤标准HIC15)的试验值与仿真值绝对误差较大(试验与约束系统模型仿真损伤差值为24.2),但与C-NCAP头部伤害HIC15评价标准要求的最低下限1 000相比,相对误差(试验、CAE差值与评价标准下线值的比值)只有2.42%,显然仿真结果与试验结果基本吻合。上、中、下肋骨压缩变形仿真值与试验值的误差较小,试验值均小于法规中最低标准值42 mm,其中变形量最大的为上肋骨;腹部的各项指标仿真值与试验值的误差较小,腹部合力小于C-NCAP低性能限值;骨盆耻骨合力仿真值与试验值的误差较小,仿真值远小于C-NCAP标准的下限值。通过对比可以看出,本文模型准确度较高,CAE分析结果与试验结果吻合较好,说明帘式气囊在侧碰过程中起到了保护乘员安全的作用。

2.2 E-NCAP的29 km/h侧碰仿真和试验结果

图12为E-NCAP的29 km/h侧杆仿真模型。

图12 E-NCAP的29km/h侧碰仿真模型

按E-NCAP要求,对整车侧柱碰进行了试验,并与仿真进行了对比,结果如表3所示。

表3 29 km/h侧柱碰试验与仿真对比

采用2015版E-NCAP对头部伤害指标HIC15、肋骨压缩变形量、腹部压缩变形量及腹部耻骨联合最大力进行了考核,并以该部位的最低性能限值作为评判标准。根据表3可以看出:肋骨压缩变形量仿真值与试验值的误差较小,其相对误差均小于8%且小于标准的下限值;腹部耻骨联合最大力仿真值与试验值的误差较小,其值小于E-NCAP的下限值。通过对比分析可知,CAE分析结果与试验结果吻合较好(耻骨力上的误差大约为13.2%),表明本文模型准确度较高,相应的帘式气囊在侧面柱碰过程中能够较好地保证乘员安全。

2.3 IIHS仿真和试验结果

为了验证本文模型是否适应美国的IIHS[17]要求,采用验证了的CAE系统模型(见图13),根据美国IIHS,对整车侧碰进行了仿真分析,结果如表4所示。

图13 IIHS下的系统模型

采用2015版IIHS对头部伤害指标、肋骨压缩变形量、最大肋骨压缩变形量进行了考核,采用该指标的低性能限值作为评判标准。

表4 IIHS下CAE系统模型的仿真结果

根据表4可以看出:头部伤害的仿真值与试验值的相对误差控制在1.23%,二者基本吻合;肋骨压缩变形量的误差很小,且小于标准的下限值50 mm;最大肋骨压缩变形量的相对误差为0.07%,变形量小于IIHS的下限值55 mm。显然,整体仿真与试验值基本吻合。

经有限元分析与试验表明,对于乘员侧碰中的伤害指数,CAE分析与试验结果一致性较好,从而验证了本文模型的准确性,即帘式安全气囊在侧碰过程中可以起到保护乘员安全的作用。

3 结 论

为验证帘式安全气囊在整车侧碰过程中对乘员的防护性能,建立了帘式安全气囊CAE模型,重点研究了帘式气囊仿真模型的建立、侧碰撞系统模型的集成,并通过C-NCAP、E-NCAP、IIHS的侧碰试验、采集假人关键部位的损失值对CAE仿真结果进行了验证,由此得到以下结论。

(1)通过对帘式安全气囊研究,完成了侧面气帘和侧面碰撞系统建模,为侧碰撞开发提供了一种有效的工具。

(2)通过帘式安全气囊线性碰撞和静态展开试验及CAE分析,验证了本文模型的准确性。

(3)通过C-NCAP、E-NCAP和IIHS对乘员头部等关键部位的伤害指数进行分析,表明帘式安全气囊在车辆侧碰过程中能够有效保证乘员的安全。

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(编辑 苗凌)

Finite Element Modeling of Curtain Airbag and Simulation of Vehicle Side Impact

LU Lihua1,2, LIU Zhifeng1, LU Jianhui1,2, GAO Fahua2, LUO Mingjun1,2, ZHANG Shaowei3

(1. School of Automotive and Mechanics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2. Cowin Automobile Co. Ltd., Wuhu, Anhui 241006, China; 3. Shanghai East Joy Long Motor Airbag Company, Shanghai 201201, China)

To acquire the accuracy and feasibility of simulation method for automobile airbag, a curtain airbag FE model, including vehicle occupant safety system of side impact modeling, was established. The auto-meshing of folded curtain airbag was realized, and curtain airbag mesh among any type of tube cross section was generated following the topology mapping theory to make mesh nodes coordinate be transformed. Three kinds of methodology (pressure method of MADYMO, ALE gas method and particle method of Dyna) were compared by simulating airbag deployment of the folding model. The side impact analysis model with airbags was constructed by integrating the curtain airbag model, dummy, and body side contact surface. The comparison between calculation of three types of side impact conditions and tests indicates that the model of side impact simulation can accurately reflect human injury. The curtain airbag can more effectively protect passenger and facilitate early-stage design of automobiles.

side impact; curtain airbag; topology mapping theory; node coordinate conversion; passenger safety

2015-12-02。 作者简介:卢礼华(1978—),男,博士生;陆建辉(通信作者),男,教授,博士生导师。 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51405123)。

时间:2016-05-10

10.7652/xjtuxb201607016

U461

A

0253-987X(2016)07-0104-06

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160510.1520.008.html