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針對(duì)某SUV車型安全氣囊的試驗(yàn)和仿真改進(jìn)

文檔作者：劉適曹立波3 喻偉雄龔永堅(jiān)2 文檔來源： 1.湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院2.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月10日
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第2卷第5期
汽車工程學(xué)報(bào)
 Vol. No.5
2012年9月
 Chinese Journal of Automotive Engineering
 Sept.2012
針對(duì)某SUV車型安全氣囊的試驗(yàn)和仿真改進(jìn)
劉適1,曹立波3,喻偉雄,龔永堅(jiān)2
(1.湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,湖南,長沙410082:
2.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江,金華321007)
摘要:提出了一種測試汽車安全氣囊工作性能的頭錘跌落靜態(tài)起爆試驗(yàn)方法,利用該方法測試了某SUV的駕駛員側(cè)
安全氣囊的工作性能。建立了該安全氣囊的CAE模型,基于驗(yàn)證后的模型,進(jìn)行了正交仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)和計(jì)算,改進(jìn)
了該安全氣囊的氣體發(fā)生器特性、氣袋拉帶、氣袋直徑、排氣孔直徑和位置。臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)后的假人頭部
3ms合成加速度值降至約50gHC值也降低了35%
關(guān)鍵詞:安全氣囊;頭錘跌落試驗(yàn);結(jié)構(gòu)改進(jìn)
中圖分類號(hào):U463.32文獻(xiàn)標(biāo)志碼:Ado:10.369issn.22095-14692012.05.04
 Test and Simulation Study on the Performance
 Improvement of SUV Airbag
 Liu Shi', Cao Libo', Yu Weixiong', Gong Yongjian
 (1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, China:
 2. Jinhua Vocational and Technical College, Jinhua, Zhejiang 321007. China)
 Abstract: The headform drop test method is proposed in this paper. The working performance of the driver
 side airbag of a production SUV was studied by the static airbag deployment test and the headform drop test.
 The CAE model of the airbag was developed. Based on this model, the orthogonal experimental design and
 computational simulation were conducted. The gas generator performance, the straps and the size of the airbag
 the diameter and position of the exhaust hole were optimized. The sled test results show that the peak value of
 the resultant acceleration on a dummy's head has dropped to 50g, and HIC value also decreases by 35%.
 Keywords: airbag: headform drop test: structural improvement
汽車發(fā)生碰撞事故且碰撞強(qiáng)度達(dá)到一定的閥撞能量,緩和乘員受到的沖擊,減輕乘員傷害
值時(shí),安全氣囊系統(tǒng)被觸發(fā),在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)安全氣囊對(duì)乘員的保護(hù)效果取決于其性能參數(shù)是
生大量氣體使氣袋充氣展開。當(dāng)乘員頭、胸部與否合理
氣袋接觸時(shí),氣袋應(yīng)充氣展開完畢并具有一定的
與安全氣囊保護(hù)效果相關(guān)的參數(shù)主要包含:
支撐剛度,從而對(duì)乘員頭、胸部位產(chǎn)生均勻分散氣袋形狀及容積、充氣特性、折疊及展開方式、
的作用力,并通過氣袋排氣孔的節(jié)流阻尼吸收碰拉帶布置、排氣孔大小及位置等。目前,國內(nèi)外
收稿日期:2012-05-26
基金項(xiàng)目:汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助(734215002)
第5期
劉適等:針對(duì)某SUV車型安全氣囊的試驗(yàn)和仿真改進(jìn)
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已經(jīng)對(duì)安全氣囊的防護(hù)效果進(jìn)行了大量的研究,中采用的成人標(biāo)準(zhǔn)頭錘做自由落體運(yùn)動(dòng),獲得一
主要是通過氣囊的靜態(tài)起爆試驗(yàn)、臺(tái)車試驗(yàn)和計(jì)定的速度后與起爆充氣后的安全氣囊的氣袋相撞,
算機(jī)仿真相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)(2-51。然而,臺(tái)車模擬在實(shí)際汽車或臺(tái)車碰撞試驗(yàn)中乘員頭部與安
試驗(yàn)成本高,周期長,缺乏碰撞試驗(yàn)室的企業(yè)無全氣囊的相互作用情況,記錄碰撞過程中頭錘的
法開展研究工作。國內(nèi)外安全氣囊的靜態(tài)起爆試加速度時(shí)間歷程,分析并獲得安全氣囊對(duì)乘員頭
驗(yàn)多為測試安全氣囊充氣特性的靜態(tài)展開試驗(yàn)和部的保護(hù)效果。
測試氣體發(fā)生器性能的壓力容器試驗(yàn)。
該試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)頭錘及其固定裝置、電磁
本文針對(duì)某量產(chǎn)SUV在正面100%重疊率剛開關(guān)、光電傳感器、含安全氣囊模塊的方向盤及其
性障礙壁碰撞中假人頭部3ms合成加速度指標(biāo)不固定裝置和電測量系統(tǒng)等組成,如圖1所示。光電
達(dá)標(biāo)的實(shí)際情況,分析可能與安全氣囊的性能欠傳感器連接有繼電器,作為引爆安全氣囊模塊的觸
佳有關(guān)。為了盡快找到問題的原因,并對(duì)安全氣發(fā)裝置。試驗(yàn)頭錘內(nèi)部安裝有加速度傳感器。
囊進(jìn)行合理改進(jìn),本文在利用安全氣囊靜態(tài)展開
固定點(diǎn)
試驗(yàn)測試出氣囊充氣性能的基礎(chǔ)上,提出了一種
利用頭錘跌落試驗(yàn)來測試汽車安全氣囊工作性能
電磁開關(guān)
的試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法可以方便地測試模擬真
試驗(yàn)頭錘
實(shí)碰撞條件下假人頭部與氣囊的接觸碰撞參數(shù),
這是常規(guī)靜態(tài)起爆試驗(yàn)所不具備的。同時(shí),采用
光電傳感器
該試驗(yàn)方法又可以克服完全依靠臺(tái)車試驗(yàn)所存在
氣囊模塊
的上述缺點(diǎn)。本文將試驗(yàn)和仿真分析相結(jié)合,對(duì)
方向盤及其
安全氣囊進(jìn)行了改進(jìn),達(dá)到了較好的改進(jìn)效果。
固定裝置
1安全氣囊靜態(tài)起爆試驗(yàn)方法
圖1頭錘跌落試驗(yàn)示意圖
本文采用了兩種安全氣囊靜態(tài)起爆試驗(yàn)方法
對(duì)安全氣囊的工作性能進(jìn)行評(píng)測。一種方法是直
試驗(yàn)開始前,先將方向盤水平安裝在專門設(shè)
接利用高速攝像記錄安全氣囊起爆的全過程,觀計(jì)的方向盤固定裝置上,試驗(yàn)頭錘通過電磁開關(guān)
察其充氣展開過程、展開時(shí)間、充氣飽滿度及泄固定在方向盤垂直上方,光電傳感器安裝在試驗(yàn)
氣過程等。該方法試驗(yàn)操作很簡單,從該試驗(yàn)可頭錘和方向盤之間,位于方向盤上沿高度H2處,
以初步判斷安全氣囊的整體性能是否達(dá)到通常要而試驗(yàn)頭錘位于光電傳感器上方高度H1處。H1與
求的狀況,但不能有效評(píng)價(jià)充氣壓力及其對(duì)乘員H2的大小需滿足以下條件。
頭部和胸部的支撐效果。當(dāng)支撐效果不佳時(shí),乘
(1)H1+H2=氣囊完全展開的高度+頭錘獲
員頭部和胸部仍然可能撞擊到方向盤上,導(dǎo)致?lián)p得在實(shí)際碰撞試驗(yàn)中假人頭部與展開的氣囊接觸
傷參數(shù)大大增加。
時(shí)刻的速度所需要的跌落高度
本文在采用上述方法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)該SUV
(2)頭錘從H2上止點(diǎn)到完全展開的氣囊上
安全氣囊充氣不夠飽滿,可能存在駕駛員頭部穿表面的時(shí)間=氣囊完全起爆所需時(shí)間
透現(xiàn)象。為了進(jìn)一步驗(yàn)證安全氣囊的充氣性能,
試驗(yàn)開始時(shí),通過遙控電磁開關(guān)使試驗(yàn)頭錘
本文提出了另一種靜態(tài)起爆試驗(yàn)方法,即頭錘跌開始自由下落。當(dāng)試驗(yàn)頭錘自由下落到光電傳感
落靜態(tài)起爆試驗(yàn)方法。該方法利用行人碰撞試驗(yàn)器所處位置時(shí),光電傳感器觸發(fā)接通繼電器從而
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汽車工程學(xué)報(bào)
第2卷
引爆安全氣囊,繼續(xù)下落的試驗(yàn)頭錘與充滿氣的2原安全氣囊工作性能試驗(yàn)
安全氣囊發(fā)生碰撞,模擬實(shí)車或臺(tái)車碰撞試驗(yàn)中
對(duì)該量產(chǎn)SUV駕駛員側(cè)安全氣囊進(jìn)行靜態(tài)起
假人頭部與安全氣囊的碰撞過程。利用試驗(yàn)頭錘
爆試驗(yàn),起爆過程如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,
中的加速度傳感器和移動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀,即可獲取
該安全氣囊展開過程不理想,展開后氣囊不飽
試驗(yàn)頭錘與安全氣囊碰撞的加速度時(shí)間歷程曲線,滿同時(shí),安全氣囊從點(diǎn)火到完全展開時(shí)間約為
用于分析安全氣囊的工作性能。
45ms,展開時(shí)間過長。
30m
45m
圖2原安全氣囊靜態(tài)起爆過程
對(duì)該安全氣囊進(jìn)行靜態(tài)頭錘跌落試驗(yàn),獲得
安全氣囊靜態(tài)頭錘跌落試驗(yàn)測得的頭錘Z向
安全氣囊起爆后的壓力特性。根據(jù)該SUV整車加速度曲線如圖3中的實(shí)線所示,圖中加速度峰
正面碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)中駕駛員頭部與安全氣囊相撞值為30g,且峰值對(duì)應(yīng)于一個(gè)突出的波峰,表明
時(shí)的速度和時(shí)間關(guān)系,安全氣囊在觸發(fā)點(diǎn)火約安全氣囊起爆后較軟,致使頭錘壓癟氣袋后與方
40ms后與駕駛員頭部接觸,此時(shí)駕駛員頭部的相向盤相撞,安全氣囊未能起到很好的緩沖吸能作
對(duì)速度約為29km/h,因此試驗(yàn)裝置中的H1設(shè)定用,在正面碰撞時(shí)對(duì)駕駛員頭部的保護(hù)效果不佳
為3.06m,H2設(shè)定為0.55m,使試驗(yàn)工況能較好
地模擬車輛正面碰撞時(shí)駕駛員頭部與安全氣囊相
3安全氣囊結(jié)構(gòu)改進(jìn)
撞的過程
3.1安全氣囊模型建立和驗(yàn)證
隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,利用計(jì)算機(jī)仿
30
25
真安全氣囊工作過程已成為研究安全氣囊不可缺
20
少的手段。計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)相結(jié)合,可以幫助
15
10
提高試驗(yàn)質(zhì)量,減少試驗(yàn)次數(shù),節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間和
5
費(fèi)用
針對(duì)上述安全氣囊,在 Hypermesh中按氣囊
初始尺寸建立有限元模型,其基本形狀為圓形,
02040608010012014
包括上、下兩層織物,下層有排氣孔,兩層織物
時(shí)間t
中間有拉帶。模型具體尺寸為氣囊直徑680mm,
圖3頭錘Z向加速度曲線
排氣孔直徑55mm,排氣孔中心距氣囊中心
第5期
劉適等:針對(duì)某SUV車型安全氣囊的試驗(yàn)和仿真改進(jìn)
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112mm。氣囊上、下兩層有限元模型采用求解穩(wěn)
定性好的3節(jié)點(diǎn)三角形膜單元,考慮到氣囊的折
疊和仿真運(yùn)算時(shí)間,使用單元尺寸為15mm的直
角三角形單元:下層網(wǎng)格包括排氣孔網(wǎng)格和支撐
網(wǎng)格。氣袋的材料特性參數(shù)為:楊氏模量2.0E8Pa、
泊松比0.3、纖維密度0.2034、滲透因子0、厚度
0.3mm。拉帶采用2節(jié)點(diǎn)無質(zhì)量線性彈簧單元模擬。
圖4為劃分網(wǎng)格后的氣囊有限元模型。
圖6動(dòng)態(tài)松他后的氣囊模型
在 MADYMO求解器中,通過流體力學(xué)和有限
元結(jié)合的方法來模擬氣囊的工作過程。采用流體
力學(xué)模型來計(jì)算氣囊中的壓力分布時(shí),氣囊的展
開過程描述得較精確,但模擬計(jì)算時(shí)間過長。因此,
本文采用均勻壓力方法,即將氣囊中的氣體看作
理想氣體,并假設(shè)其壓力均勻(8。在接觸時(shí)考慮
慣量、沖擊和壓力
氣囊模型建立后,使用 MADYMO軟件作為
求解器進(jìn)行了氣囊靜態(tài)起爆和靜態(tài)頭錘跌落預(yù)模
圖4氣囊有限元模型
擬,根據(jù)氣囊靜態(tài)起爆和靜態(tài)頭錘跌落試驗(yàn)數(shù)據(jù),
使用氣囊折疊模塊 MADYMO Folder對(duì)有限
調(diào)試好模型參數(shù),保證了安全氣囊基礎(chǔ)模型的準(zhǔn)
元模型進(jìn)行折疊,初步折疊完后的氣囊模型如圖5確性。預(yù)模擬所需的質(zhì)量流曲線通過壓力容器試
所示。初步折疊后,在氣囊折疊線上的部分單元驗(yàn)得到氣囊壓力時(shí)間曲線數(shù)據(jù)后,輸入 MADYMO
可能產(chǎn)生了較大的變形,采用動(dòng)態(tài)松弛法對(duì)氣囊軟件的MTA程序計(jì)算得到,如圖7所示。
進(jìn)行松弛,使折疊后發(fā)生變形的網(wǎng)格恢復(fù)到原來
的形狀,并使氣囊在模擬開始前達(dá)到一種力學(xué)平
25
衡狀態(tài),動(dòng)態(tài)松弛后的氣囊模型如圖6所示。
225
2
1.75
15
125
0.75
0.25
0
00.020.040.060.080.10.120.140.16
時(shí)間t/s
圖5初步折疊后的氣囊模型
圖7質(zhì)量流曲線
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汽車工程學(xué)報(bào)
第2卷
3.2安全氣囊結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化
直徑分別為55mm、45mm、36mm、28mm,
在優(yōu)化過程中,氣囊模塊可以調(diào)節(jié)的參數(shù)包排氣孔中心距離氣袋中心尺寸分別為112mm、
括氣囊尺寸、拉帶布置、泄氣特性、氣體質(zhì)量流16mm、210mm、260mm,氣囊氣袋直徑分別
量特性等。其中,泄氣特性包括排氣孔直徑及位
為740mm、680mm、640mm、620mm,3個(gè)
置本文在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,選取氣袋拉帶、參數(shù)按正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法
16種組合,見
氣囊氣袋直徑、排氣孔直徑和位置為設(shè)計(jì)變量,表1
通過對(duì)氣囊靜態(tài)起爆和靜態(tài)頭錘跌落試驗(yàn)的仿真
將這16種組合在 MADYMO軟件中進(jìn)行氣囊
分析,比較氣囊靜態(tài)起爆過程和靜態(tài)頭錘跌落試
靜態(tài)起爆和靜態(tài)頭錘跌落仿真,綜合比較氣囊展
驗(yàn)仿真中頭錘的加速度曲線,獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù),
開過程和頭錘Z向加速度時(shí)間歷程曲線,獲得3
提高氣囊防護(hù)效率。
個(gè)參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果分別為36mm、260mm、
首先將氣囊原來的一根拉帶增加為兩根,以680mm,對(duì)應(yīng)于該優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果如圖8和
改善氣袋充氣膨脹方式,在此基礎(chǔ)上選取排氣孔圖10所示。
表1氣囊結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)表
試驗(yàn)序號(hào)
2345678910111213141516
參數(shù)15555555545445453636363628282828
參數(shù)211216021026011216020260112160210260112160210260
參數(shù)3740680640620680740620640640620740680620640680740
圖8優(yōu)化后的氣囊靜態(tài)起爆仿真
4安全氣囊改進(jìn)后試驗(yàn)驗(yàn)證
680mm,并將氣囊拉帶改為兩根。對(duì)改進(jìn)后的安
氣囊排氣孔直徑改為36mm,排氣孔中心與
全氣囊進(jìn)行靜態(tài)起爆試驗(yàn)和靜態(tài)頭錘跌落試驗(yàn),
氣袋中心距離改為260mm,氣囊氣袋直徑改為
試驗(yàn)方法與氣囊改進(jìn)前相同。
 15 ms
 45 ms
圖9改進(jìn)后氣囊靜態(tài)起爆過程
第5期
劉適等:針對(duì)某SUV車型安全氣囊的試驗(yàn)和仿真改進(jìn)
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優(yōu)化后安全氣囊靜態(tài)起爆過程如圖9所示,
在起爆開始到30ms時(shí),由于氣囊飾蓋撕裂的影響,
氣囊充氣展開狀態(tài)與仿真存在一定的差異,但之
后到氣囊充滿氣的時(shí)間歷程中,試驗(yàn)與仿真結(jié)果
吻合較好。試驗(yàn)結(jié)果顯示氣囊從點(diǎn)火到充滿氣的
時(shí)間大約為40ms,比未改進(jìn)前提前了5ms左右
安全氣囊展開膨脹過程比未改進(jìn)前要好,氣囊展
開后較為飽滿且飽滿狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長。
圖11臺(tái)車碰撞試驗(yàn)
優(yōu)化后安全氣囊靜態(tài)頭錘跌落試驗(yàn)的頭錘Z
向加速度時(shí)間歷程曲線如圖10所示,圖中加速
度最高峰值為22.5g,比改進(jìn)前的30g減小了約
50
51561
25%,在60ms左右時(shí),曲線有一個(gè)較小的波動(dòng),
40
0624
4
這是由于頭錘與氣袋開始接觸時(shí)產(chǎn)生的沖擊造成
30
的。加速度曲線沒有出現(xiàn)明顯的凸起,說明改進(jìn)
20
后的氣囊能較好地對(duì)頭錘的撞擊實(shí)現(xiàn)緩沖作用,
10
在碰撞過程中可較好地對(duì)駕駛員頭部起到緩沖吸
00.020.040.060.08010.120.140.16
能的保護(hù)效果。
時(shí)間ts
圖12假人頭部加速度曲線
15
5討論
1
由于原車型的氣體發(fā)生器存在明顯的充氣
量不足的問題,因此,本文所做的氣囊參數(shù)優(yōu)化
是建立在更換氣體發(fā)生器的基礎(chǔ)之上的。對(duì)氣囊
00.020.040.060.08010.120.140.160.18
參數(shù)進(jìn)行修改后是否能夠達(dá)到較好的乘員保護(hù)效
時(shí)間ts
果需要試驗(yàn)驗(yàn)證,而完全依賴臺(tái)車碰撞試驗(yàn)或?qū)?
圖10頭錘Z向加速度曲線
車碰撞試驗(yàn)存在費(fèi)用高、周期長等缺陷。在進(jìn)行
臺(tái)車碰撞試驗(yàn)或?qū)嵻嚺鲎苍囼?yàn)前,采用本文提出
對(duì)改進(jìn)后的安全氣囊進(jìn)行了如圖11所示的臺(tái)的安全氣囊頭錘跌落靜態(tài)起爆試驗(yàn)方法不需要依
車試驗(yàn),假人頭部加速度曲線如圖12所示。根據(jù)賴昂貴的汽車碰撞試驗(yàn)裝置就可以方便地對(duì)安全
頭部合成加速度計(jì)算得到HIC值為267.56,較改氣囊匹配性能進(jìn)行初步分析,這對(duì)于暫不具備汽
進(jìn)前下降了約35%,頭部加速度峰值也降至50g車碰撞試驗(yàn)條件的整車開發(fā)企業(yè)尤為重要。當(dāng)然,
左右。結(jié)合整車吸能結(jié)構(gòu)改進(jìn)和約束系統(tǒng)匹配優(yōu)由于安全氣囊頭錘跌落靜態(tài)起爆試驗(yàn)方法僅能模
化,改進(jìn)后的實(shí)車C-NACP測試結(jié)果表明,頭部擬單向的頭部與氣囊接觸性能,且接觸碰撞過程
3ms合成加速度值由原來的約90g降至45.4g,也與實(shí)際情況有一定差異,表明該試驗(yàn)不可能完
獲得了滿分。
全取代臺(tái)車碰撞試驗(yàn)或?qū)嵻嚺鲎苍囼?yàn)。
340
汽車工程學(xué)報(bào)
第2卷
6結(jié)論
全氣囊的氣體發(fā)生器特性、氣袋拉帶、氣袋直
本文提出了一種簡易有效的測試安全氣囊工徑、排氣孔直徑和位置等結(jié)構(gòu)參數(shù),結(jié)合整車吸
作性能的靜態(tài)頭錘跌落試驗(yàn)技術(shù)與裝置,通過安能結(jié)構(gòu)改進(jìn)和約束系統(tǒng)匹配優(yōu)化,使該車型在
全氣囊靜態(tài)起爆試驗(yàn)和靜態(tài)頭錘跌落試驗(yàn),可以c-nca正面100%重疊率剛性障礙壁碰撞試驗(yàn)
對(duì)安全氣囊的充氣特性和壓力特性進(jìn)行初步的中由頭部得分0分提高到滿分4分,達(dá)到了預(yù)期
測試分析。結(jié)合CAE仿真分析,改進(jìn)某SUV安的改進(jìn)效果。
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作者介紹
責(zé)任作者劉適(1993-),男,湖南湘潭人
通訊作者:曹立波(1964-),男,湖南
湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院本科生,
長沙人。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制
主要研究汽車安全。
造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任,教授,博士
Tel:15973159321
研究生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槠囓嚿?
 E-mail:269530609@qq.com
設(shè)計(jì)及安全
Tel:0731-888823715
 e-mail: hdelb@163.com

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