汽车安全气囊碰撞模拟研究与参数选择

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【摘要】当今汽车上普遍装备了安全气囊，然而点火算法的设计标准没有达成共识。本文应用LS-DYNA提供的拉格朗日-欧拉方法（ALE），通过空间和时间的显式离散得到了车辆碰撞的有限元方程。进行了有关的模拟计算，实现了车辆正面碰撞过程的模拟。利用方向拉杆变形量设定阈值作为点火控制参数，分析结果表明，该设计方法可以实现车辆结构自身被动安全保护的目的，这种新的汽车安全气囊点火控制算法是有效的，但是需要进行部分撞击试验，进一步修正模型后提高其分析精度。

【关键词】安全气囊;车辆;点火算法

1.引言

自从20世纪80年代在汽车上应用以来，安全气囊已经挽救了无数乘员的生命，尤其是其与安全带配合使用，可以使车辆在发生碰撞事故时前排乘员的死亡率降低61%[1]。但是，因为安全气囊的错误展开导致乘员受伤乃至死亡的案例也越来越多。据NHTSA报道，在2001-2006年间，美国有大约1400位乘员因为安全气囊的误点火死亡，这为安全气囊的应用前景蒙上了一层阴影[2]。本文应用有限元软件：HYPERMESH和求解器LS―DYNA，建立车辆的有限元正面碰撞模型，利用方向拉杆变形量设定阈值作为点火控制参数，确定安全气囊的精确点火时刻，并讨论正碰的建模方法，结合仿真数据，分析正碰建模方法的正确性，为安全气囊的精确点爆提供了技术支持。

2.点火算法的理论依据

2.1 乘员损伤准则

安全气囊的点火阈值是依据碰撞中乘员所受的损伤程度来确定的。如果在某一碰撞条件下乘员的损伤程度达到法规规定的乘员损伤指标，则该碰撞条件所确定的阈值为气囊必须点火的阈值，因此了解乘员伤害的评价指标是开发安全气囊算法的首要任务。在安全气囊碰撞试验中，不但需要评价乘员头部的伤害指标值，还要评价气囊对乘员的面部胸部、颈部、下肢等部位的伤害情况[3]。表1是美国、欧洲以及中国正面碰撞准则对乘员损伤标准的规定，美国FMVSS208法规比较全面地确定了不同碰撞假人在各种碰撞形式下的试验要求和损伤指标。

2.2 安全气囊点火原理

当车辆发生碰撞时，安全气囊控制系统利用车上的各传感器的信号迅速判断出碰撞时的车速、碰撞强度等相关信息，然后再根据收到的信息和预先设定的阈值相比较，从而决定是否点爆安全气囊以及何时点爆安全气囊。

近年来，随着智能型安全气囊的提出，要求相应的智能安全气囊点火算法既要考虑汽车碰撞的严重程度这一点火条件，还要判断汽车的碰撞形式和乘员的状态等条件。文献[7]详细介绍了汽车所有可能发生的碰撞形式。而汽车乘员的状态主要包括乘员大小、乘员的离位状态以及乘员佩戴安全带状态（见表1）。

2.3 安全气囊点火时刻的确定

安全气囊最佳点火时刻是发生在碰撞时到安全气囊完全展开时乘员的头部正面与气囊相接触时刻的前30ms。目前，国际上一般利用“127mm-30ms”准则来确定安全气囊的最佳点火时刻。其含义是：当汽车刚开始发生碰撞时，乘员相对于车体向前移动127mm的时刻的前30ms时间点就称为安全气囊的最佳点火时刻。由此可知：安全气囊的最佳点火时刻为乘员前移127mm这一时刻的前30ms。

安全气囊的实际点爆时间点是指实际碰撞事故中气囊点爆的时刻。在前排成年乘员正常坐姿和佩戴安全带的状态下，针对不同车型确定其点火条件的阈值，在实际撞车事故中，当点火条件超过阈值时气囊点爆。由于汽车碰撞事故的不确定性以及算法本身的缺陷，实际点火时刻与最佳点火时刻往往不会重合。因此，确保实际点火时刻与最佳点火时刻的一致性是目前智能安全气囊控制算法设计的主要目标。

现在绝大多数点火算法针对检测到的加速度设定阈值，然而加速度变化曲线不是单调递增的，所以本文提出利用方向拉杆长度方向形变量设定阈值，作为气囊点爆参数，可以避免气囊提前点爆。

3.整车正碰有限元模型的建立

车体建模是碰撞分析的第一步，整车有限元模型分为三部分：轮胎，悬架，车身;有限元模型的建立在前处理软件Hyper Mesh中完成，并根据汽车真实结构做相应的调整。

3.1 网格的划分

以10mm为网格尺寸的标准，为保证求解速度，最小单元尺寸不能小于5mm，其他如翘曲度、长宽比、梯度、雅可比等参照汽车碰撞通用规范。

3.2 接触处理

接触处理包括：防止所有的初始渗透;防止边对边的渗透;用ANSYS软件自动调整考虑材料厚度的材料穿透。

3.3 连接、约束处理

为了真实的模拟车身的实际连接关系，本项目除了用焊点模拟各部件的连接关系外，还使用了revolve joint、extra nodes等连接方式对整车零件间进行连接。

发动机罩板是通过一个四连杆结构和车身相连接，其中发动机罩板和轮胎罩板间通过一个有旋转自由度的销钉和四连杆相连，四连杆机构中每个杆也是通过一个旋转销钉连接运动。

车门和立柱通过铰链铰接，其连接方式也是通过revolve joint来实现。

其余部件用DYNA软件自带的Hex单元模拟焊点，直径5mm，并考虑碰撞严重区域的焊点实效问题;正确处理弹簧、螺栓、胶套、运动副的连接关系。

3.4 单元公式的处理

为控制沙漏采用3个积分点;若PART的厚度大于1.5mm，在厚度方向采用5积分。

3.5 材料的处理

使用实际材料的试验结果值;对于钢，使用24号材料模式;考虑应变率的影响，可恢复的泡沫使用83号材料模式;发动机等在碰撞过程中不变形物体采用20号刚体材料。

4.整车正碰的仿真计算及参数选择

4.1 整车正碰仿真计算

本文采用FMVSS 208法规，汽车初始速度13.89m/s，终止时间：100ms。求解器为LS-DY―NA 971。在计算过程中为了避免部件间发生穿透，本文采用自动单面滑移接触算法。

图1 整车有限元模型

图2 车身冲击方向拉杆形变时间历程曲线

图3 车身冲击加速度时间历程曲线

4.2 安全气囊点爆控制参数选择

一种非常重要的参数是汽车方向拉杆的变化量，因为它是单调变化曲线，如图2为碰撞过程中方向拉杆变化曲线。由于加速度曲线不是单调递增的，如图3为碰撞过程中车身冲击加速度时间历程曲线，设定的阈值在最佳点火时刻前就已达到，从而导致提前点爆或误点爆。

然而，汽车方向拉杆的变化量也存在着一些问题。首先，方向拉杆变化量要求我们必须密切注视汽车的碰撞初速度v0;其次，在不同的碰撞初速度下，虽然相同的速度变化量v，但参数L变化是很显著的。因此，我们要避免那些仅仅依靠汽车方向拉杆变化量而不依赖其他参数（见图2、图3）。

5.结论

利用方向拉杆变化量作为点火控制变量来建立安全气囊的点火控制模型，通过模型的输出来判定是否触发气囊，若满足触发条件，则预测什么时候触发气囊。与以往的安全气囊点火控制算法相比，该算法能比较准确地判定安全气囊的最佳点火时刻。仿真与试验结果表明：该算法是可行的，有利于提高汽车的安全性能。

参考文献

[1]RODNEY.A Study of the Factors Affecting the Fatalities of Airbag and Belt-Restrained Occupants in Frontal Crashes[R].NHTSA，2011：09-0555.

[2]BRAVER E R，MCCARTT A T，SCERBO M.Front Airbag Non-deployments in Frontal Crashes Fatal to Drivers or Right-Front Passengers[C].SCI Paper，2010：178-187.

[3]唐国强，朱西产.汽车安全气囊点火算法的研究[J].公路与汽运，2009（2）.

[4]Federal Safety Standards.FMVSS208：Occupant Crash Protection[S].2010：28-43.

[5]E.C.E.ECE R94：Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with Regard to the Protection of the Occupants[s].1999（2）.

[6]GB11511.乘用车正面碰撞的乘员保护[S].全国汽车标准化技术委员会，2003.

[7]BREEDD5.A Smart Air bag System： United States，5282134[P].1991.8.19[1994.11.25].

作者简介：黄骏（1990―），安徽芜湖人，合肥工业大学机械与汽车工程学院硕士研究生在读，主要研究方向：汽车安全气囊。