【摘要】當(dāng)今汽車上普遍裝備了安全氣囊，然而點(diǎn)火算法的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)沒有達(dá)成共識。本文應(yīng)用LS-DYNA提供的拉格朗日-歐拉方法（ALE），通過空間和時(shí)間的顯式離散得到了車輛碰撞的有限元方程。進(jìn)行了有關(guān)的模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了車輛正面碰撞過程的模擬。利用方向拉桿變形量設(shè)定閾值作為點(diǎn)火控制參數(shù)，分析結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)車輛結(jié)構(gòu)自身被動安全保護(hù)的目的，這種新的汽車安全氣囊點(diǎn)火控制算法是有效的，但是需要進(jìn)行部分撞擊試驗(yàn)，進(jìn)一步修正模型后提高其分析精度。

【關(guān)鍵詞】安全氣囊;車輛;點(diǎn)火算法

1.引言

自從20世紀(jì)80年代在汽車上應(yīng)用以來，安全氣囊已經(jīng)挽救了無數(shù)乘員的生命，尤其是其與安全帶配合使用，可以使車輛在發(fā)生碰撞事故時(shí)前排乘員的死亡率降低61%[1]。但是，因?yàn)榘踩珰饽业腻e(cuò)誤展開導(dǎo)致乘員受傷乃至死亡的案例也越來越多。據(jù)NHTSA報(bào)道，在2001-2006年間，美國有大約1400位乘員因?yàn)榘踩珰饽业恼`點(diǎn)火死亡，這為安全氣囊的應(yīng)用前景蒙上了一層陰影[2]。本文應(yīng)用有限元軟件：HYPERMESH和求解器LS—DYNA，建立車輛的有限元正面碰撞模型，利用方向拉桿變形量設(shè)定閾值作為點(diǎn)火控制參數(shù)，確定安全氣囊的精確點(diǎn)火時(shí)刻，并討論正碰的建模方法，結(jié)合仿真數(shù)據(jù)，分析正碰建模方法的正確性，為安全氣囊的精確點(diǎn)爆提供了技術(shù)支持。

2.點(diǎn)火算法的理論依據(jù)

2.1 乘員損傷準(zhǔn)則

安全氣囊的點(diǎn)火閾值是依據(jù)碰撞中乘員所受的損傷程度來確定的。如果在某一碰撞條件下乘員的損傷程度達(dá)到法規(guī)規(guī)定的乘員損傷指標(biāo)，則該碰撞條件所確定的閾值為氣囊必須點(diǎn)火的閾值，因此了解乘員傷害的評價(jià)指標(biāo)是開發(fā)安全氣囊算法的首要任務(wù)。在安全氣囊碰撞試驗(yàn)中，不但需要評價(jià)乘員頭部的傷害指標(biāo)值，還要評價(jià)氣囊對乘員的面部胸部、頸部、下肢等部位的傷害情況[3]。表1是美國、歐洲以及中國正面碰撞準(zhǔn)則對乘員損傷標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，美國FMVSS208法規(guī)比較全面地確定了不同碰撞假人在各種碰撞形式下的試驗(yàn)要求和損傷指標(biāo)。

2.2 安全氣囊點(diǎn)火原理

當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，安全氣囊控制系統(tǒng)利用車上的各傳感器的信號迅速判斷出碰撞時(shí)的車速、碰撞強(qiáng)度等相關(guān)信息，然后再根據(jù)收到的信息和預(yù)先設(shè)定的閾值相比較，從而決定是否點(diǎn)爆安全氣囊以及何時(shí)點(diǎn)爆安全氣囊。

近年來，隨著智能型安全氣囊的提出，要求相應(yīng)的智能安全氣囊點(diǎn)火算法既要考慮汽車碰撞的嚴(yán)重程度這一點(diǎn)火條件，還要判斷汽車的碰撞形式和乘員的狀態(tài)等條件。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)介紹了汽車所有可能發(fā)生的碰撞形式。而汽車乘員的狀態(tài)主要包括乘員大小、乘員的離位狀態(tài)以及乘員佩戴安全帶狀態(tài)（見表1）。

2.3 安全氣囊點(diǎn)火時(shí)刻的確定

安全氣囊最佳點(diǎn)火時(shí)刻是發(fā)生在碰撞時(shí)到安全氣囊完全展開時(shí)乘員的頭部正面與氣囊相接觸時(shí)刻的前30ms。目前，國際上一般利用“127mm-30ms”準(zhǔn)則來確定安全氣囊的最佳點(diǎn)火時(shí)刻。其含義是：當(dāng)汽車剛開始發(fā)生碰撞時(shí)，乘員相對于車體向前移動127mm的時(shí)刻的前30ms時(shí)間點(diǎn)就稱為安全氣囊的最佳點(diǎn)火時(shí)刻。由此可知：安全氣囊的最佳點(diǎn)火時(shí)刻為乘員前移127mm這一時(shí)刻的前30ms。

安全氣囊的實(shí)際點(diǎn)爆時(shí)間點(diǎn)是指實(shí)際碰撞事故中氣囊點(diǎn)爆的時(shí)刻。在前排成年乘員正常坐姿和佩戴安全帶的狀態(tài)下，針對不同車型確定其點(diǎn)火條件的閾值，在實(shí)際撞車事故中，當(dāng)點(diǎn)火條件超過閾值時(shí)氣囊點(diǎn)爆。由于汽車碰撞事故的不確定性以及算法本身的缺陷，實(shí)際點(diǎn)火時(shí)刻與最佳點(diǎn)火時(shí)刻往往不會重合。因此，確保實(shí)際點(diǎn)火時(shí)刻與最佳點(diǎn)火時(shí)刻的一致性是目前智能安全氣囊控制算法設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。

現(xiàn)在絕大多數(shù)點(diǎn)火算法針對檢測到的加速度設(shè)定閾值，然而加速度變化曲線不是單調(diào)遞增的，所以本文提出利用方向拉桿長度方向形變量設(shè)定閾值，作為氣囊點(diǎn)爆參數(shù)，可以避免氣囊提前點(diǎn)爆。

3.整車正碰有限元模型的建立

車體建模是碰撞分析的第一步，整車有限元模型分為三部分：輪胎，懸架，車身;有限元模型的建立在前處理軟件Hyper Mesh中完成，并根據(jù)汽車真實(shí)結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的調(diào)整。

3.1 網(wǎng)格的劃分

以10mm為網(wǎng)格尺寸的標(biāo)準(zhǔn)，為保證求解速度，最小單元尺寸不能小于5mm，其他如翹曲度、長寬比、梯度、雅可比等參照汽車碰撞通用規(guī)范。

3.2 接觸處理

接觸處理包括：防止所有的初始滲透;防止邊對邊的滲透;用ANSYS軟件自動調(diào)整考慮材料厚度的材料穿透。

3.3 連接、約束處理

為了真實(shí)的模擬車身的實(shí)際連接關(guān)系，本項(xiàng)目除了用焊點(diǎn)模擬各部件的連接關(guān)系外，還使用了revolve joint、extra nodes等連接方式對整車零件間進(jìn)行連接。

發(fā)動機(jī)罩板是通過一個(gè)四連桿結(jié)構(gòu)和車身相連接，其中發(fā)動機(jī)罩板和輪胎罩板間通過一個(gè)有旋轉(zhuǎn)自由度的銷釘和四連桿相連，四連桿機(jī)構(gòu)中每個(gè)桿也是通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)銷釘連接運(yùn)動。

車門和立柱通過鉸鏈鉸接，其連接方式也是通過revolve joint來實(shí)現(xiàn)。

其余部件用DYNA軟件自帶的Hex單元模擬焊點(diǎn)，直徑5mm，并考慮碰撞嚴(yán)重區(qū)域的焊點(diǎn)實(shí)效問題;正確處理彈簧、螺栓、膠套、運(yùn)動副的連接關(guān)系。

3.4 單元公式的處理

為控制沙漏采用3個(gè)積分點(diǎn);若PART的厚度大于1.5mm，在厚度方向采用5積分。

3.5 材料的處理

使用實(shí)際材料的試驗(yàn)結(jié)果值;對于鋼，使用24號材料模式;考慮應(yīng)變率的影響，可恢復(fù)的泡沫使用83號材料模式;發(fā)動機(jī)等在碰撞過程中不變形物體采用20號剛體材料。

4.整車正碰的仿真計(jì)算及參數(shù)選擇

4.1 整車正碰仿真計(jì)算

本文采用FMVSS 208法規(guī)，汽車初始速度13.89m/s，終止時(shí)間：100ms。求解器為LS-DY—NA 971。在計(jì)算過程中為了避免部件間發(fā)生穿透，本文采用自動單面滑移接觸算法。

圖1 整車有限元模型

圖2 車身沖擊方向拉桿形變時(shí)間歷程曲線

圖3 車身沖擊加速度時(shí)間歷程曲線

4.2 安全氣囊點(diǎn)爆控制參數(shù)選擇

一種非常重要的參數(shù)是汽車方向拉桿的變化量，因?yàn)樗菃握{(diào)變化曲線，如圖2為碰撞過程中方向拉桿變化曲線。由于加速度曲線不是單調(diào)遞增的，如圖3為碰撞過程中車身沖擊加速度時(shí)間歷程曲線，設(shè)定的閾值在最佳點(diǎn)火時(shí)刻前就已達(dá)到，從而導(dǎo)致提前點(diǎn)爆或誤點(diǎn)爆。

然而，汽車方向拉桿的變化量也存在著一些問題。首先，方向拉桿變化量要求我們必須密切注視汽車的碰撞初速度v0;其次，在不同的碰撞初速度下，雖然相同的速度變化量△v，但參數(shù)△L變化是很顯著的。因此，我們要避免那些僅僅依靠汽車方向拉桿變化量而不依賴其他參數(shù)（見圖2、圖3）。

5.結(jié)論

利用方向拉桿變化量作為點(diǎn)火控制變量來建立安全氣囊的點(diǎn)火控制模型，通過模型的輸出來判定是否觸發(fā)氣囊，若滿足觸發(fā)條件，則預(yù)測什么時(shí)候觸發(fā)氣囊。與以往的安全氣囊點(diǎn)火控制算法相比，該算法能比較準(zhǔn)確地判定安全氣囊的最佳點(diǎn)火時(shí)刻。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明：該算法是可行的，有利于提高汽車的安全性能。

參考文獻(xiàn)

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

作者簡介：黃駿（1990—），安徽蕪湖人，合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生在讀，主要研究方向：汽車安全氣囊。