气囊匹配优化设计方法

董丹丹，江楷涛，张宇明，蔡庆荣，陆百迅，邱荣英

(泛亚汽车技术中心有限公司前期车辆开发及整车集成部,上海 201201)



气囊匹配优化设计方法

董丹丹，江楷涛，张宇明，蔡庆荣，陆百迅，邱荣英

(泛亚汽车技术中心有限公司前期车辆开发及整车集成部,上海 201201)

鉴于以往的气囊设计通常用反复实验来验证设计合理性，造成时间和资源的极大浪费,本文中将安全气囊及其周边环境作为一个研究整体，以有限元仿真评估安全气囊点爆环境的状态。通过引入安全气囊及其周边环境中的撕裂线形式、气囊门盖材料、气囊展开方向与风窗玻璃夹角和气囊与风窗玻璃垂直距离等设计参数，用正交实验优化气囊设计方案的稳健性。仿真结果和实车点爆实验验证了所提出的优化方案的有效性。

气囊；正交实验；优化设计；仿真分析

前言

安全气囊展开过程时间短、冲击力大，一旦发生问题，后果极其严重。例如，气囊自身和周边零件会在打开的过程中飞出，打碎风窗玻璃或伤害乘员；乘员安全气囊(PAB)也有可能被破碎的玻璃割破，泄气过快，使其失去保护作用(图1)。

图1 气囊静态点爆失效形式

气囊设计过程中，气体发生器和气囊织物本身无疑是十分重要的。据报道，2014年的国内市场汽车召回案例中，因安全气囊和气体发生器等问题实施召回的案宗达到22次左右，车型28款。安全气囊问题越来越成为威胁消费者生命财产安全的关键因素。在这样的背景下，选择一个成熟稳定的气囊设计并将其合理配置到新的车型当中很重要。

由于界面复杂、大变形和爆破冲击等特点，在气囊集成设计过程中通常采用反复实验的方式来验证设计的合理性和对设计进行性能改进，这种方法对于设计者的时间和资源都是很大的挑战。而且由于气囊点爆的特点，在实验过程中通常只能取得一些影像信息，这使设计者对改进效果和影响因素等的研究变得很困难。

近年来，国内外学者对于气囊仿真方法进行了一系列的研究，颇具成果。较有代表性的有：控制体积法(CV法)，流固耦合法(ALE法)和粒子法(CPM法)。文献[1]中在2007年提出粒子法(CPM法)，该方法基于气体分子运动理论，将气体作粒子离散化处理，能比较准确地模拟气体流动和织物泄漏的过程，具有相当的理论优势，在离位状态乘员安全(OOP)[2]和气囊静态点爆等关注气囊初始展开过程的仿真分析中应用逐渐广泛。但由于CPM数值仿真的系统性应用尚处于起步阶段，目前该方法的应用还集中在对比分析[3-4]和设计概念的验证和改进方面[5]，尚未有对于气囊性能影响因素研究方面的应用成果面世。

本文中针对紧凑型车，系统性地应用数值仿真的方法，首次将正交实验和优化设计的方法应用在安全气囊静态点爆性能的评估方面，通过对其布置方式和局部的仪表板结构等参数设计，使安全气囊与周边环境达到很好的匹配,避免气囊静态展开过程中出现失效问题，增加气囊点爆性能的稳健性，使乘员获得有效的保护。

1 安全气囊数值仿真优化设计方法

选择气囊静态展开实验作为研究对象。气囊静态展开实验是按照气囊在实车的安装状态下，在环境箱内点爆气囊[6]，这是目前大多数整车厂对于安全气囊性能控制的常规手段。本文中应用CPM算法和LS-DYNA软件进行气囊静态点爆仿真分析，以此工况为基础进行进一步研究。

1.1 模型组成

安全气囊数值仿真模拟气囊从点爆瞬间到完全展开的全过程，其模型由安全气囊和周边环境组成，其中包含气袋、气体发生器、气囊壳体与门盖、仪表板、仪表板横梁和风窗玻璃等(图2)。

图2 安全气囊数值仿真模型爆炸图

1.2 基于CPM方法理论数值仿真

CPM方法通过对气体粒子建模来模拟带有柔性边界的封闭体积膨胀问题。针对气囊的基本单位粒子，基于分子运动理论，通过粒子与粒子和粒子与织物之间的碰撞，在气室内部和表面产生不均匀的压力，推动气囊展开。气体的静压力是分子平动动能的直接函数，即

(1)

(2)

对于绝热膨胀过程有：

(3)

式中：Cp和CV分别为气体的定压比热和定容比热。

不同气体组分的质量流量和粒子质量不同，在喷射过程中速度不同，因此动能各异。CPM方法通过综合所有组分气体的动能，求得气室的体积和每个位置上的压力。

对于经常出现失效的气囊门盖和风窗玻璃，在LS-DYNA有限元模型的建模过程中根据其材料特性的不同选择不同的材料本构,对于气囊门盖，采用分段线性弹塑性材料卡片MAT24：*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY，卡片中所需要的材料参数通过材料的高速拉伸实验获得。对于风窗玻璃，使用多层壳单元模型：*INTEGRATION_SHELL和针对PVB夹层玻璃的MAT32：*MAT_LAMINATED_GLASS，所采用的夹层玻璃材料参数如下：(1)外层玻璃：E=73900MPa，屈服应力为22MPa[7]；(2)PVB夹层：E=25MPa，屈服应力为20.5MPa。

1.3 气囊静态展开性能要求和目标

对于一个成熟的气囊设计，气囊本身的故障可被排除，气囊系统展开最常见的失效形式为气囊门盖破坏和风窗玻璃碎裂等。

1.3.1 气囊门盖工程指标

气囊门盖作为直接与气囊接触的零件，需要在保证按照设计情况顺利打开的同时承受巨大的冲击力。所研究的气囊门盖使用的是在紧凑型车中较为常见的与仪表板一体的设计概念，其中上层是改性塑料的仪表板表面，下层为韧性较好的聚烯烃热塑性弹性体材料(TPO)的气囊引导槽，二者通过振动摩擦焊连接在一起。

在仿真结果中，通过门盖铰链的塑性应变与门盖材料的断裂延伸率相比较来判断门盖是否断裂。如果前者大于后者，说明门盖铰链断裂，门盖会飞出。然而，不同材料的断裂延伸率不同，因此直接以门盖铰链是否断裂作为工程指标会是一个非连续性的指标，不利于优化。因此，本文中将气囊门盖最大塑性应变与门盖材料的断裂延伸率的比值，即门盖断裂性能工程指标R1作为安全气囊性能指标之一。

1.3.2 风窗玻璃工程指标

当今汽车风窗玻璃主要为以聚乙烯醇缩丁醛(PVB)材料作为中间夹层，普通钠钙玻璃为内外两层所组成的夹层玻璃[8]。已有研究结果表明[9]：在加载初期，PVB夹层玻璃的力学行为主要是由内外层玻璃决定，且其应力应变关系为线弹性；当外载荷逐渐增大至玻璃出现碎裂失效后，PVB薄膜才开始承受载荷。

气囊静态展开过程中，只要风窗玻璃受气囊冲击作用出现碎裂，即可认为实验失效，因此以夹层玻璃材料的线弹性阶段为主要的研究对象，只要应力结果超过材料的屈服应力，就认为性能不满足要求。为在优化过程中与门盖断裂性能工程指标量级一致，将其最大应力与玻璃材料的屈服应力的比值，即风窗玻璃碎裂性能工程指标R2作为安全气囊性能的另一指标。

1.3.3 气囊展开性能目标值

在材料获得和转换过程中，为保证分析结果的稳健性，对于材料的各参数都保留了一定的安全余量，因此R1与R2的设计目标值均为≤1。

2 优化过程与结果

2.1 优化设计流程

优化设计流程见图3。

图3 优化设计流程

对性能相关的影响因素进行筛选，选择影响最为直接的几个因素作为控制因子，并对其进行调研，从而确定每个控制因子的变化范围和水平。噪声因子通常为客观存在的对性能情况存在影响的不可控因素，在优化中考虑噪声因子，目的是提升设计方案的稳健性。根据控制因子和水平，进行实验设计，选择合适的正交列表。依照正交列表，建立一组仿真分析模型进行分析并对结果进行提取。获得分析结果列表后，进行稳健性评估和均值的计算，并选择最优的设计方案。

2.2 控制变量的设计

影响气囊静态展开性能的因素很多，例如文献[10]中提到的气囊子系统结构参数(气囊展开角度和与风窗玻璃的距离)、气囊的折叠方式、气囊支架与仪表板连接支架刚度、气囊装饰盖撕裂线形式与强度、仪表板固定点强度和静态展开飞溅物等。

然而对于一个成熟的气囊设计，气囊的折叠方式、气囊支架和仪表板连接支架刚度都会沿用已有的设计概念不做修改。对于大多数的紧凑型车，如桑塔纳、凯越、朗逸、科鲁兹和速腾等，仪表板表面并没有发泡和表皮的包覆，因此最有可能出现的静态展开飞溅物为气囊门盖。气囊门盖的设计包含材料、连接方式和设计概念等方面，其中连接方式和设计概念的改变都会对造型面产生影响。然而对于一个车型来说，仪表板的造型面设计通常由市场和设计师来决定，工程开发过程中多数通过改变材料和背面结构来平衡设计师的意图和性能要求。本文中通过对气囊门盖材料的选择来控制此项影响因素。

据此选择4个主要的结构参数作为研究对象：

(1) 撕裂线的形式T；

(2) 气囊门盖的材料M；

(3) 风窗玻璃与气囊展开方向的夹角θ(图4)；

图4 风窗玻璃与气囊展开方向的夹角

(4) 风窗玻璃与气囊的垂直距离d(图5)。

图5 风窗玻璃与气囊的垂直距离

2.3 控制因子和噪声

本文中调研了市场占有率较高的紧凑型车，如朗逸、凯越和科鲁兹等，获得了各控制因子的变化范围。

撕裂线的形式如图6所示，最常见的为朗逸、速腾和凯越等所使用的U形门盖，而H形门盖也被其它车型广泛采用，如赛欧等。为保证气囊门盖展开过程中远离风窗玻璃，在U形门盖和H形门盖之间可延伸出上下门盖宽度比例非均匀的H形门盖。但需要注意的是，由于门盖本体需要与仪表板焊接在一起，为保证焊接强度，非均匀H形门盖的上下门盖宽度比例关系最大为6/4。

图6 撕裂线的形式

通过对气囊门盖材料的市场调研，发现门盖通常选用高韧性的TPO材料。目前市场常见的TPO材料为：高性能进口材料(断裂极限150%)，低成本国产材料(断裂极限40%)和对国产材料进行改进后的材料(断裂极限100%)。

对紧凑型车来说，风窗玻璃与气囊相对位置关系的变化并不剧烈，因此可以判断控制因子θ的变化范围为37°～51.4°，d的变化范围为172～208mm，如表1所示。

表1 常见紧凑车风窗玻璃和气囊相对位置参数

在制造过程中，零件的厚度必然有一定偏差。从仪表板供应商处得知，对于气囊性能影响最为关键的气囊门盖厚度的偏差为(2.5±0.1)mm。

2.4 实验设计

为能够反映出各控制因子在变化过程中的非线性特性，每个控制因子均选择3个水平，如表2所示。

表2 控制因子与水平

注：M1为低成本国产材料(断裂极限40%)；M2为改进后低成本国产材料(断裂极限100%)；M3为高成本进口材料(断裂极限150%)。

根据控制因子和对应水平数，应用实验设计选择了L9(34)的正交列表建立一系列安全气囊仿真分析模型，并进行计算，获得的结果如表3和表4所示。

表3 目标值R1对应的正交列表和结果

通过对各控制因子进行均值和信噪比的分析，如图7和图8所示，可得到各控制因子的灵敏度和稳健性，从中选出最优设计方案。

表4 目标值R2对应的正交列表和结果

图7 R1的均值和信噪比点图

图8 R2的均值和信噪比点图

(1)T控制因子 撕裂线形式对于门盖断裂性能和风窗玻璃碎裂性能的影响均呈现非线性的特点。其中U型门盖在打开过程中门盖断裂的风险低于H型门盖，但前者稳健性低于5/5的H型门盖；而针对风窗玻璃碎裂的情况，从分析结果看，3个门盖设计均没有直接撞击到风窗玻璃，因此风窗玻璃碎裂的风险和性能的稳健性区别较小。从门盖铰链断裂性能的稳健性角度看，T控制因子中，H型门盖设计较优。

(2)M控制因子 门盖材料对于门盖断裂性能的影响较大，而对风窗玻璃碎裂性能的影响较小。可见门盖材料韧性越强，门盖断裂的风险越小。从信噪比的结果看，国产改进的TPO材料对于门盖断裂性能和风窗玻璃碎裂性能的稳健性均为最高，是三者中最优的选择。

(3)θ控制因子 气囊与风窗玻璃的角度对气囊门盖的断裂性能影响不大，而对于风窗玻璃来讲，角度越小，风窗玻璃的碎裂风险越低。37°为最优选择。

(4)d控制因子 气囊与风窗玻璃的距离对门盖和风窗玻璃碎裂的影响均较小。通过对数值的研究发现，这主要原因是由于紧凑型车风窗玻璃与气囊的距离变化幅度较小和气囊对风窗玻璃的冲击载荷变化不大。从信噪比的结果来看，175mm的距离最优。

从以上分析结果看出，最优的方案选择为：T2M2θ1d1，即5/5的H型门盖，国产改进的TPO材料，气囊与风窗玻璃的角度为37°，距离为175mm。

3 仿真和实验验证

根据优化结果，将最优方案的设计参数应用到气囊静态点爆的CAE模型中，仿真结果如图9和图10所示。气囊展开过程中，门盖未出现断裂飞出，最大的塑形应变出现在门盖的铰链处，最大应变为95.3%，对应性能工程指标R1为0.953；风窗玻璃最大应力为21.5MPa，对应性能工程指标R2为0.977；R1和R2均满足目标要求。

图9 门盖铰链的应变云图

图10 风窗玻璃的应力云图

在实车设计过程中采用获得的最优设计方案，分别进行气囊静态点爆实验和整车碰撞实验，结果如图11和图12所示，气囊能稳健地展开，不会出现飞溅物，也不会打碎风窗玻璃。

图11 气囊静态点爆实验结果

图12 整车碰撞实验结果

4 结论

正交实验和优化设计的方法能够被成功应用于气囊设计过程中。此方法扩展了安全气囊仿真分析的使用领域，能够对气囊性能影响最为关键的参数进行趋势性研究，获得最优的设计概念，对未来的类似设计具有一定的指导意义。该方法在不改变气囊本身的条件下，对影响气囊性能的各项周边环境参数进行调整，使气囊与周边零件获得合适的匹配关系，保证了气囊点爆的稳健性，为各车型的气囊设计提供了新的解决思路，极大减少了实验费用和时间，提升了安全性。

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The Matching and Optimization Design Method of Airbag

Dong Dandan, Jiang Kaitao, Zhang Yuming, Cai Qingrong, Lu Baixun & Qiu Rongying

AdvancedVehicleDevelopmentandVehicleIntegrationDepartment,PanAsiaTechnicalAutomotiveCenterCo.,Ltd.,Shanghai201201

In view of that airbag design in the past usually use repeated experiments to verify the rationality of design, leading to extraordinary wastes of time and resources, safety airbag and its ambient environment are taken as an integral of study object in this paper, and the environment states of airbag ignition are evaluated by finite element simulation. Through introducing design parameters of safety airbag and its ambient environment, including tear line form, door material, the angle between airbag deploying direction and windscreen and the vertical distance between airbag and windscreen etc., the robustness of airbag design scheme is optimized by orthogonal experiment. The results of simulation and real vehicle airbag ignition test verify the effectiveness of optimization scheme proposed.

airbag; orthogonal experiment; optimization design; simulation analysis

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.003

董丹丹，工程师，E-mail:dandan_dong@patac.com.cn。

原稿收到日期为2016年1月21日。