有限元法在安全气囊控制器开发中的应用

2017-08-20 06:19魏敏扶原放赵森张志鹏肖庆华申森
汽车工程师 2017年11期
关键词:气囊标定整车

魏敏扶原放赵森张志鹏肖庆华申森

(1.长安汽车北京研究院;2.博世汽车部件(苏州)有限公司)

在碰撞事故中,安全气囊控制器(气囊ECU)能准确判断出碰撞强度如何,并能准确控制气囊及安全带的点爆[1]。通常,一个项目在安全气囊控制器的开发上需要投入近20余辆样车,进行数据采集和数据验证2轮共40余次整车碰撞试验,开发成本高且周期长,是汽车开发过程中耗资耗时最大的验证领域之一[2]。某公司进一步开发出了电动车安全气囊控制器的切断高压电输出功能,针对以上问题,文章以该纯电动升级车型为研究对象,提出基于经验的有限元法替代标定部分试验的气囊ECU开发方法。

1 纯电动车碰撞安全开发特点

不同于传统汽油车,纯电动车的升级车型往往需要更改电池包以提升续驶里程,整车整备质量的大幅增加,以及车身地板和中通道结构的变化,直接影响安全气囊点爆和切断高压电的功能。

传统安全气囊控制器开发模式为:19项ECU数据采集试验→气囊ECU软件标定→19项ECU验证试验。按传统开发模式应重新标定气囊ECU软件,会产生以下问题:1)整个标定周期140天,开发周期超出项目的开发节点(80天);2)数据采集和数据验证2轮整车试验,每一轮需进行19项整车碰撞试验,2轮试验费用约180万元;3)每一轮需用11辆碰撞试验工装车,2轮试验车总价约1 100万元。

应用有限元法对纯电动车安全气囊控制器标定试验工况进行模拟,可以节省开发时间,大幅降低开发成本。以某纯电动升级车型为研究对象,建立整车有限元分析模型,应用LS-DYNA软件进行整车碰撞模拟和安全气囊控制器信号对比分析工作。

2 模拟分析代替试验的信号标定

应用以模拟分析代替试验进行安全气囊控制器信号标定的方法,需要原车型的试验结果、原车型的模拟对标结果及升级车型的模拟结果3个要素,具体实施分为5个步骤。

2.1 原车型19项整车碰撞试验工况的模拟(步骤1)

完全按照试验工况建立有限元模型,为了保证模拟精度,需要按照建模标准和规范建立完整的整车模型[3],如图1所示,只有不影响模拟结果的地毯及内饰板等部分零部件可以省略。在各分总成中设定若干质量点补偿省略的零部件质量,调整整车模型质量和质心位置使之与试验车相同。完全按照试验工况进行整车碰撞模拟分析,如图2所示,设定输出安全气囊控制器及侧碰传感器处的加速度采集信号。

图1 某纯电动车整车碰撞有限元模型

图2 某纯电动车原车型碰撞工况(部分)有限元模拟

2.2 原车型安全气囊控制器加速度信号模拟结果与试验结果对标(步骤2)

将原车型安全气囊控制器加速度信号模拟结果与试验结果精确对标,如图3所示,确保原车型模拟结果合理可信。要求模拟计算的加速度曲线与试验结果高度拟合,尤其是碰撞前期,加速度曲线特征代表着碰撞过程中发生的气囊点爆“事件”[4]。

图3 某纯电动车原车型安全气囊控制器加速度信号对标结果

2.3 升级车型19项整车碰撞试验工况模拟(步骤3)

建立升级车型整车有限元模型,计算输出安全气囊控制器及侧碰传感器的加速度信号,与原车型相对应的模拟结果进行对比,如图4所示。

图4 某纯电动车安全气囊控制器加速度信号模拟结果对比

2.4 安全气囊不能正常工作的风险项筛选(步骤4)

2.4.1 车体结构的变化情况

升级车型的前后及侧面碰撞吸能区的结构是否有较大变化、整车整备质量是否有较大变化、车身地板和中通道结构是否有较大变化,这些车体结构上的变化都有可能影响到气囊控制器正常发出点火信号,本例即是因后2项发生较大变化,需要做信号的详细对比评估。

2.4.2 升级车型模拟分析与原车型试验信号对比

首先,将升级车型的模拟结果与原车型信号在时域上进行初步对比,如图5所示,分析车体结构改变造成对应信号差异的原因。然后,在积分域上再次进行分析对比,用原车型的标定结果模拟升级车型的模拟信号,再对整个模拟结果进行分析,筛选出气囊应点爆/不点爆的安全余量以及点火时刻都发生较大变化的工况,如果这些变化超过了可接受的范围,那么这些工况就是较高风险工况,需要进行试验验证。

图5 安全气囊某误点爆高风险项的时域信号对比

风险项严重程度由高到低依次是:1)不点爆工况出现误爆;2)点爆工况出现不点爆;3)点爆工况的点火时间出现点火提前或延后。

在实际应用中,气囊点爆控制算法有加速度峰值法、加速度坡度法、比功率法及移动窗算法等。其中移动窗算法采用一定的窗宽度,对窗内的加速度信号进行积分,移动窗算法具有对碰撞判断精准及抗干扰能力强等优点[5-6],公式为:

式中:S(t,ω)——加速度信号积分结果;

t——积分当前时刻,s;

ω——移动窗宽度,ω<0.03 s;

a(t)——加速度,m/s2。

图6示出安全气囊点爆门限阀值确定示意图。当加速度信号在积分阈上超过设定的阈值线(不同车型有不同的阈值线)时,相应的气囊会被点爆。不同的点爆/不点爆工况的加速度曲线非常复杂,需要引入一个重要的参数:能量变化量[7],进一步将需点爆/不点爆的各工况信号逐一辨识出来,计算公式为:

式中:ΔE——能量变化量,J;

m——试验车质量,kg;

v0——初始速度,m/s。

图6 安全气囊点爆门限阀值确定示意图

在积分域对升级车型不点爆工况模拟结果进行判断,如图7所示,曲线接近点爆门限,存在误点爆风险,需进行试验验证。

图7 安全气囊某误点爆高风险项的积分域信号对比

2.5 较高风险项的验证试验(步骤5)

对步骤4中分析筛选出的风险较高的项目进行验证试验。将升级车型的验证试验信号、模拟信号以及原车型的试验信号进行对比,用原车型的标定结果模拟升级车型的验证试验信号。如果模拟结果在安全范围则无需重新标定;如果模拟结果中有工况超出安全范围,则必须重新标定和再次验证试验。

3 模拟分析代替试验方法的实施效果

图8示出模拟分析代替试验的安全气囊控制器开发模式。在数字样车阶段即可进行充分的模拟分析,可以缩短标定周期,减少物理样车的使用和整车试验项目,降低开发成本。

图8 模拟分析代替试验的安全气囊控制器开发模式

在有效保证产品性能的前提下,整车试验和信号标定的项目由20项减少到6项,开发周期由140天缩短为70天,满足项目开发进度要求;2轮碰撞试验项目由38项减少到12项,可节省试验费用124.8万元;2轮碰撞试验工装样车由22辆减少到4辆,估计可节省样车费用900万元。

综上,整车开发周期节省了70天,费用节省了约1024.8万元,再次证明了CAE工具方法的意义和价值。

4 结论

在纯电动车升级车型的碰撞性能开发中,文章利用基于经验的精确模拟仿真技术,应用模拟分析代替试验方法,大量节省了项目开发时间和开发成本,一定程度上改变了传统开发模式,初步建立了安全气囊控制器“黑盒子件”的开发能力。通过先期策略规划,辅之以较高的模拟技术水平,有助于整车厂实现向主动开发角色的转变。以模拟分析代替试验进行安全气囊控制器标定的方法仍需不断地发展完善,将来的目标是此方法可以推广到其他全新开发的车型上,由模拟分析完全或大部分替代样车试验,进一步缩短开发周期,降低开发成本。

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