正面碰撞安全气囊点火时刻的研究

田钰楠,郝琪,毛怡,刘宇

(湖北汽车工业学院 汽车工程学院,湖北十堰 442002)

汽车发生碰撞时,安全气囊是保护乘员安全的重要装置,其点火时刻的选择是影响乘员损伤的重要因素。点火过早安全气囊展开后由于泄气孔的存在,导致乘员接触安全气囊时安全气囊的刚度减小,乘员穿过安全气囊与方向盘及汽车内饰发生硬性碰撞。点火时刻过晚会导致安全气囊在还未完全展开之前与乘员接触,气囊与乘员的碰撞速度大于乘员初速度,安全气囊由爆炸气体产生的冲击力造成乘员的二次伤害。因此,选取最佳的点火时刻对乘员的保护有着重要的意义。

在乘员约束系统的开发阶段需要进行大量的安全气囊匹配试验,利用有限元法进行仿真计算是最有效的研究方法之一。文献[1-2]中确定安全气囊点火时刻的是在一定时间范围内通过仿真模型计算出最佳点火时刻;该方法计算时间过长,点火时间初始值的选取方法依赖于经验。文献[3-5]中利用MATLAB基于反向传播(BP)神经网络建立气囊点火控制算法模型,预测安全气囊的最佳点火时刻。本文提出了一种快速确定气囊点火时刻的计算公式,通过车体最大压缩量、重叠吸能效率和胸部位移等碰撞特性参数确定安全气囊的点火时刻,并利用仿真模型验证了计算公式的可靠性。

1 气囊点火时刻的计算

气囊必须在正确的点火时刻启动,使安全带到达其吸能极限时继续为乘员提供约束,最佳的气囊起爆时间应保证乘员在气囊刚好展开到最大时的一瞬间与之接触。国际上普遍采用T5in-30 ms原则[6-7]确定安全气囊的点火时刻,即将乘员胸部向前移动5in(127 mm)所需时间减去安全气囊展开所需要的30 ms做为气囊目标点火时刻。气囊点火时刻TTF公式为

TTTF=T5in-30 ms

(1)

由于5in是平均估计值,用乘员与约束系统接触的时间tc代替乘员胸部向前移动5in所需要的时间T5in[7],当乘员加速度达到安全带限力器所产生的胸部加速度时,乘员胸部与气囊接触的时间tc表达式为

(2)

式中:D1为安全气囊与胸部接触时胸部的位移,即乘员与方向盘之间距离减去气囊厚度,m;ESW和ESWO分别为车体与乘员的等效方波加速度幅值,g。

在没有进行乘员约束系统匹配前,仅能获得实车碰撞仿真结果,即可得到整车压溃量、车辆加速度曲线及其等效方波。

(3)

式中:vo为碰撞初速度,m/s;C为车体最大压缩量,m。

为获取ESWO,利用能量分析法,将乘员碰撞时的动能分解为被约束系统吸收能量和通过车体压缩变形所吸收的乘员动能,公式为

(4)

(5)

重叠吸能量与乘员初始能量的比值为重叠吸能效率Rrd。根据四星、五星级NCAP试验数据库计算出重叠吸能效率Rrd的临界值为53%[7]。为充分利用重叠吸能量,取Rrd=0.53,最佳重叠吸能密度的公式如下:

(6)

(7)

结合式(1)～式(6),点火时刻TTF的公式为

(8)

由公式(8)知,点火时刻与3个参数相关,即车体最大压缩量C、安全气囊与胸部接触时胸部的位移D1和碰撞速度vo。

该公式的提出,可以在仅有整车碰撞实验或仿真结果的条件下,借助乘员理想位移(12in),直接利用整车碰撞压缩量,初步快速的匹配该车的安全气囊点火时刻。

2 实例验证

以某小型纯电动汽车50 km/h正面碰撞为例,利用公式(8)计算点火时刻并与仿真的理想点火时刻进行验证。小型纯电动汽车的整备质量为942 kg,轮距为1 830 mm,轴距为1 300 mm,车身长约2 760 mm最小离地间隙为140 mm,如图1所示。

图1 纯电动汽车视图

2.1 理论点火时刻

该车乘员与方向盘的距离约为375 mm,气囊厚度约为265 mm,气囊完全展开所需的时间约为30 ms,基本符合T5in-30 ms原则条件。安全气囊与胸部接触时胸部的位移D1=0.11 m,试验测得车体最大压缩量C=0.368 m,将数据代入公式(8)中得到安全气囊点火时刻TTTF=13 ms。

2.2 仿真确定安全气囊理想点火时刻

2.2.1 约束系统建模

1) 安全气囊模型

驾驶员安全气囊由上下两片圆形织物材料缝合而成,内部有排气孔和拉带。本模型气囊直径660 mm,排气孔直径30 mm,拉带长度280 mm,均对称分布。气囊预先设定折叠线位置,采用平均单元尺寸5 mm×5 mm的四边形网格划分气囊表面,单元算法采用膜单元算法,沿厚度方向上的积分点为5,上下表面间距0.5 mm,四周由网格节点连接。

气囊织物材料是非正交的各向异性材料[8],织物以经纬按照一定角度编织,经纬线的夹角在大变形过程中会发生改变,从而导致力学性能发生改变。有限元软件LS-DYNA用MAT 34号材料来模拟气囊织物,安全气囊的材料基本性能见表1。气囊拉带用1D弹簧单元模拟,安全气囊有限元模型如图2所示。

表1 安全气囊的材料性能参数

图2 安全气囊有限元模型

气囊自接触使用DYNA中气囊专用卡片*CONTACT-AIRBAG-SINGLE-SURFACE,能更准确地处理翘曲单元和边对边的接触。为了避免在自接触中产生不稳定的振荡,模拟气囊的真实展开情况,阻尼系数为10。气囊织物与模型的其他部件接触,使用面面接触* CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE。

在仿真计算中为修正扭曲单元的形状,使气囊最终展开成准确的几何形状,需保存气囊平铺的初始单元位置信息。气囊参考几何的设置通过关键字*AIRBAG_REFERENCE_GEOMETRY_RDT定义。

气囊的折叠利用LS-PrePost软件中的ABFold模块,采取左右对称式层状折叠,上下卷绕折叠的方式,折叠间距为1 mm,折叠后的气囊如图3所示。对气囊自由松弛仿真分析得到气囊内能约为29 J小于行业规定50 J,满足气囊稳定性要求。气囊内能时间曲线如图4所示。

图3 安全气囊折叠类型

图4 气囊松弛的内能曲线

气囊的充气采用*AIRBAG_WANG_NEFSKE均匀压力法模拟[9],同时卡片调用排气孔ID号模拟排气孔泄气。为保证气囊快速冲开方向盘盖板的约束并且在30 ms左右完全展开结束充气过程,充气气体质量流曲线呈现抛物线趋势,质量流曲线如图5所示。

图5 质量流曲线

气囊展开后表面积相较于未折叠的气囊表面积仅增加0.68%,图6为安全气囊体积时间曲线。

图6 气囊体积曲线

由图6知,在30 ms左右安全气囊体积最大且稳定,30 ms之后气囊逐渐泄气,该气囊完全展开所需时间为30 ms,满足T5in-30 ms气囊条件。

2) 驾驶室约束系统模型

根据车辆驾驶室的位置参数建立简易的仿真模型如图7,包括假人、座椅、转向系统、地板等。该车已完成整车碰撞仿真与试验[10],输入实车碰撞试验的B柱加速度曲线,如图8所示。

图7 驾驶室约束系统模型

图8 B柱加速度曲线

2.2.2 仿真模型验证

1) 评价指标

乘员损伤值是评价乘员约束系统性能的重要指标,损伤指标涉及到假人的头部、胸部、腿部等多个部分。研究采用加权伤害准则WIC作为对安全气囊保护效果的评价指标,WIC的表达式[11-12]为

(9)

式中:HIC为头部伤害指数,不大于1 000;C3ms为胸部3 ms合成加速度值,小于60 g;D为胸部压缩量,不大于75 mm;FFL为左大腿轴向压力,kN;FFR为右大腿轴向压力,kN,大腿总的轴向压力F不大于20 kN。各伤害指标进行归一化处理,按不同权重建立加权伤害评价指标WIC。WIC越低,对假人损伤越小。在以点火时刻为变量的乘员伤害仿真中,最佳安全气囊的点火时刻应使得假人的的WIC值最低。

2) 计算结果

以乘员损伤WIC为评价指标,安全气囊点火时刻为设计变量,为确定设计变量的范围,以假人与方向盘发生硬性碰撞和假人头部HIC<1 000为边界条件,得到安全气囊点火时刻有效范围为5～25 ms。以1 ms为变化量,共进行21组仿真试验计算,得到点火时刻为5～25 ms的乘员损伤各项参数的变化,如图9所示。

图9 点火时刻对乘员损伤的影响

由图9知,曲线均呈现不规则波动式增长,在5 ms和20 ms左右波动较为明显,10～15 ms时处于较为稳定的状态,15 ms以后WIC急速上升。由图9a)知,在10～15 ms时刻头部HIC值处于较低的稳定状态,对头部伤害较小。图9b)和图9c)为胸部损伤的变化,靠近点火时刻的边界值胸部损伤波动较大且胸部压缩量不符合要求。

点火时刻靠近5 ms时,点火时刻过早导致气囊在未与假人接触时发生泄气,气囊刚度减小容易使头部穿过气囊的保护与方向盘发生硬性碰撞,假人处于硬性碰撞限值边界,导致曲线的不稳定性。当点火时刻为15 ms以后,WIC值急速上升且波动明显,此时点火时刻已经过晚,使气囊在还未完全展开时就与假人发生碰撞,气囊展开时的冲击力对假人造成二次伤害。图9d)中WIC在10～15 ms时刻处于稳定低值。

综上所述,约束系统仿真模型中得到假人伤害值处于稳定最低值的最佳的点火时刻为10～15 ms且乘员损伤均满足要求,由点火时刻公式计算所得的点火时刻为13 ms位于仿真值范围内,由此验证了点火时刻计算公式的可靠性。

3 结论

1) 在T5in-30 ms原则的基础上,推导出安全气囊点火时刻的计算公式,通过碰撞试验中车体最大压缩量C、安全气囊与胸部接触时胸部的位移D1和碰撞速度vo这3个参数可以计算出安全气囊点火时刻。

2) 通过对驾驶员约束系统模型的仿真计算,得到安全气囊点火时刻对假人头部、胸部及WIC损伤的影响趋势呈现不稳定增长趋势,验证安全气囊点火时刻公式的准确性并且均满足要求。

3) 通过安全气囊点火时刻的计算公式,可以仅通过整车的碰撞试验(不含假人及约束系统)或仿真结果,利用理想胸部位移,初步确定准确的点火时刻,有效提高乘员约束系统仿真效率,缩短研发周期。