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针对某SUV车型安全气囊的试验和仿真改进

文档作者：刘适曹立波3 喻伟雄龚永坚2 文档来源： 1.湖南大学机械与运载工程学院2.金华职业技术学院		点击数：	更新时间： 2021年05月10日
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第2卷第5期
汽车工程学报
 Vol. No.5
2012年9月
 Chinese Journal of Automotive Engineering
 Sept.2012
针对某SUV车型安全气囊的试验和仿真改进
刘适1,曹立波3,喻伟雄,龚永坚2
(1.湖南大学机械与运载工程学院,湖南,长沙410082:
2.金华职业技术学院,浙江,金华321007)
摘要:提出了一种测试汽车安全气囊工作性能的头锤跌落静态起爆试验方法,利用该方法测试了某SUV的驾驶员侧
安全气囊的工作性能。建立了该安全气囊的CAE模型,基于验证后的模型,进行了正交仿真试验设计和计算,改进
了该安全气囊的气体发生器特性、气袋拉带、气袋直径、排气孔直径和位置。台车试验结果表明,改进后的假人头部
3ms合成加速度值降至约50gHC值也降低了35%
关键词:安全气囊;头锤跌落试验;结构改进
中图分类号:U463.32文献标志码:Ado:10.369issn.22095-14692012.05.04
 Test and Simulation Study on the Performance
 Improvement of SUV Airbag
 Liu Shi', Cao Libo', Yu Weixiong', Gong Yongjian
 (1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, China:
 2. Jinhua Vocational and Technical College, Jinhua, Zhejiang 321007. China)
 Abstract: The headform drop test method is proposed in this paper. The working performance of the driver
 side airbag of a production SUV was studied by the static airbag deployment test and the headform drop test.
 The CAE model of the airbag was developed. Based on this model, the orthogonal experimental design and
 computational simulation were conducted. The gas generator performance, the straps and the size of the airbag
 the diameter and position of the exhaust hole were optimized. The sled test results show that the peak value of
 the resultant acceleration on a dummy's head has dropped to 50g, and HIC value also decreases by 35%.
 Keywords: airbag: headform drop test: structural improvement
汽车发生碰撞事故且碰撞强度达到一定的阀撞能量,缓和乘员受到的冲击,减轻乘员伤害
值时,安全气囊系统被触发,在极短的时间内产安全气囊对乘员的保护效果取决于其性能参数是
生大量气体使气袋充气展开。当乘员头、胸部与否合理
气袋接触时,气袋应充气展开完毕并具有一定的
与安全气囊保护效果相关的参数主要包含:
支撑刚度,从而对乘员头、胸部位产生均匀分散气袋形状及容积、充气特性、折叠及展开方式、
的作用力,并通过气袋排气孔的节流阻尼吸收碰拉带布置、排气孔大小及位置等。目前,国内外
收稿日期:2012-05-26
基金项目:汽车车身先进设计制造国家重点实验室基金资助(734215002)
第5期
刘适等:针对某SUV车型安全气囊的试验和仿真改进
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已经对安全气囊的防护效果进行了大量的研究,中采用的成人标准头锤做自由落体运动,获得一
主要是通过气囊的静态起爆试验、台车试验和计定的速度后与起爆充气后的安全气囊的气袋相撞,
算机仿真相结合的方法来实现(2-51。然而,台车模拟在实际汽车或台车碰撞试验中乘员头部与安
试验成本高,周期长,缺乏碰撞试验室的企业无全气囊的相互作用情况,记录碰撞过程中头锤的
法开展研究工作。国内外安全气囊的静态起爆试加速度时间历程,分析并获得安全气囊对乘员头
验多为测试安全气囊充气特性的静态展开试验和部的保护效果。
测试气体发生器性能的压力容器试验。
该试验装置由试验头锤及其固定装置、电磁
本文针对某量产SUV在正面100%重叠率刚开关、光电传感器、含安全气囊模块的方向盘及其
性障碍壁碰撞中假人头部3ms合成加速度指标不固定装置和电测量系统等组成,如图1所示。光电
达标的实际情况,分析可能与安全气囊的性能欠传感器连接有继电器,作为引爆安全气囊模块的触
佳有关。为了尽快找到问题的原因,并对安全气发装置。试验头锤内部安装有加速度传感器。
囊进行合理改进,本文在利用安全气囊静态展开
固定点
试验测试出气囊充气性能的基础上,提出了一种
利用头锤跌落试验来测试汽车安全气囊工作性能
电磁开关
的试验方法。该试验方法可以方便地测试模拟真
试验头锤
实碰撞条件下假人头部与气囊的接触碰撞参数,
这是常规静态起爆试验所不具备的。同时,采用
光电传感器
该试验方法又可以克服完全依靠台车试验所存在
气囊模块
的上述缺点。本文将试验和仿真分析相结合,对
方向盘及其
安全气囊进行了改进,达到了较好的改进效果。
固定装置
1安全气囊静态起爆试验方法
图1头锤跌落试验示意图
本文采用了两种安全气囊静态起爆试验方法
对安全气囊的工作性能进行评测。一种方法是直
试验开始前,先将方向盘水平安装在专门设
接利用高速摄像记录安全气囊起爆的全过程,观计的方向盘固定装置上,试验头锤通过电磁开关
察其充气展开过程、展开时间、充气饱满度及泄固定在方向盘垂直上方,光电传感器安装在试验
气过程等。该方法试验操作很简单,从该试验可头锤和方向盘之间,位于方向盘上沿高度H2处,
以初步判断安全气囊的整体性能是否达到通常要而试验头锤位于光电传感器上方高度H1处。H1与
求的状况,但不能有效评价充气压力及其对乘员H2的大小需满足以下条件。
头部和胸部的支撑效果。当支撑效果不佳时,乘
(1)H1+H2=气囊完全展开的高度+头锤获
员头部和胸部仍然可能撞击到方向盘上,导致损得在实际碰撞试验中假人头部与展开的气囊接触
伤参数大大增加。
时刻的速度所需要的跌落高度
本文在采用上述方法进行试验时发现该SUV
(2)头锤从H2上止点到完全展开的气囊上
安全气囊充气不够饱满,可能存在驾驶员头部穿表面的时间=气囊完全起爆所需时间
透现象。为了进一步验证安全气囊的充气性能,
试验开始时,通过遥控电磁开关使试验头锤
本文提出了另一种静态起爆试验方法,即头锤跌开始自由下落。当试验头锤自由下落到光电传感
落静态起爆试验方法。该方法利用行人碰撞试验器所处位置时,光电传感器触发接通继电器从而
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第2卷
引爆安全气囊,继续下落的试验头锤与充满气的2原安全气囊工作性能试验
安全气囊发生碰撞,模拟实车或台车碰撞试验中
对该量产SUV驾驶员侧安全气囊进行静态起
假人头部与安全气囊的碰撞过程。利用试验头锤
爆试验,起爆过程如图2所示。试验结果表明,
中的加速度传感器和移动数据采集仪,即可获取
该安全气囊展开过程不理想,展开后气囊不饱
试验头锤与安全气囊碰撞的加速度时间历程曲线,满同时,安全气囊从点火到完全展开时间约为
用于分析安全气囊的工作性能。
45ms,展开时间过长。
30m
45m
图2原安全气囊静态起爆过程
对该安全气囊进行静态头锤跌落试验,获得
安全气囊静态头锤跌落试验测得的头锤Z向
安全气囊起爆后的压力特性。根据该SUV整车加速度曲线如图3中的实线所示,图中加速度峰
正面碰撞试验数据中驾驶员头部与安全气囊相撞值为30g,且峰值对应于一个突出的波峰,表明
时的速度和时间关系,安全气囊在触发点火约安全气囊起爆后较软,致使头锤压瘪气袋后与方
40ms后与驾驶员头部接触,此时驾驶员头部的相向盘相撞,安全气囊未能起到很好的缓冲吸能作
对速度约为29km/h,因此试验装置中的H1设定用,在正面碰撞时对驾驶员头部的保护效果不佳
为3.06m,H2设定为0.55m,使试验工况能较好
地模拟车辆正面碰撞时驾驶员头部与安全气囊相
3安全气囊结构改进
撞的过程
3.1安全气囊模型建立和验证
随着计算机仿真技术的发展,利用计算机仿
30
25
真安全气囊工作过程已成为研究安全气囊不可缺
20
少的手段。计算机仿真和试验相结合,可以帮助
15
10
提高试验质量,减少试验次数,节省试验时间和
5
费用
针对上述安全气囊,在 Hypermesh中按气囊
初始尺寸建立有限元模型,其基本形状为圆形,
02040608010012014
包括上、下两层织物,下层有排气孔,两层织物
时间t
中间有拉带。模型具体尺寸为气囊直径680mm,
图3头锤Z向加速度曲线
排气孔直径55mm,排气孔中心距气囊中心
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112mm。气囊上、下两层有限元模型采用求解稳
定性好的3节点三角形膜单元,考虑到气囊的折
叠和仿真运算时间,使用单元尺寸为15mm的直
角三角形单元:下层网格包括排气孔网格和支撑
网格。气袋的材料特性参数为:杨氏模量2.0E8Pa、
泊松比0.3、纤维密度0.2034、渗透因子0、厚度
0.3mm。拉带采用2节点无质量线性弹簧单元模拟。
图4为划分网格后的气囊有限元模型。
图6动态松他后的气囊模型
在 MADYMO求解器中,通过流体力学和有限
元结合的方法来模拟气囊的工作过程。采用流体
力学模型来计算气囊中的压力分布时,气囊的展
开过程描述得较精确,但模拟计算时间过长。因此,
本文采用均匀压力方法,即将气囊中的气体看作
理想气体,并假设其压力均匀(8。在接触时考虑
惯量、冲击和压力
气囊模型建立后,使用 MADYMO软件作为
求解器进行了气囊静态起爆和静态头锤跌落预模
图4气囊有限元模型
拟,根据气囊静态起爆和静态头锤跌落试验数据,
使用气囊折叠模块 MADYMO Folder对有限
调试好模型参数,保证了安全气囊基础模型的准
元模型进行折叠,初步折叠完后的气囊模型如图5确性。预模拟所需的质量流曲线通过压力容器试
所示。初步折叠后,在气囊折叠线上的部分单元验得到气囊压力时间曲线数据后,输入 MADYMO
可能产生了较大的变形,采用动态松弛法对气囊软件的MTA程序计算得到,如图7所示。
进行松弛,使折叠后发生变形的网格恢复到原来
的形状,并使气囊在模拟开始前达到一种力学平
25
衡状态,动态松弛后的气囊模型如图6所示。
225
2
1.75
15
125
0.75
0.25
0
00.020.040.060.080.10.120.140.16
时间t/s
图5初步折叠后的气囊模型
图7质量流曲线
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3.2安全气囊结构参数优化
直径分别为55mm、45mm、36mm、28mm,
在优化过程中,气囊模块可以调节的参数包排气孔中心距离气袋中心尺寸分别为112mm、
括气囊尺寸、拉带布置、泄气特性、气体质量流16mm、210mm、260mm,气囊气袋直径分别
量特性等。其中,泄气特性包括排气孔直径及位
为740mm、680mm、640mm、620mm,3个
置本文在经验数据的基础上,选取气袋拉带、参数按正交试验设计方法
16种组合,见
气囊气袋直径、排气孔直径和位置为设计变量,表1
通过对气囊静态起爆和静态头锤跌落试验的仿真
将这16种组合在 MADYMO软件中进行气囊
分析,比较气囊静态起爆过程和静态头锤跌落试
静态起爆和静态头锤跌落仿真,综合比较气囊展
验仿真中头锤的加速度曲线,获得最优设计参数,
开过程和头锤Z向加速度时间历程曲线,获得3
提高气囊防护效率。
个参数的最优设计结果分别为36mm、260mm、
首先将气囊原来的一根拉带增加为两根,以680mm,对应于该优化设计的仿真结果如图8和
改善气袋充气膨胀方式,在此基础上选取排气孔图10所示。
表1气囊结构参数优化试验设计表
试验序号
2345678910111213141516
参数15555555545445453636363628282828
参数211216021026011216020260112160210260112160210260
参数3740680640620680740620640640620740680620640680740
图8优化后的气囊静态起爆仿真
4安全气囊改进后试验验证
680mm,并将气囊拉带改为两根。对改进后的安
气囊排气孔直径改为36mm,排气孔中心与
全气囊进行静态起爆试验和静态头锤跌落试验,
气袋中心距离改为260mm,气囊气袋直径改为
试验方法与气囊改进前相同。
 15 ms
 45 ms
图9改进后气囊静态起爆过程
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优化后安全气囊静态起爆过程如图9所示,
在起爆开始到30ms时,由于气囊饰盖撕裂的影响,
气囊充气展开状态与仿真存在一定的差异,但之
后到气囊充满气的时间历程中,试验与仿真结果
吻合较好。试验结果显示气囊从点火到充满气的
时间大约为40ms,比未改进前提前了5ms左右
安全气囊展开膨胀过程比未改进前要好,气囊展
开后较为饱满且饱满状态持续时间较长。
图11台车碰撞试验
优化后安全气囊静态头锤跌落试验的头锤Z
向加速度时间历程曲线如图10所示,图中加速
度最高峰值为22.5g,比改进前的30g减小了约
50
51561
25%,在60ms左右时,曲线有一个较小的波动,
40
0624
4
这是由于头锤与气袋开始接触时产生的冲击造成
30
的。加速度曲线没有出现明显的凸起,说明改进
20
后的气囊能较好地对头锤的撞击实现缓冲作用,
10
在碰撞过程中可较好地对驾驶员头部起到缓冲吸
00.020.040.060.08010.120.140.16
能的保护效果。
时间ts
图12假人头部加速度曲线
15
5讨论
1
由于原车型的气体发生器存在明显的充气
量不足的问题,因此,本文所做的气囊参数优化
是建立在更换气体发生器的基础之上的。对气囊
00.020.040.060.08010.120.140.160.18
参数进行修改后是否能够达到较好的乘员保护效
时间ts
果需要试验验证,而完全依赖台车碰撞试验或实
图10头锤Z向加速度曲线
车碰撞试验存在费用高、周期长等缺陷。在进行
台车碰撞试验或实车碰撞试验前,采用本文提出
对改进后的安全气囊进行了如图11所示的台的安全气囊头锤跌落静态起爆试验方法不需要依
车试验,假人头部加速度曲线如图12所示。根据赖昂贵的汽车碰撞试验装置就可以方便地对安全
头部合成加速度计算得到HIC值为267.56,较改气囊匹配性能进行初步分析,这对于暂不具备汽
进前下降了约35%,头部加速度峰值也降至50g车碰撞试验条件的整车开发企业尤为重要。当然,
左右。结合整车吸能结构改进和约束系统匹配优由于安全气囊头锤跌落静态起爆试验方法仅能模
化,改进后的实车C-NACP测试结果表明,头部拟单向的头部与气囊接触性能,且接触碰撞过程
3ms合成加速度值由原来的约90g降至45.4g,也与实际情况有一定差异,表明该试验不可能完
获得了满分。
全取代台车碰撞试验或实车碰撞试验。
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6结论
全气囊的气体发生器特性、气袋拉带、气袋直
本文提出了一种简易有效的测试安全气囊工径、排气孔直径和位置等结构参数,结合整车吸
作性能的静态头锤跌落试验技术与装置,通过安能结构改进和约束系统匹配优化,使该车型在
全气囊静态起爆试验和静态头锤跌落试验,可以c-nca正面100%重叠率刚性障碍壁碰撞试验
对安全气囊的充气特性和压力特性进行初步的中由头部得分0分提高到满分4分,达到了预期
测试分析。结合CAE仿真分析,改进某SUV安的改进效果。
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作者介绍
责任作者刘适(1993-),男,湖南湘潭人
通讯作者:曹立波(1964-),男,湖南
湖南大学机械与运载工程学院本科生,
长沙人。湖南大学汽车车身先进设计制
主要研究汽车安全。
造国家重点实验室副主任,教授,博士
Tel:15973159321
研究生导师,主要研究方向为汽车车身
 E-mail:269530609@qq.com
设计及安全
Tel:0731-888823715
 e-mail: hdelb@163.com

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