基于C-NCAP远端气囊建模仿真与试验对标.pdf

第2 7 卷第2 期2024年4月扬州大学学报（自然科学版）Journal of Yangzhou University(Natural Science Edition)Vol.27 No.2Apr.2024基于C-NCAP远端气囊建模仿真与试验对标李红，刘佳兵，关栋*（扬州大学机械工程学院，江苏扬州2 2 512 7）摘要：中国新车评价规程（Chinesenewcarassessmentprogramme，C-NCA P)2 0 2 4版乘员保护板块中新增了侧面碰撞远端乘员保护的虚拟测评项目，但是当前车辆的被动安全系统尚没有达到该评价规程要求.针对该现状，提出了在远端乘员侧添加远端气囊的解决方案，建立了远端气囊有限元模型，并进行了试验对标.首先，运用CATIA软件建立远端气囊的三维模型，利用HyperMesh对气囊模型进行几何清理及网格划分；其次，采用Primer软件折叠划分好网格的气囊有限元模型，设置远端气囊的材料属性及模型参数，应用LS-DYNA软件进行运算求解；最后，根据静态点爆与动态冲击试验结果对标远端气囊有限元模型.结果表明，静态点爆试验对标误差为1.4%，动态冲击试验对标误差在10%以内，符合新规要求.关键词：侧面碰撞；远端气囊；有限元法；仿真实验中图分类号：U491.6D0I:10.19411/j.1007-824x.2024.02.002文献标志码：A文章编号：10 0 7-8 2 4X(2024)02-0009-06不同于正面碰撞时有发动机舱作为缓冲区，车辆发生侧面碰撞时由于侧面空间狭小，缓冲区小，且车身侧围结构简单，碰撞时能吸收能量的部件较少，导致其整体强度较弱，为了保障乘员的安全，车辆一般都会配备侧面安全气囊（sideairbag，SA B），但是侧面气囊主要保护碰撞侧近端乘员的安全，不能保证远端乘员的安全2 1不同于侧撞时近端乘员的受伤机制，远端乘员并不是在第一时间和车身发生碰撞，而是在高速撞击产生的惯性力作用下向撞击方偏移，从而与中央扶手箱或者乘员之间的其他内饰件发生撞击3.随着远端乘员向撞击方倾倒，安全带可能不能正常发挥其固定作用，导致远端乘员的身体脱离安全带的约束滑出，与近端乘员发生碰撞，造成进一步伤害.侧面碰撞时远端乘员所受的伤害主要集中在上半身，包括头、胸、腹三个部位，对乘员的头部及内脏造成严重的损伤，极大的威胁了乘员的生命安全4-51.针对侧面碰撞中远端乘员保护不足的问题，Stolinski和Douglas等提出新增安全带预紧系统；Bostrom建议调整安全带肩带位置；Haland提出加设乘员间气囊（SSA)6等措施.在此基础上，本文提出了基于模拟仿真的远端气囊（far side airbag)加装方案，明确了乘员间远端气囊的安装位置及气囊相关参数，结合前人对于安全带的改进方案和加设乘员间气囊的构思设计了远端安全气囊约束系统，运用仿真分析与对标试验相结合的方法，最大限度地节约了开发成本7 1气囊冲击有限元模型的建立建立远端气囊模型包括以下四个步骤：远端气囊CAD模型的建立、CAD模型的几何清理及网格划分、气囊模型的折叠、气囊材料属性及其他模型参数的确定8.建模时主要考虑远端气囊的包型、体积及打开后的保护范围，建好的远端气囊模型安装在主驾驶座椅靠背的内侧，检验发生侧面碰撞时远端气囊能否对乘员起到有效保护作用.为了考察远端气囊有限元模型在冲击条件下的计算精度，收稿日期：2 0 2 3-0 9-2 5.*联系人，E-mail:.基金项目：江苏省产学研合作项目（BY20231480）。引文格式：李红，刘佳兵，关栋.基于C-NCAP远端气囊建模仿真与试验对标J。扬州大学学报（自然科学版），2 0 2 4，2 7（2）：9-14.10还需建立冲击试验需要的工装锤头有限元模型1.1远端气囊有限元模型的建立首先，利用CATIA软件建立远端气囊的CAD模型，如图1(a)所示.随后，在Hyper Mesh软件中使用automesh对气囊模型进行网格划分，单元尺寸为5mm，网格结构为四边形，见图1(b).运用Primer软件对划分好网格的远端气囊模型进行折叠.远端气囊模型对于气囊展开过程、展开方向、展开后的空间位置以及保护范围等的计算精度有较高的要求，一般的卷缩折叠（又称无序折叠)无法满足该精度要求，故本文选用有序折叠方式对远端气囊进行折叠，远端气囊的折叠过程如图 2（a)所示，Fig.1Far side airbag 3D model and mesh division图2(（b)为远端气囊折叠完成后的最终模型.扬州大学学报（自然科学版）第2 7 卷(a)CAD模型(b)网格划分图1远端气囊的三维模型及网格划分(a)气囊折叠过程图2 CAE模型折叠过程图Fig.2 Folding process diagram of CAE model对折叠好的远端气囊模型设置参数.考虑到实际生产时气囊的原材料一般为尼龙，在MAT指令中定义材料为MAT_34_FABRIC，其他参数设置如表1所示.远端气囊模块气体发生器选用ACH-2.4型号，发生器充气压力为3 0 0 kPa.为了考察远端气囊按上述折叠方式打开后能否起到有效保护乘员安全的作用，本文增设了实物试验环节以检验气囊折叠方式的有效性.根据法规要求，试验假人选用WorldSID50th假人9.首先，将WorldSID50th假人固定在安全座椅上；在假人正面及侧面各放置一台帧率为10 0 0 帧s-1、像素分辨率为19 2 0 X1080的高速摄像机，用于记录远端气囊的展开过程；将折叠好放在集气盒内的远端气囊固定在主驾驶座椅靠背的内侧，引爆气囊.规定假人视线方向为向，垂直于地面的方向为向，垂直于平面的方向为向.图3 记录了远端气囊在引爆后不同时刻的展开过程图.可以看出，按照图2 所示折叠方式折叠的远端气囊展开过程中，沿轴和y轴方向观测到的展开姿态都较为正常，并且展开后远端气囊的保护范围能够有效覆盖乘员的头部、胸部和腹部.因此，按上述折叠方式折叠的远端气囊展开后能够有效保护乘员安全，以下针对远端气囊的研究均采用该折叠方式。1.2工装和锤头有限元模型为了便于进行仿真试验对标，除了气囊有限元模型，还需建立工装和锤头的有限元模型，工装有限元模型选用MAT_20_RIGID刚性材料，网格形状选用四边形，网格尺寸为5mm，双滑轨模式.根据锤头实际尺寸建立锤头有限元模型，通过ELEMENT_MASS赋给该锤头3 5kg的重量.图4为实际工装、锤头及其有限元模型的对比图。(b)气囊最终模型表1远端气囊参数Tab.1Far side airbag parameters杨氏模量泊松比500MPa0.3密度776kg m-3厚度0.3mm第2 期李红等：基于C-NCAP远端气囊建模仿真与试验对标11(a)t=10 ms(b)t=30 ms图3 远端气囊展开过程图Fig.3 Far side airbag deployment process diagram(c)t=40 ms(a)）实际工装、锤头模型图4实际工装、锤头模型和有限元模型对比Fig.4 Comparison of actual fixture,hammer model and finite element model2远端气囊静态点爆试验对标通过远端气囊静态点爆试验，可以获得远端气囊在静态且符合起爆条件时是否能够正常展开、气囊充满时间、展开过程形状变化，以及完全展开后的保护范围等信息10，根据远端气囊静态点爆试验对标有限元模型，可以检验或获得高精度的远端气囊有限元模型远端气囊静态点爆试验过程如下：将气囊安装在测试平台工装上，；工装侧面安装高速摄像机，用于记录远端气囊的点爆过程；点爆远端气囊，借助高速摄像机记录气囊展开过程.远端气囊模拟仿真试验包括：将远端气囊的有限元模型导人工装有限元模型，远端气囊和工装的模型参数设置同前；在CONTACT_AUTO-MATIC_SURFACE_TO_SURFACE模块中建立远端气囊工装的面面接触；将静态点爆有限元模型导人LS-DYNA软件进行求解；分析仿真结果，比如远端气囊充气过程、展开状态、最终体积等.图5比较了远端气囊静态点爆试验中实际的气囊展开过程及其仿真结果，其中左侧为有限元仿真结果，右侧为试验结果.可以看出，试验结果和仿真模型的展开形态基本一致，一般来说，气囊充(b）工装、锤头有限元模型12满后的实际容积直接关系着气囊对乘员的保护作用.图6 为远端气囊静态点爆试验中气囊容积的仿真曲线.远端气囊充满后容积的仿真值约为40.3 L，而通过小球法得到的实测值为40.9 L，两者之间的差异率为1.4%，低于设定值的5%.可见，远端侧面气囊有限元模型具有较高的准确性.扬州大学学报（自然科学版）第2 7 卷(a)t=0 msFig.5 Comparison of point explosion experiment and simulation unfolding state3达远端气囊动态冲击试验对标静态点爆试验主要观测气囊展开过程及展开后的形状、容积，而动态冲击试验主要考察远端气囊在冲击力和压力波作用下的刚度及吸能特性.根据动态冲击试验结果对标远端气囊有限元模型，可以进一步检验模型精度11.动态冲击试验分为摆锤试验和冲击试验，这里采用水平冲击试验12.试验装置主要是由一个与地面垂直的安装墙面和与地面水平的滑台组成.首先，将远端气囊模块安装在与地面垂直的墙面上，发生器安装在远端气囊中，调整好气囊的安装位置，同时将冲击锤头安装在水平滑台上；随后开始点爆，冲击锤撞向气囊，且在冲击过程中保持水平；通过安装在锤头上的加速度传感器，记录锤头加速度；通过高速摄像机以10 0 0 帧/秒记录冲击过程，冲击锤撞击远端气囊时速度为5m/s.远端气囊动态冲击试验结果与仿真结果在不同时刻的对比见图7，图中左侧为试验结果，右侧为仿真结果.由图可知，动态冲击试验结果与远端气囊有限元仿真结果吻合度较高，有良好的同步性，表明远端气囊有限元模型有较高的准确度.图8 给出了冲击锤的加速度、速度、位移以及气囊模块刚度曲线的试验结果与仿真结果.可以看出，冲击锤的速度、加速度和位移仿真结果与实测曲线在形状和走势上重合度较高；气囊刚度曲线的仿真结果尽管与试验结果略有偏差，但是也在10%的误差范围内.这就意味着远端气囊受到冲击后，能够完整打开，没有出现气囊击穿现象，表明远端气囊有限元模型的织布泄气性与实际情况基本一致.仿真结果与对标试验较好吻合，进一步验证了远端气囊有限元模型的准确性.因此，本文建立的远端气囊有限元模型有较高的准确度，可以作为整车约束系统有限元模型的输入，同时也为远端气囊约束系统的参数优化提供了基础模型.4结论为了达到新车评价规程新增的侧面碰撞远端乘员保护要求，本文提出了增设远端气囊的解决方案，实现了远端气囊有限元建模与对标，得到如下结论：采用有序折叠方式，远端气囊展开形态及保护范围可有效覆盖乘员的头部、胸部和腹部，试验结果与仿真结果一致；通过静态点爆试验和动(b)t=20 ms图5点爆试验和仿真展开状态对比0.000.010.0220.030.040.050.06时间/s图6 远端气囊容积仿真曲线Fig.6 Simulation curve of airbag volume(c)t=40 ms454035F30252015105第2 期李红等：基于C-NCAP远端气囊建模仿真与试验对标13(a)t=8 msFig.7Comparison of impact experiment and simulation deployment status300试验1250一试验2-CAE仿真.5./取20015010050-500.000.020.040.060.080.10时间/(a）冲击块加速度-时间历程曲线0.35.一试验10.30F一试验2-CAE仿真0.250.200.150.100.050.000.000.020.040.06时间/s(c）冲击块位移-时间历程曲线图8 冲击锤的加速度、速度、位移以及气囊模块刚度曲线试验与仿真对比Fig.8 Acceleration,velocity,displacement,and stiffness curve test and simulation comparison ofthe impact hammer and airbag module态冲击试验对标远端气囊有限元模型，得到静态点爆试验对标误差为1.4%，动态冲击试验对标误差在10%以内.因此，所建立的远端气囊有限元模型具有较高的准确度，增设远端气囊的解决方案能够满足新规要求，可以为远端气囊约束系统的参数优化提供基础模型.(b)t=24 ms图7 冲击试验和仿真展开状态对比0.000.020.04时间/s(b)冲击块速度-时间历程曲线300试验1250一试验2-CAE仿真200150100500-500.08 0.10(c)t=48 ms6一试验24-CAE仿真.S.u/20-20.00 0.0550.100.150.20 0.25 0.30 0.35位移/m(d)气囊模块刚度曲线试验10.060.080.1014扬州大学学报（自然科学版）第2 7 卷参考文献：1ZHANG Chenglong,LI Xiaoyan,LEI Yi,et al.Driver injury during automatic emergency steering in vehicle-ve-hicle side-impact collisions JJ.IEEE Access,2024,12:9400-9417.2DEVANE K,HSU F C,KOYA B,et al.Assessment of finite 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three-dimensional model of the far side airbag is estab-lished by CATIA software,and the airbag model is geometrically cleaned and meshed by Hy-perMesh.Secondly,the finite element model of the mesh airbag is folded by Primer software,andthe material properties and model parameters of the far side airbag are set,and the LS-DYNA soft-ware is used for calculation and solution.Finally,the finite element model of the far side airbag iscalibrated according to the static ignition and dynamic impact test results.The results show that thecalibration error of static ignition test is 1.4%,and that of dynamic impact test is within 10%,which meet the requirements of the new regulations.Keywords:side impact;far side airbag;finite element method;simulation experiment（责任编辑金朝阳）