基于madymo的安全氣囊可靠性試驗?zāi)Ｐ偷慕?/h1>
2015-01-03 06:37:06田國紅武曉林齊登科孫立國
汽車實用技術(shù) 2015年2期
田國紅，武曉林，齊登科，孫立國
（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）
基于madymo的安全氣囊可靠性試驗?zāi)Ｐ偷慕?/p>
田國紅，武曉林，齊登科，孫立國
（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）
在安全氣囊計算機仿真理論的基礎(chǔ)上，利用汽車碰撞安全模擬軟件MADYMO建立起安全氣囊靜態(tài)起爆以及動態(tài)沖擊模型，模型中包括方向盤、安全氣囊、飾蓋、沖擊器等。進行仿真試驗，主要是根據(jù)安全氣囊在展開時或者展開后與沖擊器等物體相互接觸碰撞時氣袋內(nèi)部壓力，以及沖擊器碰撞速度、加速度等參數(shù)的變化曲線,進而根據(jù)模型的仿真結(jié)果檢驗安全氣囊模型的可靠性。
安全氣囊；仿真；可靠性；驗證
CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-103-03
引言
MADYMO(Mathematieal Dynamic Mode)主要應(yīng)用是整車約束系統(tǒng)的開發(fā)和改進以及乘員安全的仿真分析,是一個將多剛體理論以及有限元理論結(jié)合在一起的數(shù)學(xué)模型軟件，融合了多體（MB)動力學(xué)汁算功能和顯式動態(tài)有限元（FE)計算功能。在產(chǎn)品處于設(shè)計的初級階段,用MAOYMO中的動力學(xué)計算功能進行計算仿真,可以大大節(jié)約時間,達到快速建模的目的。在產(chǎn)品處于結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計及改進分析階段,用MAOYMO中的顯性動態(tài)有限元計算功能進行計算仿真,可以得到更為具體、細致的仿真結(jié)果[1]。在氣囊系統(tǒng)研發(fā)的初期，根據(jù)實際試驗的試驗條件和試驗要求在MADYMO中建立起靜態(tài)起爆試驗以及動態(tài)試驗的仿真模型，根據(jù)仿真模型輸出的壓力、速度、加速度等信號和實際試驗的比較來判斷氣囊模型的正確性以及合理性，從而作為成員約束系統(tǒng)的基本模型為下一步的分析做準備。
1、安全氣囊計算機仿真理論
利用計算機仿真安全氣囊的工作過程是一個需要考慮安全氣囊展開時或者展開后與車內(nèi)其他物體或者乘員相互作用的接觸碰撞問題[2]，其作用過程可歸結(jié)為求解如下的接觸碰撞問題：
將上式用顯式有限元法離散后可獲得矩陣形式如下：
其中m、Fe、Fc、Fi分別為質(zhì)量矩陣、外力矢量矩陣、碰撞接觸力矢量矩陣、系統(tǒng)內(nèi)力矢量矩陣。對上式的有限元求解可以得到氣囊工作過程計算機仿真的一些基本數(shù)據(jù)：Fe的計算包括氣囊內(nèi)的氣體壓力或外界的撞擊力；Fc的計算主要用于氣囊與其它零部件之間的接觸搜尋，同時要考慮接觸界面上的接觸碰撞力以及接觸面之間的擦力；Fi的計算需確定氣囊的變形狀況以及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[3]。
2、駕駛員側(cè)氣囊（DAB）靜態(tài)起爆試驗
氣囊模塊的靜態(tài)起爆試驗方法如圖1所示，DAB，模塊置于方向盤內(nèi)，蓋上飾蓋，背景為格子彩條板儀測量厚度，格子尺寸為50mm×50mm，將方向盤以合適的角度固定，檢查無誤后點爆DAB。靜態(tài)起爆試驗是從運動學(xué)角度驗證氣囊模型的準確性[4]，其的目的是校正氣囊觸發(fā)的動態(tài)過程,用來驗證仿真模型的起爆過程氣囊的展開形狀、展開速度以及氣囊展開體積等。
根據(jù)試驗要求建立駕駛員側(cè)氣囊（DAB）靜態(tài)起爆試驗仿真模型，首先，在XMADgic中定義一個用于固定氣囊的多剛體方向盤以模擬氣囊在車體中的安裝情況；將已經(jīng)建好的DAB模型放入用以盛放氣囊的有限元盒體中并調(diào)整至正確位置；定義氣袋與盒體之間的接觸為有限元表面之間的接觸以及在氣袋展開時二者之間的摩擦，定義氣袋在展開過程中與方向盤的接觸為有限元表面與剛體的接觸，對系統(tǒng)施加重力場；控制點爆時間，提交madymo求解器求解運算，模擬氣囊靜態(tài)起爆過程。如圖1為靜態(tài)起爆試驗示意圖以及仿真模型靜態(tài)起爆試驗要求在實驗中測量DAB氣囊形狀、厚度、展開時間以及氣囊的點爆電壓，并且要求在靜態(tài)充氣試驗中和試驗后不允許有氣囊組件拋出的破損構(gòu)件打擊到正常安裝時有乘員的位置；充氣試驗后，氣袋從裝配狀態(tài)松離部分不得超過30%氣包縫（外部折縫和縫）必須保持閉合，不允許彼此拉開。如圖為氣囊展開過程中氣室壓力和氣袋體積曲線。
由圖1可知氣囊展開時的形狀與試驗展開基本上相同，并且由圖2可知氣囊展開的最大體積約為40L，與設(shè)計值40L基本上相符，在發(fā)生正面碰撞時，處于正常位置的駕駛員在氣囊開始點火后30-40ms[1]后與氣囊接觸，由靜態(tài)起爆試驗輸出的氣室體積曲線可知此時氣囊已經(jīng)完全張開，滿足實際需求。由輸出的壓力曲線可知氣囊氣室內(nèi)的氣壓在10-15ms內(nèi)達到峰值，并且在氣囊體積達到最大時，內(nèi)部氣壓處于較小的值，可減小正常安裝與假人接觸時的傷害，初步的驗證了模型的合理性。
3、動態(tài)沖擊試驗
氣囊模塊動態(tài)沖擊試驗常用的方法有以下幾種：半球試驗、跌落塔試驗、胸塊沖擊試驗、擺錘試驗等，以下主要介紹駕駛員側(cè)安全氣囊的平板跌落試驗。
平板跌落試驗的方法是設(shè)置沖擊器在一定高度后無初速度自有落下，沖擊展開中的氣囊，試驗要求沖擊器是在氣囊完全展開時與氣袋接觸，然后通過沖擊器上的加速度傳感器獲得沖擊器與氣袋接觸后的加速度響應(yīng)[6]，其試驗示意圖以及仿真模型如圖2所示：
在已驗證的DAB靜態(tài)起爆模型的基礎(chǔ)上，在XMADgic中定義此跌落試驗中的沖擊器模型：定義兩個橢球體模型來模擬沖擊器，定義其質(zhì)量為30Kg，用一個滑移鉸來模擬沖擊器的運動，定義沖擊器的沖擊速度為7m／s，由于動態(tài)試驗要求沖擊器與完全展開的氣囊撞擊，需要準確定義沖擊器的中心和氣囊的中心在一條直線上，并且準確定義氣囊和沖擊器的初始位置距離。
定義氣袋和沖擊器有限元表面與剛體的接觸以及沖擊器的接觸特性。CHARACTERISTIC_CONTACT。輸出充氣器的速度和加速度響應(yīng)。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果如下圖：
Establishment of A Model of Reliability test of Automotive Airbag Based on MADYMO
Tian Guohong, Wu Xiaolin, Qi Dengke, Sun Liguo
（Liao Ning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）
On the basis of the theory of computer simulation，A model of simulating the blasting test and dynamic loads test of Airbag was established by the MADYMO simulation software for automobile collision security,which includes steering wheel, airbag, abdeckkappe, concussion implement etc. The aceeleration and veloeity of the impacting concussion implement and airbag Pressure history during the even are recorded to validate the reliability of the model.
Airbag; Simulation; Reliability; validate
U467.3
A
1671-7988(2015)02-103-03
田國紅，就職于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院。
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田國紅，武曉林，齊登科，孫立國
（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）
在安全氣囊計算機仿真理論的基礎(chǔ)上，利用汽車碰撞安全模擬軟件MADYMO建立起安全氣囊靜態(tài)起爆以及動態(tài)沖擊模型，模型中包括方向盤、安全氣囊、飾蓋、沖擊器等。進行仿真試驗，主要是根據(jù)安全氣囊在展開時或者展開后與沖擊器等物體相互接觸碰撞時氣袋內(nèi)部壓力，以及沖擊器碰撞速度、加速度等參數(shù)的變化曲線,進而根據(jù)模型的仿真結(jié)果檢驗安全氣囊模型的可靠性。
安全氣囊；仿真；可靠性；驗證
CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-103-03
引言
MADYMO(Mathematieal Dynamic Mode)主要應(yīng)用是整車約束系統(tǒng)的開發(fā)和改進以及乘員安全的仿真分析,是一個將多剛體理論以及有限元理論結(jié)合在一起的數(shù)學(xué)模型軟件，融合了多體（MB)動力學(xué)汁算功能和顯式動態(tài)有限元（FE)計算功能。在產(chǎn)品處于設(shè)計的初級階段,用MAOYMO中的動力學(xué)計算功能進行計算仿真,可以大大節(jié)約時間,達到快速建模的目的。在產(chǎn)品處于結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計及改進分析階段,用MAOYMO中的顯性動態(tài)有限元計算功能進行計算仿真,可以得到更為具體、細致的仿真結(jié)果[1]。在氣囊系統(tǒng)研發(fā)的初期，根據(jù)實際試驗的試驗條件和試驗要求在MADYMO中建立起靜態(tài)起爆試驗以及動態(tài)試驗的仿真模型，根據(jù)仿真模型輸出的壓力、速度、加速度等信號和實際試驗的比較來判斷氣囊模型的正確性以及合理性，從而作為成員約束系統(tǒng)的基本模型為下一步的分析做準備。
1、安全氣囊計算機仿真理論
利用計算機仿真安全氣囊的工作過程是一個需要考慮安全氣囊展開時或者展開后與車內(nèi)其他物體或者乘員相互作用的接觸碰撞問題[2]，其作用過程可歸結(jié)為求解如下的接觸碰撞問題：
將上式用顯式有限元法離散后可獲得矩陣形式如下：
其中m、Fe、Fc、Fi分別為質(zhì)量矩陣、外力矢量矩陣、碰撞接觸力矢量矩陣、系統(tǒng)內(nèi)力矢量矩陣。對上式的有限元求解可以得到氣囊工作過程計算機仿真的一些基本數(shù)據(jù)：Fe的計算包括氣囊內(nèi)的氣體壓力或外界的撞擊力；Fc的計算主要用于氣囊與其它零部件之間的接觸搜尋，同時要考慮接觸界面上的接觸碰撞力以及接觸面之間的擦力；Fi的計算需確定氣囊的變形狀況以及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[3]。
2、駕駛員側(cè)氣囊（DAB）靜態(tài)起爆試驗
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根據(jù)試驗要求建立駕駛員側(cè)氣囊（DAB）靜態(tài)起爆試驗仿真模型，首先，在XMADgic中定義一個用于固定氣囊的多剛體方向盤以模擬氣囊在車體中的安裝情況；將已經(jīng)建好的DAB模型放入用以盛放氣囊的有限元盒體中并調(diào)整至正確位置；定義氣袋與盒體之間的接觸為有限元表面之間的接觸以及在氣袋展開時二者之間的摩擦，定義氣袋在展開過程中與方向盤的接觸為有限元表面與剛體的接觸，對系統(tǒng)施加重力場；控制點爆時間，提交madymo求解器求解運算，模擬氣囊靜態(tài)起爆過程。如圖1為靜態(tài)起爆試驗示意圖以及仿真模型靜態(tài)起爆試驗要求在實驗中測量DAB氣囊形狀、厚度、展開時間以及氣囊的點爆電壓，并且要求在靜態(tài)充氣試驗中和試驗后不允許有氣囊組件拋出的破損構(gòu)件打擊到正常安裝時有乘員的位置；充氣試驗后，氣袋從裝配狀態(tài)松離部分不得超過30%氣包縫（外部折縫和縫）必須保持閉合，不允許彼此拉開。如圖為氣囊展開過程中氣室壓力和氣袋體積曲線。
由圖1可知氣囊展開時的形狀與試驗展開基本上相同，并且由圖2可知氣囊展開的最大體積約為40L，與設(shè)計值40L基本上相符，在發(fā)生正面碰撞時，處于正常位置的駕駛員在氣囊開始點火后30-40ms[1]后與氣囊接觸，由靜態(tài)起爆試驗輸出的氣室體積曲線可知此時氣囊已經(jīng)完全張開，滿足實際需求。由輸出的壓力曲線可知氣囊氣室內(nèi)的氣壓在10-15ms內(nèi)達到峰值，并且在氣囊體積達到最大時，內(nèi)部氣壓處于較小的值，可減小正常安裝與假人接觸時的傷害，初步的驗證了模型的合理性。
3、動態(tài)沖擊試驗
氣囊模塊動態(tài)沖擊試驗常用的方法有以下幾種：半球試驗、跌落塔試驗、胸塊沖擊試驗、擺錘試驗等，以下主要介紹駕駛員側(cè)安全氣囊的平板跌落試驗。
平板跌落試驗的方法是設(shè)置沖擊器在一定高度后無初速度自有落下，沖擊展開中的氣囊，試驗要求沖擊器是在氣囊完全展開時與氣袋接觸，然后通過沖擊器上的加速度傳感器獲得沖擊器與氣袋接觸后的加速度響應(yīng)[6]，其試驗示意圖以及仿真模型如圖2所示：
在已驗證的DAB靜態(tài)起爆模型的基礎(chǔ)上，在XMADgic中定義此跌落試驗中的沖擊器模型：定義兩個橢球體模型來模擬沖擊器，定義其質(zhì)量為30Kg，用一個滑移鉸來模擬沖擊器的運動，定義沖擊器的沖擊速度為7m／s，由于動態(tài)試驗要求沖擊器與完全展開的氣囊撞擊，需要準確定義沖擊器的中心和氣囊的中心在一條直線上，并且準確定義氣囊和沖擊器的初始位置距離。
定義氣袋和沖擊器有限元表面與剛體的接觸以及沖擊器的接觸特性。CHARACTERISTIC_CONTACT。輸出充氣器的速度和加速度響應(yīng)。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果如下圖：
Establishment of A Model of Reliability test of Automotive Airbag Based on MADYMO
Tian Guohong, Wu Xiaolin, Qi Dengke, Sun Liguo
（Liao Ning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）
On the basis of the theory of computer simulation，A model of simulating the blasting test and dynamic loads test of Airbag was established by the MADYMO simulation software for automobile collision security,which includes steering wheel, airbag, abdeckkappe, concussion implement etc. The aceeleration and veloeity of the impacting concussion implement and airbag Pressure history during the even are recorded to validate the reliability of the model.
Airbag; Simulation; Reliability; validate
U467.3
A
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