Abaqus在汽車安全氣囊中的仿真應用

有限元微刊

2017年9月11日 16:47

瀏覽：3550 收藏：1

采用一致壓力法（UPM）仿真安全氣囊的膨脹，在汽車安全工業中被廣泛應用。

UPM的假設讓這個方法非常適用于充分膨脹的安全氣囊的“in-position”（IP）分析，尤其是氣囊中的壓力在安全氣囊膨脹過程中各向一致。相反的是，如果駕駛員在安全氣囊完全展開前與其產生相互作用，那分析通常由“out-of-position”（OoP）來表征，然而在安全氣囊完全膨脹之前，氣囊中會存在大空間壓力梯度，這違背了UPM方法的假設。

氣囊管理條例和技術的發展迫使對OoP的考慮成為必需條件。因此準確的分析需要一個能夠滿足在膨脹過程中對氣體流動分析的工具。

Abaqus/Explicit提供了成熟的歐拉—拉格朗日耦合方法（CEL），可以對氣囊中氣體流動進行仿真。基于CEL的流體分析給我們提供了氣囊在膨脹的各個階段中形狀和壓力分布更為準確的預測。

Abaqus的主要特征和優點

CEL技術可以對氣囊中的氣體流動建模，也可以分析在膨脹過程中對周圍氣體的影響。

采用強大的和魯棒性好的通用接觸算法，能夠很容易的連接拉格朗日實體和歐拉網格材料的相互作用。

廣泛的材料庫可以模擬氣囊的纖維織物材料和氣體狀態方程。

背景

在采用UPM對氣囊膨脹仿真的過程中，壓力會產生短暫變化，但在每一個瞬時，壓力在空間中的分布是均勻的。在氣囊完全膨脹時UPM中的假設最有效；因此UPM一般用于仿真IP案例，這時氣囊處于充分膨脹狀態。

在靜態的OoPwww.featech.com.cn安全測試中，在氣囊部分膨脹的時候，駕駛員與氣囊的相互作用就開始發生了。在膨脹的最初階段，氣囊中存在很大的空間壓力梯度；在氣囊打開之前，一些折疊很緊的區域看不到膨脹的氣體。UPM方法的假設也就無法成立，而且在這種情況下，氣囊中氣體的運動必須要考慮。CEL方法通過模擬氣囊內氣體流動，提供了更高的保真度。因此，這種方法可以更真實的預測膨脹過程并準確地計算氣囊內部壓力在空間和時間上的變化，即便在膨脹的初期也能做到。圖1比較了兩種方法預測氣囊膨脹16ms時的形狀。

圖1安全氣囊展開（16ms）

安全氣囊工作組

在1990年代末，德國汽車制造商成立了一個工作組來評估和開發一個用于OoP仿真的通用方法[1]。該工作組用一個標準的60公升的氣囊模型來評估不同的仿真方法。在評估中，用了扁平和褶皺這兩種不同的氣囊。這兩個相同的氣囊組都被用來證明Abaqus/Explicit中CEL方法的有效性。測試裝置由一個初始與氣囊相接觸的半球形自由懸掛頭組成（圖2）。在膨脹過程中，氣囊推動球頭，我們可以得到加速度和相關測試數據。

圖2安全氣囊有限元模型：平鋪和折疊

有限元分析方法

采用離散化拉格朗日氣囊薄膜單元。紡織物材料的模型是各向異性和非線性的，也體現了獨立加載和卸載中紡織材料在填補、扭曲和剪切這三個方向任一方向的力學響應。在傳統的拉格朗日分析中，節點在材料中固定，單元隨著材料的變形而變形。拉格朗日單元通常100%被賦予材料，所以材料邊界和單元邊界是一致的。相反的是，歐拉分析節點在空間中固定，材料通過不變形的單元流動。歐拉單元并不一定全都被賦予材料；有些單元一部分或者完全是沒有有材料的。仿真中的歐拉網格是一個簡單的網格，用來擴展歐拉材料邊界，提供材料移動和變形的空間。氣囊的充氣裝置由一些近似于流入點的節點來表示。每一個充氣節點所定義的矢量表示了氣體流動的方向。充氣單元節點的速度可以通過求解基于輸入質量流速率，區域和方向向量得到的動量方程得到。氣體進入氣囊的溫度和質量流速率通過與膨脹時間相關的函數定義在節點中。在實驗中，充入的氣體組成是隨時間變化的，但在仿真中，氣體的組成被假定為恒定不變。

一個歐拉單元可以在同一時間包含多種材料。在每一個時間增量，每個材料的歐拉體積分數（EVF）都會計算一遍，而且在EVF的基礎上，確定每個單元的材料面。這些歐拉材料面可以和拉格朗日材料面相互作用，如安全氣囊。歐拉域最初充滿氣體。當開始充氣，氣體填滿整個安全氣囊并讓氣體排出。

Abaqus/Explicitwww.featech.com.cn通用接觸包含了拉格朗日接觸和歐拉-拉格朗日接觸。后者只存在于充氣氣體和氣囊中。氣囊和外部氣體之間沒有定義接觸。氣體不會因為高的膨脹壓力而重新進入安全氣囊的假設是合理的。

結果和結論

這兩個模型采用的都是5mm的均勻歐拉網格。圖3和圖4給我們展示了應用CEL方法預測，扁平和褶皺安全氣囊的實驗對比。圖5給我們展示了這兩種仿真情況下各自的球頭加速度。對這兩種安全氣囊模型，加速度記錄和氣囊膨脹過程與是實驗結果非常吻合。