摘 要： 本文介紹了基于LS-DYNA軟件下對PAB（乘員安全氣囊）的有限元模型建立方法，著重介紹了氣囊的建模及計算折疊方法，以及安全氣囊布料應力應變曲線和線性沖擊的對標步驟。通過仿真和實驗數據的對比，驗證了LS-DYNA對于氣囊建模的準確性，為其他類型的氣囊建模提供借鑒。

關鍵詞：LS-DYNA；PAB；氣囊折疊；材料對標

Calibration Analysis on PAB by LS-DYNA

Abstract：This paper introduces the method of building a finite element model of PAB (Passenger Airbag) based on LS-DYNA. The modeling and folding method of airbag, the stress-strain curve of airbag fabric and the alignment of linear impact are emphatically introduced.Through the comparison between simulation and experimental data, the accuracy of LS-DYNA for airbag modeling is verified, which provides great convenience for other types of airbag modeling.

Keywords: LS-DYNA; PAB; Airbag folding; Material Calibration

1 前言

汽車安全氣囊是一種被動安全保護裝置，它對防止司乘人員傷亡，減少傷殘有明顯效果。實際應用中氣囊的安裝位置、點火時刻等因素對其作用的發揮至關重要。其中，氣囊在展開后的泄氣性能對安全氣囊的安全保護作用有很大影響，因此，在設計初期，氣囊廠商都需要對所使用織物材料的泄氣性以及氣囊上的開孔的泄氣性能進行實驗和仿真驗證，目前常用的主要有跌落塔法，水平線性沖擊法，擺錘法，本文針對水平線性沖擊法基于LS-DYNA求解器對PAB氣囊進行建模和驗證。

LS-DYNA 是國際上著名的通用非線性動力分析程序, 顯式隱式結合，在工程界中得到廣泛應用。適合求解各種結構的高速碰撞、沖擊、爆破、流固耦合、和金屬成形等高度非線性瞬態動力學問題。本文應用了LS-DYNA的顯式時間積分求解算法。在本文中我們使用的軟件版本為ls971 R9.0.1。

2 有限元模型建立

2.1 布料模型

首先利用前處理軟件建立構成氣囊的布料模型。然后按照順序放置好，為縫紉做準備。參考網格的節點號，單元號要與折疊過程中氣囊的節點號，單元號保持統一，因此在進行縫紉之前，需要固定好節點號，單元號，并且備份一份原始布片的網格。然后利用morph功能把各個圍片粘貼到一起，初始的布料和morph的結果如圖2.1.1所示。

圖2.1.1 初始布料及morph模型

2.2Tank實驗模型

圖2.2.1 Tank有限元模型

使用氣體發生器容器試驗(TANK TEST)得到的質量流量曲線和溫度曲線。通過實驗模型建立的有限元模型如圖2.2.1所示。實驗容器的體積為60L，壓力為環境壓力1個標準大氣壓。

3 計算折疊

PAB的折疊是一項非常復雜的工作，該項目實現了嚴格按照實際的工藝圖紙進行折疊。這里只是介紹大致步驟，包括撐開、壓平、Z折，housing及relaxing.

3.1 撐開及壓平

撐開及壓平的目的是為了更好地Z折，使用*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID。

圖3.1.1 氣囊壓平的各個步驟及結果

3.3 Z折

Z折分為兩步：左右兩側z折和縱向z折。旋轉使用*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID，其設置方法可參考撐開操作。左右兩側的z折可以先進行一側，再進行另外一側，接觸設置時排除不相關的part即可。

3.4Housing

Housing是將折疊好的氣囊裝進盒子內，該盒子的最終形狀信息即作為*BOUNDARY_PRESCRIBED_FINAL_GEOMETRY的目標值，其初始只要包裹住折疊好的氣囊即可，并使用*BOUNDARY_SPC_SET固定氣發孔。

3.5 Relaxation

為了使氣囊在盒子內最終處于穩定狀態，還需要對其進行釋放的操作，使布料在盒子中盡量展開，盒子設置為剛體。如圖3.5.1所示。

圖3.5.1氣囊最終狀態及截面圖

4 材料應力應變曲線對標

介紹材料的拉伸、剪切、雙向拉伸的材料對標及其他參數的設置。材料的拉伸、剪切根據實驗得到的力與位移曲線可以根據公式在excel中進行直接轉換得到。而雙向拉伸沒有現成的公式，需要使用優化軟件進行逆向優化得到。

4.1材料的拉伸實驗對標

(1)

             

根據實驗獲得拉伸實驗的力與位移曲線。將力與位移曲線根據式1分別對fill方向和warp方向在excel中計算fill、warp應力應變曲線。卸載與加載所采用的公式一樣。其中E為應變、S為應力，d為實驗獲得的位移曲線，f(d)為對應的實驗獲得的力的曲線,A0為布料的橫截面積（布料的寬度*厚度），l0為布料的初 始長度。

4.2 材料的剪切實驗對標

根據實驗獲得剪切實驗的力與位移曲線。將力與位移曲線根據式2進行在excel中獲得應力應變曲線。在剪切實驗中，應變Exy與應變Eyx值相等。Sxy為應力。d為實驗獲得的位移曲線，f(d)為對應的實驗獲得的力的曲線，t為布料的厚度，l0為布料的長度。

    (2)

4.3 材料的雙向拉伸實驗對標

雙向拉伸的材料應力應變可使用優化軟件進行逆向求得。限于篇幅，這里不再敘述。

5 線性沖擊對標

5.1 總體步驟

氣囊的排氣，通常有兩種類型，分別為開孔排氣和氣囊的多孔表面泄露。在調試模擬氣囊排氣的時候首先從無孔氣囊開始。對于無孔氣囊來說，排氣的渠道就是通過氣囊的多孔材料表面漏氣。對于LS-DYNA模擬，主要是通過調整多孔材料的泄露曲線來調整泄漏量，從而提高模擬的準確性。在LS-DYNA里需要調整*MAT_FABRIC關鍵字的參數來達到控制泄漏量的目的。

接下來進行的是開孔排氣的氣囊的調試。我們要使用之前調整好的無孔氣囊排氣的參數來進行有孔的模擬。這里以排氣孔直徑為20mm5.5mps的氣囊為例。模型中在開孔的位置有一個part，我們需要調整的就是賦予這個part的材料參數來控制泄露量。

在LSPP中測量得到模型中孔的part的面積為330.077mm2。試驗中的排氣孔直徑為20mm，計算得到面積約為314.16mm2，所以為了模擬的準確我們需要通過按比例縮小模型中的孔的尺寸：314.16/330.077=0.95。此處的FLC與FAC的乘積就是這個比例因子的大小，所以這里FLC=0.95；FAC=1。使用調整好的模型進行計算得到的結果與試驗相比十分接近，可以得出我們使用的參數是正確的。

5.2對標結果

此次對標共有6種不同的工況，分為無孔氣囊和不同尺寸的有孔氣囊。經過上述的調整參數后，除了開孔大小的參數不同外，氣囊自身其余所有的參數對于6種不同的工況都是相同的。計算完成后，把得到的運算結果和實驗結果進行比對，如圖5.3.1所示是其中一種工況在加速度，位移，氣囊壓力三方面的對比。

圖5.3.1 某種工況的模擬與實驗結果對比

為了驗證氣囊的泄氣性設置參數的正確性，使用CORA軟件對得到的結果曲線進行比對。最后得到在6種不同的工況中，CORA最差的評分為0.855，平均評分為0.92。對比結果表明，仿真與實驗能很好的吻合。

6 結論

本文基于LS-DYNA求解器，應用Ls-Prepost作為前處理軟件，對PAB氣囊性沖擊模型進行了建模和仿真對標分析。計算結果表明，LS-DYNA求解器具有先進的求解算法和計算穩定性，為氣囊的折疊、對標提供了保障。為后續的整車碰撞分析假人的傷害預測提供了可靠的輸入。