基于CAE安全氣囊開發(fā)需求分析與測試

1安全氣囊的碰撞試驗矩陣以及相關費用

隨著中國汽車產業(yè)的高速發(fā)展，消費者對汽車碰撞安全性能的要求日益提高，安全氣囊已經成為很多乘用車的基本配置。對于企業(yè)而言，安全氣囊是一個技術含量非常高的零部件，其開發(fā)費用主要集中在樣車費用和試驗費用。由于安全氣囊的開發(fā)周期需要1年以上，對于氣囊采集碰撞樣車和氣囊驗證碰撞樣車都要集中在試制S1和S2階段，其中很多零部件是快速成型件，其試制樣車費用是量產車的4—5倍。表1為目前廣泛使用的正面安全氣囊整車碰撞試驗矩陣，采集試驗和驗證試驗共需要碰撞18輛車，其碰撞樣車的費用高達800萬，外加試驗費用、模具開發(fā)費用、ECU標定費用等，安全氣囊的總開發(fā)費用超過1400萬。

表1安全氣囊匹配實車碰撞試驗形式

相對于其他的零部件，安全氣囊的開發(fā)費用偏高，并且安全氣囊的碰撞試驗都需要實車碰撞，作者嘗試在項目前期使用CAE分析完成安全氣囊的虛擬開發(fā)，科學合理制定安全氣囊的開發(fā)策劃，通過雙方評估來降低試驗樣車的數量，從而降低安全氣囊的整個開發(fā)費用。

2某車型的安全氣囊整車碰撞CAE分析

某車型為全新開發(fā)的VAN類多功能車型，其乘用車版9座的面包車，商用車版為廂式貨車，需要滿足中國GB11551-2003的正面碰撞法規(guī)，需要匹配正面安全氣囊。作者在與氣囊廠家談判的過程當中，對方要求完成表1的前7項試驗，需要使用12臺碰撞樣車（14km/h的低速碰撞可修復再使用），經過估算之后樣車費用已經高達600萬，公司要求按照科學合理原則對碰撞矩陣進行優(yōu)化，在項目開發(fā)前期通過CAE的方法實現安全氣囊虛擬開發(fā)。在本車型按照安全氣囊開發(fā)碰撞試驗要求建立整車分析模型，則在CAE分析過程當中采用HYPERWORKS做前后處理，本模型共有網格數量為1203173，共有721個PART，網格劃分尺寸為10mm，最網格尺寸為3mm，鈑金之間的焊接通過BEAM（MAT100號材料）進行連接模擬，其中所有的膠粘采用SOLID單元模擬；按照各種碰撞要求設置相應的壁障和初始速度，碰撞接觸位置和碰撞角度角度嚴格按照試驗要求施加。這個整車碰撞分析模型在LS-DYNA軟件計算的質量增加0.87％，小于1％代表模型當中的時間步長設置合理，模型滿足CAE分析要求。沙漏能占總能量比例為2.4％，滑動能占總能量比例為0.6％，證明計算結果可信。由于低速14km/h的碰撞能量和50km/h相差了12.7倍，但是同一個基礎模型的沙漏能和滑動能卻是一個定值，因此對低速碰撞的沙漏能和滑動能要嚴格控制，主要的方法是調整CAE模型的干涉現象。本項目總共完成了14km/h的正面碰撞、22km/h的正面碰撞、32km/h的30度斜角碰撞、32km/h的中心柱碰撞、32km/h的騎跨底部刮擦、40km/h的鉆入卡車尾部碰撞、50km/h的正面碰撞，如圖1—7所示：

圖114km/h的正面碰撞

圖2

22km/h的正面碰撞

圖3

32km/h的30度斜角碰撞?

圖432km/h的中心柱碰撞

圖5

32km/h的騎跨底部刮擦

圖640km/h的鉆入卡車尾部碰撞?

在整個碰撞的分析過程當中，首先要確保車輛要有很好的結構耐撞性，確保這7種碰撞形式當中車輛的乘員艙不發(fā)生嚴重的擠壓變形，一排車門有一個車門能夠正常打開，如圖8所示為50km/h正面碰撞后的乘員艙變形評價，建議都要在ACCEPTABLE的范圍之內。結構耐撞性CAE分析輸出車輛左右B柱、ECU位置的加速度、防火墻變形等信息，供確定安全氣囊起爆的大致時間區(qū)域。最后將這些信息輸入到乘員約束系統CAE分析模型（如圖9所示）當中，判斷假人頭部傷害HIC值是否小于650（相當于C-NCAP頭部傷害得滿分）。另外通過14km/h的正面碰撞分析發(fā)現，只有前部的第一橫梁保險杠損壞，可以直接更換保證車輛重復使用。3汽車正面安全氣囊起爆的控制算法

在整車碰撞過程當中，是通過安全氣囊的ECU根據所感應碰撞信號經過控制算法計算之后確定是否點火、點火時間兩個信息，并且點火控制算法要擁有很好的抗干擾能力。目前主要的點火控制算法有：加速度峰值法、速度變化量法、加速度剃度法、比功率法、移動窗法等等，其核心的判斷原則都是車輛的速度急降斜率（整體加速度）和速降持續(xù)時間。作者選擇速度變化量法對以上七個碰撞試驗的信號進行處理，如圖10所示為七次碰撞試驗的速度變化曲線，短黑線代表碰撞的整車速降斜率和持續(xù)時間，以確定是否點火、點火時間兩個信息。因為32km/h的3條曲線重疊放在一起不好區(qū)分查看，因此分別做了X向偏移將其分開，讀者可以將時間偏移回零點讀數。速度變化量法就是通過測得的加速度信號積分得到速度變化量，兼顧變化量持續(xù)的時間，將兩者之間的乘積作為點火信號閥值。

圖10

利用速度變化量法判斷安全氣囊的是否點火和點火時刻

14km/h的正面碰撞是安全氣囊不起爆的上限，要求安全氣囊不起爆，而22km/h的正面碰撞是安全氣囊起爆的下限，要求安全氣囊必須起爆。觀察兩條速度變化曲線，可發(fā)現斜率相差了一倍，速降持續(xù)時間為10ms，將22km/h的斜率和持續(xù)時間的乘積做為點火閥值，判斷22km/h的點火時間為22ms。同理判斷40km/h的鉆入卡車尾部碰撞點火時間為35ms，50km/h的正面碰撞點火時間為14ms。同樣的32km/h速度在3種碰撞形式下要求30度斜面碰撞和中心柱碰撞必須點火，但是騎跨底部刮擦試驗不能起爆，由于本車型是中置發(fā)動機，在30度斜面碰撞和中心柱碰撞當中其斜率與14km/h相當，但是其持續(xù)時間長達20ms，經過分析判斷30度斜面碰撞的點火時間為28ms，中心柱碰撞為40ms。因此建議提高第一橫梁必須加強，錯開起爆和不起爆的信號區(qū)域，從而提高安全氣囊抗干擾抗誤爆的能力。

作者經過基于CAE分析的安全氣囊全套虛擬開發(fā)，認為32km/h騎跨底部刮擦試驗的速降斜率小于14km/h，達不到點火的閥值不會造成安全氣囊誤爆，因此將32km/h的騎跨底部刮擦試驗取消；對于40km/h鉆入卡車尾部碰撞的速降斜率和持續(xù)時間都大于32km/h中心柱碰撞，必然能夠達到點火的閥值確保正常展開，因此將40km/h鉆入卡車尾部碰撞試驗取消。氣囊廠家也認可了作者的觀點，最后共同制定安全氣囊的開發(fā)策略，將碰撞樣車的數量從12輛降低到8輛，為公司節(jié)約4輛碰撞樣車以及相關的試驗、運輸等費用，總計約260萬。通過基于CAE分析的安全氣囊全套虛擬開發(fā)體現了技術創(chuàng)造價值的開發(fā)理念。

4基于CAE分析的安全氣囊全套虛擬開發(fā)的價值和相關探討

綜上所述，經過基于CAE分析的安全氣囊全套虛擬開發(fā)，最直接的價值就是為汽車企業(yè)科學合理地縮減碰撞樣車數量，其節(jié)約的費用高達260萬，體現了技術創(chuàng)造價值的開發(fā)理念。第二，通常中國自主品牌汽車企業(yè)的安全氣囊開發(fā)工作都是由氣囊廠家所主導，汽車企業(yè)主要是提供資金、碰撞樣車、相關的接口等，作者經過安全氣囊全套虛擬開發(fā)后主導了安全氣囊開發(fā)工作，改變了氣囊廠家主導的局面，為汽車企業(yè)的技術實力增強做出了貢獻。作者根據多年碰撞安全性能開發(fā)工作經驗，提出一下建議供社會各界人士探討：

第一，基于CAE分析的安全氣囊全套虛擬開發(fā)在汽車開發(fā)前期可以提供大量的設計數據，有利于科學合理地制定安全氣囊開發(fā)策略，實現安全氣囊開發(fā)的成本最低化；

第二，安全氣囊匹配的關鍵在于車輛自身的結構耐撞性，可以通過前期的安全氣囊虛擬開發(fā)提前發(fā)現存在的一些問題，在汽車結構耐撞性方面做一定的改進，錯開起爆和不起爆的信號區(qū)域，從而提高安全氣囊抗干擾抗誤爆的能力。