采用Abaqus/Explicit CEL仿真安全气囊膨胀

• 摘要

采用一致压力法（UPM）仿真安全气囊的膨胀，在汽车安全工业中被广泛应用。UPM的假设让这个方法非常适用于充分膨胀的安全气囊的“in-position”（IP）分析，尤其是气囊中的压力在安全气囊膨胀过程中各向一致。相反的是，如果驾驶员在安全气囊完全展开前与其产生相互作用，那分析通常由“out-of-position”（OoP）来表征，然而在安全气囊完全膨胀之前，气囊中会存在大空间压力梯度，这违背了UPM方法的假设。

气囊管理条例和技术的发展迫使对OoP的考虑成为必需条件。因此准确的分析需要一个能够满足在膨胀过程中对气体流动分析的工具。Abaqus/Explicit提供了成熟的欧拉—拉格朗日耦合方法（CEL），可以对气囊中气体流动进行仿真。基于CEL 的流体分析给我们提供了气囊在膨胀的各个阶段中形状和压力分布更为准确的预测。

图0 CEL方法展开安全气囊

ABAQUS的主要特征和优点

• CEL技术可以对气囊中的气体流动建模，也可以分析在膨胀过程中对周围气体的影响。

• 采用强大的和鲁棒性好的通用接触算法，能够很容易的连接拉格朗日实体和欧拉网格材料的相互作用。

• 广泛的材料库可以模拟气囊的纤维织物材料和气体状态方程。

• 背景

在采用UPM对气囊膨胀仿真的过程中，压力会产生短暂变化，但在每一个瞬时，压力在空间中的分布是均匀的。在气囊完全膨胀时UPM中的假设最有效；因此UPM一般用于仿真IP案例，这时气囊处于充分膨胀状态。

在静态的OoP安全测试中，在气囊部分膨胀的时候，驾驶员与气囊的相互作用就开始发生了。在膨胀的最初阶段，气囊中存在很大的空间压力梯度；在气囊打开之前，一些折叠很紧的区域看不到膨胀的气体。UPM方法的假设也就无法成立，而且在这种情况下，气囊中气体的运动必须要考虑。CEL方法通过模拟气囊内气体流动，提供了更高的保真度。因此，这种方法可以更真实的预测膨胀过程并准确地计算气囊内部压力在空间和时间上的变化，即便在膨胀的初期也能做到。图1比较了两种方法预测气囊膨胀16ms时的形状。

图1 安全气囊展开（16ms）

• 安全气囊工作组

在1990年代末，德国汽车制造商成立了一个工作组来评估和开发一个用于OoP仿真的通用方法[1]。该工作组用一个标准的60公升的气囊模型来评估不同的仿真方法。在评估中，用了扁平和褶皱这两种不同的气囊。这两个相同的气囊组都被用来证明Abaqus/Explicit 中 CEL方法的有效性。测试装置由一个初始与气囊相接触的半球形自由悬挂头组成（图2）。在膨胀过程中，气囊推动球头，我们可以得到加速度和相关测试数据。

图2 安全气囊有限元模型：平铺和折叠

• 有限元分析方法

采用离散化拉格朗日气囊薄膜单元。纺织物材料的模型是各向异性和非线性的，也体现了独立加载和卸载中纺织材料在填补、扭曲和剪切这三个方向任一方向的力学响应。在传统的拉格朗日分析中，节点在材料中固定，单元随着材料的变形而变形。拉格朗日单元通常100%被赋予材料，所以材料边界和单元边界是一致的。相反的是，欧拉分析节点在空间中固定，材料通过不变形的单元流动。欧拉单元并不一定全都被赋予材料；有些单元一部分或者完全是没有有材料的。仿真中的欧拉网格是一个简单的网格，用来扩展欧拉材料边界，提供材料移动和变形的空间。气囊的充气装置由一些近似于流入点的节点来表示。每一个充气节点所定义的矢量表示了气体流动的方向。充气单元节点的速度可以通过求解基于输入质量流速率，区域和方向向量得到的动量方程得到。气体进入气囊的温度和质量流速率通过与膨胀时间相关的函数定义在节点中。在实验中，充入的气体组成是随时间变化的，但在仿真中，气体的组成被假定为恒定不变。

一个欧拉单元可以在同一时间包含多种材料。在每一个时间增量，每个材料的欧拉体积分数（EVF）都会计算一遍，而且在EVF的基础上，确定每个单元的材料面。这些欧拉材料面可以和拉格朗日材料面相互作用，如安全气囊。欧拉域最初充满气体。当开始充气，气体填满整个安全气囊并让气体排出。Abaqus/Explicit 通用接触包含了拉格朗日接触和欧拉-拉格朗日接触。后者只存在于充气气体和气囊中。气囊和外部气体之间没有定义接触。气体不会因为高的膨胀压力而重新进入安全气囊的假设是合理的。

• 结果和结论

这两个模型采用的都是5mm的均匀欧拉网格。图3和图4给我们展示了应用CEL方法预测，扁平和褶皱安全气囊的实验对比。图5给我们展示了这两种仿真情况下各自的球头加速度。对这两种安全气囊模型，加速度记录和气囊膨胀过程与是实验结果非常吻合。

图3 平铺安全气囊展开：实验和CEL对比

图4 折叠安全气囊展开：实验和CEL对比

从图5可以明确的看到，UPM方法在膨胀的起始阶段所得到的加速度并不是非常理想。CEL仿真中得到的加速度初始峰值和最大峰值更加准确。在这两个安全气囊模型中，CEL仿真都能更好的获取加速度幅值。

图5 加速度对比：平铺气囊（左）和折叠气囊（右）

上述实验和CEL仿真的对比表明，即便在安全气囊膨胀早期，Abaqus/Explicit也能够得到非常准确的结果，因此，该方法可以成功的应用于OoP加载案例。

参考文献

1. Benno Beesten, Andreas Hirth, Robert Reilink, Rolf Remensperger, Doris Rieger, Gunther Seer, “OOP-Simulation-A tool to design airbags? Current Capabilities in Numerical Simulation,” Technical Report, OOP Simulation WorkingGroup of German Automobile Manufacturers, 2004.

2. Isheng Yeh, Li Chai and Nripen Saha , “Application of ALE to airbag deployment simulation,” Int. J. Vehicle Safety,Vol. 1, No. 4, 2006