基于CAE安全气囊开发需求分析与测试

1安全气囊的碰撞试验矩阵以及相关费用

随着中国汽车产业的高速发展，消费者对汽车碰撞安全性能的要求日益提高，安全气囊已经成为很多乘用车的基本配置。对于企业而言，安全气囊是一个技术含量非常高的零部件，其开发费用主要集中在样车费用和试验费用。由于安全气囊的开发周期需要1年以上，对于气囊采集碰撞样车和气囊验证碰撞样车都要集中在试制S1和S2阶段，其中很多零部件是快速成型件，其试制样车费用是量产车的4—5倍。表1为目前广泛使用的正面安全气囊整车碰撞试验矩阵，采集试验和验证试验共需要碰撞18辆车，其碰撞样车的费用高达800万，外加试验费用、模具开发费用、ECU标定费用等，安全气囊的总开发费用超过1400万。

表1安全气囊匹配实车碰撞试验形式

相对于其他的零部件，安全气囊的开发费用偏高，并且安全气囊的碰撞试验都需要实车碰撞，作者尝试在项目前期使用CAE分析完成安全气囊的虚拟开发，科学合理制定安全气囊的开发策划，通过双方评估来降低试验样车的数量，从而降低安全气囊的整个开发费用。

2某车型的安全气囊整车碰撞CAE分析

某车型为全新开发的VAN类多功能车型，其乘用车版9座的面包车，商用车版为厢式货车，需要满足中国GB11551-2003的正面碰撞法规，需要匹配正面安全气囊。作者在与气囊厂家谈判的过程当中，对方要求完成表1的前7项试验，需要使用12台碰撞样车（14km/h的低速碰撞可修复再使用），经过估算之后样车费用已经高达600万，公司要求按照科学合理原则对碰撞矩阵进行优化，在项目开发前期通过CAE的方法实现安全气囊虚拟开发。在本车型按照安全气囊开发碰撞试验要求建立整车分析模型，则在CAE分析过程当中采用HYPERWORKS做前后处理，本模型共有网格数量为1203173，共有721个PART，网格划分尺寸为10mm，最网格尺寸为3mm，钣金之间的焊接通过BEAM（MAT100号材料）进行连接模拟，其中所有的胶粘采用SOLID单元模拟；按照各种碰撞要求设置相应的壁障和初始速度，碰撞接触位置和碰撞角度角度严格按照试验要求施加。这个整车碰撞分析模型在LS-DYNA软件计算的质量增加0.87％，小于1％代表模型当中的时间步长设置合理，模型满足CAE分析要求。沙漏能占总能量比例为2.4％，滑动能占总能量比例为0.6％，证明计算结果可信。由于低速14km/h的碰撞能量和50km/h相差了12.7倍，但是同一个基础模型的沙漏能和滑动能却是一个定值，因此对低速碰撞的沙漏能和滑动能要严格控制，主要的方法是调整CAE模型的干涉现象。本项目总共完成了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的骑跨底部刮擦、40km/h的钻入卡车尾部碰撞、50km/h的正面碰撞，如图1—7所示：

图114km/h的正面碰撞

图2

22km/h的正面碰撞

图3

32km/h的30度斜角碰撞 

图432km/h的中心柱碰撞

图5

32km/h的骑跨底部刮擦

图640km/h的钻入卡车尾部碰撞 

在整个碰撞的分析过程当中，首先要确保车辆要有很好的结构耐撞性，确保这7种碰撞形式当中车辆的乘员舱不发生严重的挤压变形，一排车门有一个车门能够正常打开，如图8所示为50km/h正面碰撞后的乘员舱变形评价，建议都要在ACCEPTABLE的范围之内。结构耐撞性CAE分析输出车辆左右B柱、ECU位置的加速度、防火墙变形等信息，供确定安全气囊起爆的大致时间区域。最后将这些信息输入到乘员约束系统CAE分析模型（如图9所示）当中，判断假人头部伤害HIC值是否小于650（相当于C-NCAP头部伤害得满分）。另外通过14km/h的正面碰撞分析发现，只有前部的第一横梁保险杠损坏，可以直接更换保证车辆重复使用。3汽车正面安全气囊起爆的控制算法

在整车碰撞过程当中，是通过安全气囊的ECU根据所感应碰撞信号经过控制算法计算之后确定是否点火、点火时间两个信息，并且点火控制算法要拥有很好的抗干扰能力。目前主要的点火控制算法有：加速度峰值法、速度变化量法、加速度剃度法、比功率法、移动窗法等等，其核心的判断原则都是车辆的速度急降斜率（整体加速度）和速降持续时间。作者选择速度变化量法对以上七个碰撞试验的信号进行处理，如图10所示为七次碰撞试验的速度变化曲线，短黑线代表碰撞的整车速降斜率和持续时间，以确定是否点火、点火时间两个信息。因为32km/h的3条曲线重叠放在一起不好区分查看，因此分别做了X向偏移将其分开，读者可以将时间偏移回零点读数。速度变化量法就是通过测得的加速度信号积分得到速度变化量，兼顾变化量持续的时间，将两者之间的乘积作为点火信号阀值。

图10

利用速度变化量法判断安全气囊的是否点火和点火时刻

14km/h的正面碰撞是安全气囊不起爆的上限，要求安全气囊不起爆，而22km/h的正面碰撞是安全气囊起爆的下限，要求安全气囊必须起爆。观察两条速度变化曲线，可发现斜率相差了一倍，速降持续时间为10ms，将22km/h的斜率和持续时间的乘积做为点火阀值，判断22km/h的点火时间为22ms。同理判断40km/h的钻入卡车尾部碰撞点火时间为35ms，50km/h的正面碰撞点火时间为14ms。同样的32km/h速度在3种碰撞形式下要求30度斜面碰撞和中心柱碰撞必须点火，但是骑跨底部刮擦试验不能起爆，由于本车型是中置发动机，在30度斜面碰撞和中心柱碰撞当中其斜率与14km/h相当，但是其持续时间长达20ms，经过分析判断30度斜面碰撞的点火时间为28ms，中心柱碰撞为40ms。因此建议提高第一横梁必须加强，错开起爆和不起爆的信号区域，从而提高安全气囊抗干扰抗误爆的能力。

作者经过基于CAE分析的安全气囊全套虚拟开发，认为32km/h骑跨底部刮擦试验的速降斜率小于14km/h，达不到点火的阀值不会造成安全气囊误爆，因此将32km/h的骑跨底部刮擦试验取消；对于40km/h钻入卡车尾部碰撞的速降斜率和持续时间都大于32km/h中心柱碰撞，必然能够达到点火的阀值确保正常展开，因此将40km/h钻入卡车尾部碰撞试验取消。气囊厂家也认可了作者的观点，最后共同制定安全气囊的开发策略，将碰撞样车的数量从12辆降低到8辆，为公司节约4辆碰撞样车以及相关的试验、运输等费用，总计约260万。通过基于CAE分析的安全气囊全套虚拟开发体现了技术创造价值的开发理念。

4基于CAE分析的安全气囊全套虚拟开发的价值和相关探讨

综上所述，经过基于CAE分析的安全气囊全套虚拟开发，最直接的价值就是为汽车企业科学合理地缩减碰撞样车数量，其节约的费用高达260万，体现了技术创造价值的开发理念。第二，通常中国自主品牌汽车企业的安全气囊开发工作都是由气囊厂家所主导，汽车企业主要是提供资金、碰撞样车、相关的接口等，作者经过安全气囊全套虚拟开发后主导了安全气囊开发工作，改变了气囊厂家主导的局面，为汽车企业的技术实力增强做出了贡献。作者根据多年碰撞安全性能开发工作经验，提出一下建议供社会各界人士探讨：

第一，基于CAE分析的安全气囊全套虚拟开发在汽车开发前期可以提供大量的设计数据，有利于科学合理地制定安全气囊开发策略，实现安全气囊开发的成本最低化；

第二，安全气囊匹配的关键在于车辆自身的结构耐撞性，可以通过前期的安全气囊虚拟开发提前发现存在的一些问题，在汽车结构耐撞性方面做一定的改进，错开起爆和不起爆的信号区域，从而提高安全气囊抗干扰抗误爆的能力。