基于RADIOSS的DAB气囊建模和对标分析

摘要: 本文介绍了基于RADIOSS求解器的DAB(驾驶员侧安全气囊)有限元模型的建立方法，详细讲述了安全气囊参数，泄气孔参数，织物材料和属性，接触，参考几何的详细设置，通过仿真和实验数据的对比，验证了基于RADIOSS求解器的气囊建模的有效性，为其他类型气囊的建模奠定了基础。
关键词: RADIOSS， DAB安全气囊，控制体积法，接触

1 概述

汽车安全气囊是一种被动安全保护装置，它对防止司乘人员伤亡，减少伤残有明显效果，其中，气囊在展开后的泄气性能对安全气囊的安全保护作用有很大影响，因此，在设计初期，气囊厂商都需要对所使用织物材料的泄气性以及气囊上的开孔的泄气性能进行实验和仿真验证，目前常用的主要有跌落塔法，线性冲击法，摆锤法，本文针对线性冲击法基于RADIOSS求解器对DAB气囊进行建模和验证。

Altair RADIOSS是一个功能强大的有限元求解器，包含显式和隐式时间积分求解算法，同时支持拉格朗日、欧拉和 ALE 算法。采用 RADIOSS 技术，用户可以自由地选择采用动态、静态或瞬态的方式实现对大应变和大位移等非线性结构、流体、流固耦合问题的仿真求解。本文应用了RADIOSS Block格式的显式时间积分求解算法。

DAB气囊模型的建模过程基于前处理软件HyperMesh 和 HyperCrash, 后处理软件HyperView和HyperGraph, RADIOSS模板为RADIOSS Block 100.

2 有限元模型建立

2.1 CAE建模需求

线性冲击模型需要包括安全气囊有限元模型，气体发生器质量流和温度流曲线，方向盘模型，DAB固定支架，线性冲击块，本文重点介绍RADIOSS求解器的DAB安全气囊建模方法，气囊的几何处理和折叠方法在此不述,方向盘和线性冲击块的有限元模型均使用壳体单元和刚性材料建模。

2.2 模型设置

线性冲击模型根据实验设置建立，触发距离为520mm，冲击块初始速度为6.7m/s，其中,触发距离指冲击块距离方向盘外缘前端的垂直距离，当冲击块从远端移动到该距离时，DAB气囊点爆，气体发生器产生气体充入气袋，气囊随之展开。

2.3 DAB气囊建模

2.3.1 气囊定义

RADIOSS中的安全气囊建模采用控制体积法“Monitored Volume”，目前，RADIOSS提供三种气囊建模方式：

第一种：/AIRBAG 经典的均匀压力法建模；
第二种：/COMMU 具有交互作用的多腔室均匀压力法；
第三种：/FVMBAG 非均匀压力的有限体积法；

本文采用了第一种的均匀压力法，该方法通过在控制体积中定义一个封闭的，法线方向指向外的3节点或4节点的壳单元组件来定义安全气囊，该气囊体积由其单元围成，且不需要建立气体发生器，而是通过质量流量和温度两个与时间相关的函数参数来描述从气体发生器释放出来的气体，从而计算出流入安全气囊的气体总量，均匀压力法基于两个假设：

a， 气囊中的气体是理想气体;
b， 在气囊中的温度和压力是一致的。

均匀压力法对应的数学模型见图1，公式为：

其中，P为均匀的气囊压力，V为气囊体积，m气囊内的气体质量，R气体常数，T气体温度

图1:均匀压力法数学模型

当泄气孔处的压力差或泄气时间阈值满足时，泄气孔开始泄气.

RADIOSS中均压法定义气囊的关键字为/MONVOL/AIRBAG,主要包括初始化环境空气和定义气体发生器的质量流和温度流曲线以及比热比系数CPA，CPB，CPC内容，在HyperMesh中定义如图1所示：

图1 安全气囊定义

2.3.2 泄气孔定义

安全气囊泄气包括织物泄气和气孔泄气，在/MONVOL/AIRBAG关键字中定义，通过指定泄气孔的压力和时间曲线，气孔面积和时间曲线的方式来定义泄气性能，本文通过两种方式定义泄气性，织物泄气通过输入有效的泄气总面积和泄气开始时间来定义，气孔则指定气孔对应的part，在HyperMesh中定义如图2所示

图2 泄气孔及参数定义

Avent选项输入织物总的有效泄气面积，Svent处指定泄气孔对应组件；
Iport,IportP，IporA用于控制泄气性与时间，气囊内压力，气囊展开的面积的关系。

2.3.3 材料和属性定义

RADIOSS 提供两种织物材料模型，MAT19线弹性材料和MAT58非线性弹性材料，本文采用MAT19线弹性材料模型建模，其中，R_E和ZEROSTRESS选项的设置对气囊展开形状影响明显，建议R_E设置为1%，另外，/MAT/FABRI材料必须对应/PROP/SH_ORTH属性。

图3：织物材料和属性定义

ZEROSTRESS=1用于指定该织物材料在展开前消除初始应力；
SH_ORTH属性中N为单元在厚度方向的积分点个数，对织物类薄膜单元N= 1。

2.3.4 接触定义

气囊自接触以及气囊与周围组件间的接触均使用type7类型，type7是RADIOSS中一种通用接触类型，对大部分接触均适用，对于气囊自接触和气囊与其它组件的接触，为防止穿透的产生，建议INACTI设置为5。

图4 接触定义

2.3.5 参考几何

参考几何是气囊展开过程中必不可少的部分，气囊在折叠的过程中会产生较大的网格变形，参考几何能使折叠后的气囊展开时恢复到折叠之前的原有尺寸和大小，因此，参考几何记录了气囊在折叠之前的网格节点的相对位置，建模过程中，参考几何的节点编号要和折叠后的节点编号完全一致。
RADIOSS中，参考几何通过/XREF或者/REFSTA关键字来引用，两者的主要区别是/XREF根据气囊织物的不同组件单独引用，/REFSTA则将气囊作为整体引用，引用参考几何后，需要将 /MAT/LAW19织物材料的zero stress标志设置为1，以便气囊展开时能消除初始应力。

2.3.6 ENGINE文件

RADIOSS包括START和ENGINE文件，其中ENGINE文件以_0001.rad结尾，用于控制计算时间步长，计算结束时间，动画输出，节点位移，单元应力应变输出等内容，示例如下：

DAB_linear_impact_0001.rad——————〉ENGINE文件需与start文件同名，仅后缀不同
/TITLE ———————————————〉仿真所用的标题
/VERS/100 ——————————————〉仿真适用的RADIOSS版本
/DT/INTER/CST————————————〉接触时间步长的控制
/DT/NODA/CST—————————————〉节点时间步长的控制
/ANIM/DT ——————————————〉动画输出时间间隔
/RUN/DAB_linear_impact/1———————〉计算结束时间控制
/ANIM/ELEM/EPSP———————————〉单元有效应变输出
/ANIM/ELEM/VONM———————————〉单元VONMISS应力输出
/PARITH/ON—————————————〉多核并行运算控制


3 结果分析

将建立的模型文件提交到RADIOSS模块中计算后，打开HyperView和HypeGraph读取A01动画文件和冲击块的加速度曲线，MediaView读取AVI格式的实验录像,可对仿真结果进行对比分析。

3.1 运动对比

对比结果表明，仿真气囊的展开过程和实验能很好的吻合。

3.2 曲线对比

本节主要对比实验和仿真中的冲击块加速度，速度，位移和能量的曲线，通过冲击块的曲线对比，可验证气囊的泄气性设置参数的正确性。

对比结果表明，仿真与实验能很好的吻合，均压法气囊建模方法获得了气囊织物和开孔的泄气性参数。

4 结论

本文基于RADIOSS 求解器，应用HyperMesh和HyperCrash作为前处理，对DAB气囊线性冲击模型进行了建模和仿真对标分析，计算结果表明,RADIOSS求解器具有先进的求解算法和计算稳定性，为后期整车碰撞分析假人的伤害预测提供了可靠的输入。

安全气囊的均匀压力法建模会导致气囊展开初期的形状与实验有差别，在建模过程中，在特定部件上应用‘喷气效应’设置，或者用多腔室法建模，可使气囊的展开更符合预期。

5 参考文献
[1] RADIOSS_10.0_Reference_Guide