達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA公司在此感謝寶馬集團(tuán)提供本研究中使用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元模型。

汽車(chē)安全行業(yè)將均勻壓力法（UPM）廣泛地用于氣囊展開(kāi)仿真。根據(jù)UPM的假設(shè)性定義，氣囊中的壓力在膨脹過(guò)程中會(huì)在空間上保持一致，使得該方法特別適用于已完全膨脹氣囊的“就位”（IP）分析。相比之下，另一種分析可以被表征為“非就位”（OOP）分析，如果乘客在氣囊完全展開(kāi)之前就與之相互作用。在完全膨脹之前氣囊中存在巨大的空間壓力梯度，這與UPM方法的假設(shè)前提不符。

氣囊法規(guī)和技術(shù)的發(fā)展要求考慮OOP場(chǎng)景。因此開(kāi)展準(zhǔn)確的分析需要一種能夠仿真膨脹過(guò)程中氣流的流動(dòng)的工具。Abaqus/Explicit提供一種高精密的耦合歐拉—拉格朗日（CEL）技術(shù)，用于仿真氣囊中的動(dòng)態(tài)氣流。這種基于氣流的CEL方法能夠更加真實(shí)地預(yù)測(cè)氣囊展開(kāi)各個(gè)階段的氣囊形狀和壓力分布。

圖1：折疊的氣囊展開(kāi)16ms時(shí)：測(cè)試、CEL和UPM仿真方法

在使用UPM方法 仿 真氣 囊 膨脹 時(shí)，壓 力會(huì) 隨 時(shí) 間 變化，但在任何瞬時(shí)壓力的空間分布都是均勻的。假設(shè)的有效性在完全膨脹時(shí)最高，因此UPM傳統(tǒng)上用于仿真乘客撞擊完全膨脹的氣囊時(shí)的IP負(fù)載情況。在靜態(tài)OOP安全測(cè)試下，乘客與氣囊的相互作用開(kāi)始于氣囊部分展開(kāi)時(shí)。在膨脹的初期階段，氣囊內(nèi)部存在巨大的空間壓力梯度。緊密折疊氣囊的部分區(qū)域在氣囊展開(kāi)之前不會(huì)有膨脹氣體進(jìn)入。UPM假設(shè)氣囊中的氣體運(yùn)動(dòng)必須將這種情況加以考慮。耦合歐拉—拉格朗日（CEL）技術(shù)為仿真氣囊內(nèi)部的氣流提供了更加保真的方法。因此，即便是在膨脹的早期階段，這種方法也能夠預(yù)測(cè)更加真實(shí)的展開(kāi)并準(zhǔn)確地計(jì)算氣囊中的空間和時(shí)間壓力變化過(guò)程。圖1是使用這兩種方法對(duì)最初處于折疊狀態(tài)的氣囊在展開(kāi)16 ms時(shí)的形狀的預(yù)測(cè)對(duì)比。

上個(gè)世紀(jì)90年代后期德國(guó)汽車(chē)制造商成立了一個(gè)“工作組”，開(kāi)展“非就位”仿真的通用方法進(jìn)行評(píng)估和開(kāi)發(fā)。該工作組使用標(biāo)準(zhǔn)的60升駕駛員氣囊模型評(píng)估不同的仿真技術(shù)。評(píng) 估中使用了處于平攤和折疊兩種狀態(tài)的駕駛員氣 囊。同樣的兩個(gè)工作組氣 囊也被 用于A(yíng)baqus/Explicit演示CEL方法示例中。

測(cè)試配置由有一個(gè)自由懸掛半球形頭部構(gòu)成的氣囊（圖2）。在展開(kāi)過(guò)程中氣囊推動(dòng)頭部，加速測(cè)量并與測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

拉格朗日氣囊使用膜元離散化。纖維構(gòu)成模型為各項(xiàng)異性和非線(xiàn)性，并從填充、折疊和剪切三個(gè)組成方向中的每一個(gè)采集氣囊編織物質(zhì)的獨(dú)立加載、卸載、機(jī)械響應(yīng)。

在傳統(tǒng)的拉格朗日分析中，節(jié)點(diǎn)被固定在材料內(nèi)，元素隨著材料形變而形變。拉格朗日元素往往 是100%填充物質(zhì)，因此材料邊界與元素邊界重疊。與此相反的歐拉分析中節(jié)點(diǎn)固定在空間中，材料流經(jīng)不發(fā)生形變的元素。歐拉元素一般不會(huì)全部填充材料，許多歐拉元為半空或全空。用于這些仿真的歐拉網(wǎng)格是一個(gè)構(gòu)造簡(jiǎn)單的網(wǎng)格，能夠理想地延伸到歐拉材料邊界之外，賦予物質(zhì)移動(dòng)和形變的空間。

氣囊 充氣機(jī)用多個(gè)位 置貼近 進(jìn)氣點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)表示。在每個(gè)充氣器節(jié)點(diǎn)上設(shè)定一個(gè)向量，用于代表氣流的方向。充氣元件節(jié)點(diǎn)上的速度通過(guò)根據(jù)輸入質(zhì)量流速率、面積和方向向量求解動(dòng)量方程求得。進(jìn)入氣囊的氣體在充氣元件節(jié)點(diǎn)上的溫度和質(zhì)量流速率則設(shè)定為充氣時(shí)間的函數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中充氣的氣體組成構(gòu)成會(huì)隨時(shí)間改變，但在仿真中充氣氣體成分被假定為恒定。

圖2：平攤（左）和折疊（右）氣囊仿真模型的初始配置

拉元件能夠同時(shí)包含多種材料。在每個(gè)時(shí)間增量計(jì)算每種材料的歐拉體積分?jǐn)?shù)（EVF），并根據(jù)EVF確定每個(gè)元件的材料表面。這些歐拉材料表面能夠與拉格朗日面相互作用，比如氣囊。歐拉域最初沖滿(mǎn)空氣。在充氣機(jī)點(diǎn)火時(shí)，氣體填滿(mǎn)氣囊，并將空氣推出。用Abaqus/Explicit一般接觸功能采集拉格朗日接觸和歐拉—拉格朗日接觸。后者僅定義在充氣機(jī)和氣囊之間的氣體。

外界氣體和氣囊之間沒(méi)有定義接觸。因此可以有把握地推測(cè)，由于高膨脹壓力，空氣無(wú)法再次進(jìn)入氣囊。

圖3：平攤氣囊展開(kāi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和CEL預(yù)測(cè)

圖4：折疊氣囊展開(kāi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和CEL預(yù)測(cè)

兩種模型都使用5mm的均勻歐拉網(wǎng)格。圖3和圖4顯示的是工作組平攤氣囊和折疊氣囊的實(shí)驗(yàn)展開(kāi)結(jié)果與CEL預(yù)測(cè)的對(duì)比。圖5顯示的是平攤氣囊和折疊氣囊兩種方式下仿真的頭部加速度對(duì)比。就兩種氣囊模型而言，加速歷程和氣囊展開(kāi)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)合理地吻合。

良好地捕獲加速歷程。CEL仿真更準(zhǔn)確地捕獲了初始峰值加速度和最大峰值加速度。兩種氣囊模型，CEL仿真能更好地在加速圖中捕獲加速曲線(xiàn)的振蕩。上述實(shí)驗(yàn)與 CEL 方法之間的關(guān)聯(lián)說(shuō)明 Abaqus/Explicit能夠預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)結(jié)果，即便是在氣囊展開(kāi)之初也能預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)的結(jié)果。因此這種方法能成功用于“非到位”負(fù)載工況。