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硕士论文文献综述 论文名称： 安全气囊仿真模拟方法比较 姓 名： 郝旭超 学 号： 2010414032 专 业： 机械工程 所属院系：机械科学与工程学院 学院指导老师：程亚兵、冯増铭 企业指导教师：鲁宏升 企业指导老师单位：上海恒士达科技有限公司 论文起止时间： 年 月 安全气囊数字仿真研究方法文献综述 经过半个多世纪的发展，安全气囊在碰撞事故中对乘员的保护作用得到了普遍认可，对其工作过程的仿真研究也越来越得到重视。 Irish （1971年和 King 等（ 1972 年 最早开 始了安全气囊的建模工作， 以模拟碰撞中气囊与乘员的相互作用。 但早期研究多将气囊最终形状设定为椭球等简单的几何形体， 并通过乘员模型侵入几何体的深度来计算作用。 在上述二人的工作基础上 ，Nefsk对含可压缩气体的安全气囊与乘员的相互作用进行仿真分析和试验， 并指出， 为提高仿真精度， 必须考虑非理想气体 、扩散限制 、气囊满体积后材料拉伸性能的改变等。 随着相关理论的发展 ，以及人们对汽车被动安全性要求的提高， 由此带来对高精度仿真方法的迫切需求。 本文对安全气囊展开仿真的相关理论和研究工作进行分析 ，包括 CV 、CFD 和基于分子运动论的CPM 方法， 对其应用状况和优缺点进行研究 ，并指出该领域的研究方向。 控制体积法（CV） 理论基础 1988 年， Wang 和 Nefsk 开发了通用的安全气囊模型， 可以较精确地模拟气囊展开过程和对乘员的作用力 ，为 CV 方法奠定了理论基础。 在 CV 方法中， 气囊被看作是不断扩大的控制体积， 气囊模型如图 1 所示。 假设其内部的气体为理想气体 ，且压力和温度分布均匀。 该方法无需建立气体发生器模型， 通过质量流量和温度来描述气体发生器产生的气体。 图 1 CV 法气囊展开模型 在 CV 方法中， 每一个时间步的控制体积V 可通过格林积分得到（ 取对 的偏导）， 即： （1） 式中： 为i 单元的 x坐标平均值, 为单元法线与x轴夹角的余弦值, 为单元表面积。 基于理想气体和绝热的前提 ，气囊内的压力与气体密度 和气体比内能e 有关 ,即： （2） 式中: 为气体比热比， = / ,和 分别为气体定压比热容和定容比热容， 且两相邻状态的比内能有如下关系： （3） 式中: i和 i+1 代表前后相邻的两个状态。 气囊展开的压力、 体积关系基于上述三式确定， 但实际计算时的压力计算会复杂得多。 由气体发生器产生的总气体质量流量： （4） 式中：为进入气囊的气体质量流量， 和分别为因气囊泄气孔和织物漏气而流出的气体质量流量。 通过给定的气体质量流量曲线和入射气体温度，可以计算初始时内能的变化率： （5） 由此， 根据初始的质量和温度便可计算初始内能 ，并进一步计算比内能和压力， 进而开始迭代循环。 然而， 由上述公式可以看出， CV 方法基于热力学方程， 对气囊模型作了很大的简化， 忽略了流体的运动。 虽然这对 IP 情况下气囊与乘员相互作用仿真的影响并不是很大， 因为此时气囊已完全展开， 内部压力分布较均匀， 气流的作用不明显 ；但在 OOP 情况下， 乘员可能距离气囊较近， 气囊未完全展开 ，从气体发生器中产生的高速气体可能对乘员造成严重伤害 ，故需要准确模拟气体的流动。 因此 CV 方法并不适用于 OOP 乘员与气囊的接触分析。 1.2相关研究 在 20 世纪 90 年代， 出现了一系列应用 CV 方法对气囊展开的仿真研究。 Lasry 在 1991 年使用 CV 方法对驾驶员侧气囊展开进行仿真， 与试验结果对比显示出较好的相似度， 并研究了副驾驶员侧气囊与 OOP 乘员的接触， 但没有通过实验证明CV 方法对 OOP 仿真的有效性。 与此同时 ，CV 方法也不断得到修正。 1995 年，Wan建立了带有混合气体发生器的气囊模型， 可调整输出气体特性， 具有相当的灵活性。 此外， 针对气体发生器的气体喷射效应 （Jetting）， 1993 年，Groenenboom 建立了考虑湍流扩散的气体发生器模型；； 1996 年， Fredriksso对考虑 Jetting 的气囊模型和 Hybrid III 型假人在 OOP 情况下的相互作用进行研究， 仿真结果表明胸部加速度过大。 类似的模型在 MADYMO（ Lupker 1993 ）和 LS -DYNA（Hallquist， 1998 中也有出现 。但这类模型对于喷出气流的速度分