简介
汽车安全行业将均匀压力法（UPM）广泛地用于气囊展开仿真。根据UPM的假设性定义，气囊中的压力在膨胀过程中会在空间上保持一致，使得该方法特别适用于已完全膨胀气囊的“就位”（IP）分析。相比之下，另一种分析可以被表征为“非就位”（OOP）分析，如果乘客在气 囊完全展开之前就与之相互作用。在完全膨胀之前气囊中存在巨大的空间压力梯度，这与UPM方法的假设前提不符。
气囊法规和技术的发展要求考虑OOP场景。因此开展准确的分析需要一种能够仿真膨胀过程中气流的流动的工具。
Abaqus/Explicit提供一种高精密的耦合欧拉—拉格朗日（CEL）技术，用于仿真气囊中的动态气流。这种基于气流的CEL方法能够更加真实地预测气囊展开各个阶段的气囊形状和压力分布。
背景
在使用UPM方法仿真气囊膨胀时，压力会随时间变化，但在任何瞬时压力的空间分布都是均匀的。假设的有效性在完全膨胀时最高，因此UPM传统上用于仿真乘客撞击完全膨胀的气囊时的IP负载情况。在静态OOP安全测试下，乘客与气囊的相互作用开始于气囊部分展开时。在膨胀的初期阶段，气囊内部存在巨大的空间压力梯度。紧密折叠气囊的部分区域在气囊展开之前不会有膨胀气体进入。
- Abaqus/Explicit耦 合 欧 拉— 拉 格 朗日（CEL）技术提供了在气囊中为气流流动的建模能力，且包含展开过程中周边空气的影响。
- 借助强大可靠的通用接触算法能够轻松的处理拉格朗日体和欧拉网格中的物质的接触相互作用问题。
- 丰富的材料库，供仿真机织气囊纤维和气体状态等式方程。气流流动的建模能力，且包含展开过程中周边空气的影响。
- 借助强大可靠的通用接触算法能够轻松的处理拉格朗日体和欧拉网格中的物质的接触相互作用问题。
- 丰富的材料库，供仿真机织气囊纤维和气体状态等 式方程。
UPM假设气囊中的气体运动必须将这种情况加以考虑。耦合欧拉—拉格朗日（CEL）技术为仿真气囊内部的气流提供了更加保真的方法。因此，即便是在膨胀的早期阶段，这种方法也能够预测更加真实的展开并准确地计算气囊中的空间和时间压力变化过程。图1是使用这两种方法对最初处于折叠状态的气囊在展开16 ms时的形状的预测对比。
工作组气囊
上个世纪90年代后期德国汽车制造商成立了一个“工作组”，开展“非就位”仿真的通用方法进行评估和开发。该工作组使用标准的60升驾驶员气囊模型评估不同的仿真技术。评估中使用了处于平摊和折叠两种状态的驾驶员气囊。同样的两个工作组气囊也被Abaqus/Explicit演示CEL方法示例中。测试配置由有一个自由悬挂半球形头部构成的气囊（图2）。在展开过程中气囊推动头部，加速测量并与测试 数据进行关联。
有限元分析方法
拉格朗日气囊使用膜元离散化。纤维构成模型为各项异性和非线性，并从填充、折叠和剪切三个组成方向中的每一个采集气囊编织物质的独立加载、卸载、机械响应。
在传统的拉格朗日分析中，节点被固定在材料内，元素随着材料形变而形变。拉格朗日元素往往 是100%填充物质，因此材料边界与元素边界重叠。与此相反的欧拉分析中节点固定在空间中，材料流经不发生形变的元素。欧拉元素一般不会全部填充材料，许多欧拉元为半空或全空。用于这些仿真的欧拉网格是一个构造简单的网格，能够理想地延伸到欧拉材料边界之外，赋予物质移动和形变的空间。
气囊充气机用多个位 置贴近 进气点的节点表示。在每个充气器节点上设定一个向量，用于代表气流的方向。充气元件节点上的速度通过根据输入质量流速率、面积和方向向量求解动量方程求得。进入气囊的气体在充气元件节点上的温度和质量流速率则设定为充气时间的函数。在实验中充气的气体组成构成会随时间改变，但在仿真中充气气体成分被假定为恒定。
拉元件能够同时包含多种材料。在每个时间增量计算每种材料的欧拉体积分数（EVF），并根据EVF确定每个元件的材料表面。这些欧拉材料表面能够与拉格朗日面相互作用，比如气囊。欧拉域最初冲满空气。在充气机点火时，气体填满气囊，并将空气推出。用Abaqus/Explicit一般接触功能采集拉格朗日接触和欧拉—拉格朗日接触。后者仅定义在充气机和气囊之间的气体。外界气体和气囊之间没有定义接触。因此可以有把握地推测，由于高膨胀压力，空气无法再次进入气囊。
结果和结论
两种模型都使用5mm的均匀欧拉网格。图3和图4显示的是工作组平摊气囊和折叠气囊的实验展开结果与CEL预测的对比。图5显示的是平摊气囊和折叠气囊两种方式下仿真的头部加速度对比。就两种气囊模型而言，加速历程和气囊展开与相关实验合理地吻合。
良好地捕获加速历程。CEL仿真更准确地捕获了初始峰值加速度和更大峰值加速度。两种气囊模型，CEL仿真能更好地在加速图中捕获加速曲线的振荡。
上述实验与 CEL 方法之间的关联说明 Abaqus/Explicit能够预测现实结果，即便是在气囊展开之初也能预测现实的结果。因此这种方法能成功用于“非到位”负载工况。