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汽车安全气囊系统撞击传感器的
有限单元分析
摘要
汽车
弹簧碰撞传感器可以利用有限单元分析软件进行设计，
这样可以大大减
< br>少设计时间。
该传感器包括一个球和一个有弹簧在内的塑料套管的外壳。
传感器
设计的重要因素是碰撞中的两个传感器的力位移响应和传感器的弹
簧压力。
以前
传感器的设计、
制作和测
试需要满足力位移原型硬件的要求。
弹簧必须远低于材
料的弹性
极限而设计。
利用有限元分析，
传感器可以被设计为满足力位移
的水平
压力。本文的讨论说明利用有限单元分析进行设计可以节省很多时间。
MSC/ABAQUS
已经被用于分析和设计安
全气囊碰撞传感器。弹簧的大挠度
和球与弹簧之间的接触用几何非线性分析。
贝塞尔三维刚性球表面元素和惯性基
准系统刚性表面界面元素被用于塑料球
与弹簧接触面的分析。
滑动轨道分析被用
于弹簧与弹簧接触的平
行界面间。
有限元传感器的力位移响应分析结果与实验结
果非常
一致。
引言
汽车
安全气囊系统的重要组成部分是碰撞传感器。
包括机械、
电子传
感器在
内的碰撞传感器主要用于各类安全气囊系统。
本文研究的是由一个球和一个塑
料套管和两个弹簧组成的机电传感器（见
图
1
）。
当传感器遇到严重的撞击脉冲
，
球被推入完成电路连接然后两个弹簧接触到消防安全气囊。
这
两个弹簧的力位移
设计关键是要满足不同的加速度对传感器的输入要求。
传感器的弹簧强度必须保
持低于弹簧材料屈服强度，
防
止弹簧塑性变形。
有限元分析，
可以作为预测工具，
以优化工程所需的力和位移反应，同时保持在弹簧压力可接受的水平。
<
/p>
过去传感器的设计需要不断地进行制作和测试，
直到力位移原型硬
件得到满
足需要的条件。利用有限元分析，
制作和测试原型的数
量大大减少，
这大大降低
了传感器设计的时间。
本文讨论的内容可以表明有限单元分析软件能够节省原型
制作时间的能力。
MSC/ABAQUS [1]
已经用于
分析和设计安全气囊碰撞传感器。
对于大挠度的
弹簧与球接触的
有限单元分析应是几何非线性的。
各种接触单元中使用了这个包
括硬表面界面分析，例如贝塞尔曲线的三维刚性表面元素，平行线界面元素，
以
及滑线元素。有限元分析结果与各种机械文献研究传感器的实验结果非常一致。
< br>
问题的定义
机电传感器的关键部件是由两个以悬臂式存在于硬性塑料外壳和刚性球之
间的两个金属
弹簧组成的。
在塑料外壳中包含一个能指导球运动方向的一端封闭
的真空管。
球在真空管中被弹簧顶在管子的一端。
传感器组装
时弹簧被球顶着产
生最初的预紧力。
球在传感器中只能沿着一个
方向运动，
这个方向被称为
X
方向。<
/p>
一旦在
X
方向的加速度足够用来克服
spring1
的预紧力，球就能是弹簧弹开。如果
加速度继续增加，弹簧
1
就能直接与弹簧
2
接触。一旦弹簧
1
与弹簧
2
接触上，
一个
电路接通然后启动安全气囊的体统。
图
1
机电汽车碰撞传感器。
有限元分析方法
< br>当创建一个传感器的有限元描述时，
剩下的可以被简化。
这两个弹簧完全的
被固定在刚性的塑料外壳中。
当一个刚性外壳
和薄的弹簧作比较时这是一个很好
的假设。
当球和弹簧接触时球
可以被表示为一个刚性表面。
球和外壳接触的建模
系统中，除了
球在
X
轴移动外壳中的所有的转动和移动都受到限制。
图
2
机电传感器的有限元网格。
这些限制意味着如果空间没有强烈的损坏将不会与球接触。
这些限制忽
视了
球与外壳之间的公差。
在有限元分析中球和塑料外壳的摩擦
可以忽略不计。
传感
器在
X
轴的分析，可以用一个刚性表面的的移动表示球的所有移动。下面讨论的
是
球与弹簧间的接触，和各种不同的接触原理。
一个非线性静态分析，
足以捕获
耗费大量时间的非线性瞬态传感器的力位移响应。
虽然该传感器的设计是由球质
量和给定一个加速度回应的弹簧刚度组成的，但是在静态分
析中没有球的质量。
单元网格
球的质量可以被把球挤进传感器的偏转力所确定。利用
MSC
/ Patran
的
[2]
构
建传感器的有限单元网络。用
MSC/ABAQUS
来求解并分析传感器。包括接触单
元的有限元网格，如图
2
所示的内容。该塑料外壳在这种分析中被假定为是刚性
的。然后
对线性弹簧与薄壳四边形进行了物理性质的建模。球被假定为刚性的，
并以线性贝塞尔<
/p>
3 - D
刚性表面性质做参考。
模型之间的球和弹簧
1
的接触，
使用
了刚性表面接触和贝塞尔
3 - D
刚性表面性质的原理。线性物理性质与
IRS
物
理性
质被用在弹簧
1
上，
并保证四边形外壳与弹簧
1
的节点同步。
惯性基准系统元件只
用在球状接触区域。
在弹簧
1
和弹簧
2<
/p>
的接触模型中，
滑道连接原理用了平行滑道连接原理。
线性
杆元和
ISL
物理性
质被一起用在了弹簧
1
上并与外壳组成弹簧
1
同步节点。滑线与
直线杆单元的物理性能用在
spring2
并与外壳组成弹簧
2
同步节点。
材料
弹簧
1
和弹簧
2
都
是具有线性弹性材料的薄金属弹簧。
材料特性必须是接触的
或刚
性的表面元素。
临界条件
假设两弹簧被完全的固定在刚性塑料外壳中。球在
X
轴上有一个
强制的位
移。除了
X
轴的平移以外球在
所有方向的移动和转动都受到约束。球和弹簧的临
界条件，如图
2
所示。
讨论
电动
机械传感器的重要因素是弹簧的偏转形状，
传感器的力位移响应和弹簧
< br>的压力水平线。
图
3
机电传感器偏转的形状。
图
2
所示的机电传感器的分析结果将被用来作为
本文的例子。
图
3
展示了传感
器中球的所有偏转和移动。
研究弹簧的偏转形状何以提供更多的对传感器
的执行
性能设计以及外壳设计的见解。
在确保弹簧能够承受所受
到的水平压力时，
对弹
簧的分析是非常重要的。
可以通过各种手段检查各部件的压力。
分析中最重要的
部分之一是图
4
所示的传感器力位移响应。在这个力位移响应中
，外力必须能够
轻易地推动弹簧
1
接触
到弹簧
2
。
这个力必须能够保证作用在
球上并且给它一个足
够的加速度。根据这些结果，一个或者更多的变量例如弹簧的宽度、
球的直径、
球的材料都可以被设计直到达到理想的精度范围。
图
2
所示传感器模型的建立和测试，<
/p>
确定了他的实际受力和力位移响应。
图
4
显示的
MSC /
ABAQUS
分析结果为传感器的力位移响应的实验结果。
图
4
机电传感器力位移响应。
机电传感器和一些其他的传感器之间的有限元实验结果有着很
高的相关性。
表
1
显示了包括弹簧
1
、弹簧和弹簧
1
与弹簧
2
接触和球的转动与位移的实验结果。
< br>表
1
中传感器
A
如图
1
所示。表
1
中传感器
B
如图
2
所示。
为确保解决方案的衔接，还对传感器
模型外壳进行了分析。力位移不足
1%
时按线性原理分析。
弹簧对传感器的压力小于
10
％的按线性原
理分析。
用抛物线
原理要比用线性原理分析费更多的时间。
随着弹簧形状变的更加复杂，
弹簧的分
析必
须要获得一个更精准密集的受力的线性网或局部受力的网。
Sensor 1
A
B
%Difference
Between FEA and Experimental Results
Force at Preload
Force at
spring1-to-
Force at full ball
Spring2 contact
travel
+2.0
+1.0
- 2
+1.6
-0.5
表
1
比较有限元分析实验的力位移响应。
+1.0
注释：
< br>1
．传感器
A
的结果是根据模型
1
制作和测试的。传感器
B
的结果是根据
20
个
模型
的数据制作和测试的。
2
．没有球运
动队模型
A
产生压力的实验数据。
<
/p>
3
．误差
=
（有
限元分析结果—实验结果）／实验结果。
结论
MS
C/ABAQUS
软件已被用于分析和设计安全气囊碰撞传感器。对于机电传
感器模型的建立和测试来说有限元分析的结果和实验结果非常一致。
利用有限
元分析，
传感器可以被设计为满足
力位移性的需要与可接受的压力水平。
本文的
讨论说明利用有限
单元分析进行设计可以节省很多时间。
本文能够说明有限元分
析
作为一个分析对重要接触元件进行分析的能力。
FINITE ELEMENT ANALYSIS OF
AUTOMOBILE
CRASH SENSORS FOR AIRBAG
SYSTEMS
ABSTRACT
Automobile spring bias
crash sensor design time can be significantly
reduced by using
finite element
analysis as a predictive engineering sensors
consist of a ball
and springs cased in
a plastic important factors in the design of
crash
sensors are the force-
displacement response of the sensor and stresses
in the sensor
springs. In the
past,sensors were designed by building and testing
prototype hardware
until the force-
displacement requirements were met. Prototype
springs need to be
designed well below
the elastic limit of the finite element analysis,
sensors can be designed to meet
forcedisplacement requirements with acceptable
stress levels. The analysis procedure
discussed in this paper has demonstrated the
ability to eliminate months of
prototyping effort.
MSC/ABAQUS has been used to analyze and
design airbag crash
analysis was
geometrically nonlinear due to the large
deflections of the springs and
the
contact between the ball and springs. Bezier 3-D
rigid surface elements along with
rigid
surface interface (IRS) elements were used to
model ball-to-spring
ine elements were
used with parallel slideline interface (ISL)
elements
for spring-to-spring contact.
Finite element analysis results for the
force-displacement response of the sensor were
in excellent agreement with
experimental results.
INTRODUCTION
An
important component of an automotive airbag system
is the crash sensor. Various
types of
crash sensors are used in airbag systems including
mechanical,
electro-mechanical, and
electronic sensors. An electro-mechanical sensor
(see Figure
1) consisting of a ball and
two springs cased in a plastic housing is
discussed in this
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