应用高速DIC技术对安全气囊展开过程中仪表板开孔进行动态分析

本文展示了一个使用高速数字图像相关技术来验证仪表板开孔行为的应用案例。

在汽车工业中，乘员安全是首要任务。发生碰撞时，安全气囊必须快速有效地展开，以保护车内乘员。然而，这一超快过程直接受到仪表板结构和材料的影响。仪表板蒙皮会沿着预定义的弱化线发生变形并最终撕裂，从而释放出安全气囊。

尽管数值模拟技术取得了进步，但准确预测蒙皮的力学行为仍然是一个挑战。必须确保失效在正确的位置和正确的时间发生，同时验证数值模型并优化所用材料。为了应对这些挑战，在佛瑞亚公司的设施中，采用了基于数字图像相关法的EikoTwin DIC解决方案，来捕获和分析高速状态下仪表板蒙皮的变形和变形率。本研究旨在提高对所涉及机制的理解，研究具有代表性的子系统测试方案的界定，并改进仿真模型以优化仪表板设计，确保符合安全要求。

工业背景与挑战

🎯 为何研究仪表板开孔至关重要？

• 对车辆安全的影响：确保在撕裂蒙皮开孔、开孔力以及无碎片飞溅方面实现可控的展开，同时减少对安全气囊展开测试的需求。
• 法规与标准：尽管安全气囊不直接受法规和标准约束，但自20世纪90年代以来已成为标准装备，并且能够满足安全标准和独立碰撞测试（如EuroNCAP进行的测试）的要求。
• 改进数值仿真模型：为了获得全面的预测模型并减少昂贵的物理测试需求，改进数值仿真模型也是必要的。
• 建立新的实验方法：基于高速DIC测量结果来鉴定材料。

了解仪表板开孔现象

当安全气囊展开时，巨大的压力迅速作用于仪表板，导致安全气囊翻板（特别是在其开孔点处）发生显著的塑性变形，并在蒙皮的自剪切复合结构中沿着开孔线传播破裂。由此产生的开孔，与仪表板的设计和构造有着内在联系，其精确的运动学和物理过程仍然难以预测。因此，需要进行各种探索不同配置和条件（尤其是温度）的测试，以全面理解该过程。

研究目标

在仪表板蒙皮上进行的测试旨在精确表征其在安全气囊展开过程中的力学行为，尤其是在极端温度（从极冷到极热）环境下的行为。这些测试期间进行的主要测量包括：计算位移以量化变形程度、识别蒙皮在破裂前承受极端应力的最大变形区域、研究开孔线周围的变形梯度，以及最终量化关键区域的变形速度以评估现象的快速性。

EikoTwin DIC的贡献：辅助理解材料行为的图像相关技术

使用EikoTwin DIC软件分析测试。它能够精确测量位移场和应变场，这是一个基本特征，因为其执行方式与有限元网格对齐。这种精度使得能够高度精确地识别关键应力和变形区域，有助于更好地理解安全气囊展开过程中仪表板的动态行为。此外，该软件通过研究变形梯度，有助于识别关键区域，并能够监测变形率，这是分析失效条件的一个决定性因素。最后，该软件提供了以各种格式（包括变形曲线和Altair H3D文件）导出结果的可能性。

测量方法：高速数字图像相关法

采用高速数字图像相关法测量变形。测试仪器配置严谨，测试在极端温度条件（-30°C至+85°C）下，根据不同安全气囊展开配置对仪表板进行。为了优化通常因需要调整以获得最佳数据采集而漫长复杂的设置时间，在EikoTwin Virtual工具中实施了虚拟测试场景。这种主动方法改进了准备的每个阶段：它允许通过虚拟仿真确定相机的最佳位置，该仿真考虑了所需的视场和几何约束，从而避免了物理设置期间耗时的手动重新定位。

虚拟化还通过允许预先精确定义必要的硬件和附件清单，促进了设备的选择和安装。最后，它允许通过模拟测试动态（包括安全气囊的快速展开和视场的逐渐遮蔽）并相应调整相机位置，来预测和管理潜在障碍并优化可见性。得益于这种全面的虚拟准备，测试台上的部署得以简化和加速，初始配置在物理安装完成后即可直接投入运行，从而限制了测试设备周围的停机时间。

采集条件经过严格定义，以捕捉安全气囊展开的超快动态。采用了非常高的采集频率（约为每秒数千帧），以精确跟踪开孔过程。选择了Phantom T4040相机（最高分辨率4.2 Mpx时可达每秒9,350帧），以最大化获取的信息。为确保图像清晰度并避免运动模糊，选用了高达数十微秒的快速快门速度。调整景深以使仪表板表面在整个测试过程中保持对焦，并在实验设置期间和之前进行了验证。最后，通过利用先前测试的数据预测安全气囊对视场的逐渐遮蔽，并调整相机位置以在整个测试过程中最大化覆盖感兴趣区域，从而尽可能优化了开孔的可见性。

为准备待测部件以进行测量，在其表面施加了随机散斑。这种散斑图案使用喷漆和网格制作，产生尺寸约为1毫米的斑点。需要特别注意，散斑图案的施加必须特别仔细，以确保使用数字图像相关法获得的测量精度。

测试部件

对于在极端温度（尤其是低温）下进行的测试，实施了针对散斑的特殊处理。进行了一项专门研究，以确定一种散斑施加方法，保证其在这些条件下的耐受性并确保整个测试过程中测量的质量。特别是，对于在-30°C下测试的部件，在喷漆前先涂覆了一层黑色油脂。该协议被证明对于防止油漆在低温下因剧烈变形而剥落至关重要，若无此预防措施，将损害破裂前最大变形区域高速DIC测量的可靠性（见图）。使用这种油脂基底使得即使在高度应力区域，DIC计算也能保持收敛直至失效，且相关残差较低，证明了高质量的模式追踪（见图）。相反，未使用油脂会导致较高的相关残差，表明精度下降。将白漆直接喷在准备好的油脂表面上，同时限制喷涂量，优化了散斑的附着力和耐久性，即使在低温测试和安全气囊展开的严苛条件下也是如此。

-30°C下使用与未使用黑色油脂底漆的油漆剥落情况对比*

-30°C下使用与未使用黑色油脂底漆的相关残差对比

安全气囊展开阶段

安全气囊展开过程中仪表板的开孔分为四个关键阶段，相应图示如下。

1. 初始状态：展开前，仪表板完好无损，处于静态位置。
2. 蒙皮变形：安全气囊的触发启动了材料在压力作用下逐渐变形的阶段。
3. 蒙皮破裂：蒙皮沿着预定义的弱化线断裂，启动开孔过程。
4. 破裂扩展：开孔在安全气囊上升压力的作用下迅速扩展，完成展开过程。

高速DIC测量结果：位移与变形

变形测量显示，在某些关键区域最大变形高达150%，从而能够精确表征材料直至失效点的特性。观察到不同仪表板蒙皮类型之间存在显著差异。温度的影响也被发现是显著的。在高温（+85°C）下，最大变形增加，表明材料行为更具延性。相反，在低温（-30°C）下，最大变形较低，断裂更为突然。

变形速度与最大变形
本研究的主要目标之一是定位应力集中区域并量化这些关键区域内的最大变形率。使用EikoTwin DIC软件，能够精确定位这些区域，测量失效前的最大变形（平均不确定度为1.5 × 10⁻⁴），并跟踪最大变形率。此外，高速DIC使得能够比较温度对仪表板蒙皮力学行为的影响，并保证了高测量精度，位移不确定度小于1.5 µm。

结论

本研究深入揭示了安全气囊展开过程中仪表板开孔的复杂机制。借助高速图像采集和对所获测量的分析，能够精确定位关键应力集中区域、量化显著的变形水平并跟踪变形速度动态，同时结合了严格的测量不确定度评估。此外，这项研究使得能够在项目早期快速验证材料的实际应力条件。该验证被证明对于指导汽车行业主要参与者佛瑞亚公司确定材料特性的针对性测量计划具有决定性意义。最后，确认了细致测试准备的重要性，传感器位置优化和测量可重复性在本研究的成功中发挥了关键作用。因此，所获得的结果为了解材料应力条件提供了宝贵的见解，为汽车结构的开发和优化做出了重要贡献。