0 前言

塑料在汽车内外饰件上的广泛应用不仅推进了汽车轻量化进程，也大大提升了车辆的美观度。目前，多数汽车产品都开始装配设计有隐式安全气囊系统的仪表板台架。有别于显式安全气囊系统，隐式安全气囊系统既无可视的装接线，又因其工艺上的优化大大提升了安全性能［1］。其中，安全气囊盖板是整个系统的核心组分，用于装载气囊的同时经过铣刀弱化工艺处理后以保证气囊爆破时有效弹出。根据汽车仪表板材质性能的优劣，可将汽车仪表板分为硬塑仪表板和软塑仪表板2类。鉴于此，工业上根据装载安全气囊盖板的仪表板类别，将安全气囊盖板成为硬塑行盖板和软塑型盖板2类，两者有在生产工艺流程上有相当大的差异。通常，软塑型安全气囊盖板选用PC/ABS合金材料为材质［2］。随着汽车、机械等行业对高性能塑料合金的需求量与日俱增，PC/ABS材料被广泛应用，特别是在薄壁产品的制造工艺中，如汽车灯壳、仪表盘等饰件等［3］。PC/ABS材料属于工程塑料合金范畴，ABS树脂呈现分散相以颗粒球状均匀分布在呈连续相的PC中，经过加入相容剂的融合，材料兼具了PC和ABS两者优良性能。该合金材料具有PC的耐热性、尺寸稳定性和力学性能，又具有ABS的熔体黏度低、加工流动性好等优点［4?5］。

本研究选取的某软塑型安全气囊盖板，为海南某汽车饰件厂设计生产，配套海马汽车、四川野马汽车部分车型使用，其主体正面呈现为长方形，长度宽度分别为26 cm和16 cm，如图1所示。同时，其铣刀弱化沟槽呈现为“H”形，沟槽横向深度（A）和纵向深度（B）分别为0.8 cm和0.4 cm，横向沟槽长度（C）和纵向沟槽长度（D）分别为18 cm和10 cm。安全气囊爆破时，盖板将先从横向沟槽裂开然后蔓延到纵向沟槽以保证足够裂开空间让气囊弹出。

图1“H”形沟槽安全气囊盖板Fig.1‘H’type groove of the airbag cover plate

然而，文献［6］对其展开的实物爆破试验研究中发现，装载该塑性盖板的安全气囊系统虽然在受力爆破时能够及时打开，保证安全气囊合理弹出，但是同时伴随着盖板表面发泡层的脱落与弹出的缺陷，极容易造成驾乘人员二次伤害。技术分析后发现，这主要是由于铣刀弱化槽工艺设计不合理导致横向沟槽和纵向沟槽处的结构最大应力值差距过大引起的爆破时撕裂口不均匀、无规则而引起的。因此，有必要改进该盖板的铣刀弱化加工工艺，以提高产品的安全性能。

因此，本文分别选取弱化横向沟槽、纵向沟槽处的长度和深度共4个变量作为设计变量，选取弱化横向沟槽和纵向沟槽处的最大应力为响应变量，在研究分析设计变量对响应变量的贡献度效应基础上，探索多目标优化设计方案，以提高产品的安全性能，减少爆破时碎屑物现象的发生。

1 有限元仿真模型的构建与验证

计算机仿真分析是辅助工程领域产品设计、理论分析的重要手段之一。通过构建合理的仿真近似模型来对产品的结构、性能展开理论研究已被大量运用在工程领域中［7］。基于研究对象“H”形沟槽安全气囊盖板的结构参数和结构特征，先选用Catia软件构建其三维模型，后导入ANSYS软件中完成对模型的材料属性设定后进行网格划分、载荷施加和约束得到有限元仿真模型。其中，网格划分时，考虑模型复杂程度较低，可直接选择ANSYS中自由划分网格方式，划分后得到大约网格数约20万；气囊爆破时盖板承受的冲击压强约80 kPa，将该载荷施加在横向弱化沟槽上。如图2（a）所示为本文构建的盖板有限元模型，图2（b）～（c）分别为有限元仿真结果所对应的盖板应力云图和位移云图示意图［6］，相关数据结果如表1所示。结果表明，横向沟槽和纵向沟槽的最大应力值都远高于材料的屈服应力值17 MPa左右，验证了气囊可以有效打开的结论。同时，发现纵向沟槽的最大位移要大于横向沟槽的最大位移值，这是不合理的。因为气囊爆破时，是先从横向沟槽处破裂，再蔓延到纵向沟槽，直至张开适合的宽度弹出气囊。然而，纵向沟槽的最大位移大于横向沟槽，必然会出现边缘撕扯现象，造成表面材料脱落。

图2 安全气囊盖板有限元仿真模型及结果Fig.2 Finite element model and results of airbag cover plate

表1 有限元仿真分析结果Tab.1 Results from finite element simulation analysis参数横向沟槽纵向沟槽最大应力值/MPa 25.70 31.38最大位移值/cm 5.89 7.20

借助ISIGHT软件对盖板结构的分析与优化都是基于Catia和ANSYS所构建的模型基础上进行的，因此，模型的准确性和可靠性极为重要。根据文献［8］中的理论公式计算得出“H”形沟槽安全气囊盖板的理论横向沟槽和纵向沟槽处的最大位移值应分别为6.21 cm和7.48 cm，与前文仿真结果值误差分别为5%和3.9%，属于合理误差范围内，说明本文所构建的模型准确、可靠，可用于后续分析使用。

文章来源：《特种铸造及有色合金》 网址: http://www.tzzzjyshjzz.cn/qikandaodu/2021/0507/652.html