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【正文】 QUS已經(jīng)被用于分析和設(shè)計(jì)安全氣囊碰撞傳感器。彈簧的大撓度和球與彈簧之間的接觸用幾何非線性分析。貝塞爾三維剛性球表面元素和慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)剛性表面界面元素被用于塑料球與彈簧接觸面的分析?；瑒?dòng)軌道分析被用于彈簧與彈簧接觸的平行界面間。有限元傳感器的力位移響應(yīng)分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。 引言 汽車安全氣囊系統(tǒng)的重要組成部分是碰撞 傳感器。包括機(jī)械、電子傳感器在內(nèi)的碰撞傳感器主要用于各類安全氣囊系統(tǒng)。 本文研究的是由一個(gè)球和一個(gè)塑料套管和兩個(gè)彈簧組成的機(jī)電傳感器（見(jiàn)圖 1）。當(dāng)傳感器遇到嚴(yán)重的撞擊脈沖，球被推入完成電路連接然后兩個(gè)彈簧接觸到消防安全氣囊。這兩個(gè)彈簧的力位移設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要滿足不同的加速度對(duì)傳感器的輸入要求。傳感器的彈簧強(qiáng)度必須保持低于彈簧材料屈服強(qiáng)度，防止彈簧塑性變形。有限元分析，可以作為預(yù)測(cè)工具，以優(yōu)化工程所需的力和位移反應(yīng)，同時(shí)保持在彈簧壓力可接受的水平。 過(guò)去傳感器的設(shè)計(jì)需要不斷地進(jìn)行制作和測(cè)試，直到力位移原型硬件得到 滿足需要的條件。利用有限元分析，制作和測(cè)試原型的數(shù)量大大減少，這大大降低了傳感器設(shè)計(jì)的時(shí)間。本文討論的內(nèi)容可以表明有限單元分析軟件能夠節(jié)省原型制作時(shí)間的能力。 MSC/ABAQUS [1]已經(jīng)用于分析和設(shè)計(jì)安全氣囊碰撞傳感器。對(duì)于大撓度的彈簧與球接觸的有限單元分析應(yīng)是幾何非線性的。各種接觸單元中使用了這個(gè)包括硬表面界面分析，例如貝塞爾曲線的三維剛性表面元素，平行線界面元素，以及滑線元素。有限元分析結(jié)果與各種機(jī)械文獻(xiàn)研究傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。 問(wèn)題的定義 機(jī)電傳感器的關(guān)鍵部件是由兩個(gè)以懸臂式存在于硬性 塑料外殼和剛性球之間的兩個(gè)金屬?gòu)椈山M成的。在塑料外殼中包含一個(gè)能指導(dǎo)球運(yùn)動(dòng)方向的一端封閉的真空管。球在真空管中被彈簧頂在管子的一端。傳感器組裝時(shí)彈簧被球頂著產(chǎn)生最初的預(yù)緊力。球在傳感器中只能沿著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，這個(gè)方向被稱為 X方向。一旦在 X方向的加速度足夠用來(lái)克服 spring1的預(yù)緊力，球就能是彈簧彈開(kāi)。如果加速度繼續(xù)增加，彈簧 1就能直接與彈簧 2接觸。一旦彈簧 1與彈簧 2接觸上，一個(gè)電路接通然后啟動(dòng)安全氣囊的體統(tǒng)。 圖 1 機(jī)電汽車碰撞傳感器。 有限元分析方法 當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)傳感器的有限元描述時(shí)，剩下的可以 被簡(jiǎn)化。這兩個(gè)彈簧完全的被固定在剛性的塑料外殼中。當(dāng)一個(gè)剛性外殼和薄的彈簧作比較時(shí)這是一個(gè)很好的假設(shè)。當(dāng)球和彈簧接觸時(shí)球可以被表示為一個(gè)剛性表面。球和外殼接觸的建模系統(tǒng)中，除了球在 X軸移動(dòng)外殼中的所有的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)都受到限制。 圖 2 機(jī)電傳感器的有限元網(wǎng)格。 這些限制意味著如果空間沒(méi)有強(qiáng)烈的損壞將不會(huì)與球接觸。這些限制忽視了球與外殼之間的公差。在有限元分析中球和塑料外殼的摩擦可以忽略不計(jì)。傳感器在 X軸的分析，可以用一個(gè)剛性表面的的移動(dòng)表示球的所有移動(dòng)。下面討論的是球與彈簧間的接觸，和各種不同的接觸原理。 一個(gè)非線性靜態(tài)分析，足以捕獲耗費(fèi)大量時(shí)間的非線性瞬態(tài)傳感器的力位移響應(yīng)。雖然該傳感器的設(shè)計(jì)是由球質(zhì)量和給定一個(gè)加速度回應(yīng)的彈簧剛度組成的，但是在靜態(tài)分析中沒(méi)有球的質(zhì)量。 單元網(wǎng)格 球的質(zhì)量可以被把球擠進(jìn)傳感器的偏轉(zhuǎn)力所確定。利用 MSC / Patran的 [2]構(gòu)建傳感器的有限單元網(wǎng)絡(luò)。用 MSC/ABAQUS來(lái)求解并分析傳感器。包括接觸單元的有限元網(wǎng)格，如圖 2所示的內(nèi)容。該塑料外殼在這種分析中被假定為是剛性的。然后對(duì)線性彈簧與薄殼四邊形進(jìn)行了物理性質(zhì)的建模。球被假定為剛性的，并以線性貝塞爾 3 D剛性表面性質(zhì)做參考。 模型之間的球和彈簧 1的接觸，使用了剛性表面接觸和貝塞爾 3 D剛性表面性質(zhì)的原理。線性物理性質(zhì)與 IRS物理性質(zhì)被用在彈簧 1上，并保證四邊形外殼與彈簧 1的節(jié)點(diǎn)同步。 慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)元件 只用在球狀接觸區(qū)域。 在彈簧 1和彈簧 2的接觸模型中，滑道連接原理用了平行滑道連接原理。線性桿元和 ISL物理性質(zhì)被一起 用在了彈簧 1上并與外殼組成彈簧 1同步節(jié)點(diǎn)?；€與直線桿單元的物理性能用在 spring2并與外殼組成彈簧 2同步節(jié)點(diǎn)。 材料 彈簧 1和彈簧 2都是具有線性彈性材料的薄金屬?gòu)椈伞２牧咸匦员仨毷墙佑|的或剛性的表面元素。 臨界條件 假設(shè)兩彈簧被完全的固定在剛性塑料外殼中。球在 X軸上有一個(gè)強(qiáng)制的位移。除了 X軸的平移以外球在所有方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)都受到約束。球和彈簧的臨界條件，如圖 2所示。 討論 電動(dòng)機(jī)械傳感器的重要因素是彈簧的偏轉(zhuǎn)形狀，傳感器的力位移響應(yīng)和彈簧的壓力水平線。 圖 3 機(jī)電傳感器偏轉(zhuǎn)的形狀。 圖 2所示的機(jī)電傳感器的分析結(jié)果將被用來(lái)作為本文的例子。圖 3展示了傳感器中球的所有偏轉(zhuǎn)和移動(dòng)。研究彈簧的偏轉(zhuǎn)形狀何以提供更多的對(duì)傳感器的執(zhí)行性能設(shè)計(jì)以及外殼設(shè)計(jì)的見(jiàn)解。在確保彈簧能夠承受所受到的水平壓力時(shí)，對(duì)彈簧的分析是非常重要的?？梢酝ㄟ^(guò)各種手段檢查各部件的壓力。分析中最重要的部分之一是圖 4所示的傳感器力位移響應(yīng)。在這個(gè)力位移響應(yīng)中，外力必須能夠輕易地推動(dòng)彈簧 1接觸到彈簧 2。這個(gè)力必須能夠保證作用在球上并且給它一個(gè)足夠的加速度。根據(jù)這些結(jié)果，一個(gè)或者更多的變量例如彈簧的寬度、球的直徑、球的材料都可以被設(shè)計(jì)直 到達(dá)到理想的精度范圍。 圖 2所示傳感器模型的建立和測(cè)試，確定了他的實(shí)際受力和力位移響應(yīng)。圖 4顯示的 MSC / ABAQUS分析結(jié)果為傳感器的力位移響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 圖 4 機(jī)電傳感器力位移響應(yīng)。 機(jī)電傳感器和一些其他的傳感器之間的有限元實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著很高的相關(guān)性。表 1顯示了包括彈簧 彈簧和彈簧 1與彈簧 2接觸和球的轉(zhuǎn)動(dòng)與位移的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表 1中傳感器 A如圖 1所示。表 1中傳感器 B如圖 2所示。 為確保解決方案的銜接，還對(duì)傳感器模型外殼進(jìn)行了分析。力位移不足 1%時(shí)按線性原理分析。彈簧對(duì)傳感器的壓力小于 10％的 按線性原理分析。用拋物線原理要比用線性原理分析費(fèi)更多的時(shí)間。隨著彈簧形狀變的更加復(fù)雜，彈簧的分析必須要獲得一個(gè)更精準(zhǔn)密集的受力的線性網(wǎng)或局部受力的網(wǎng)。 %Difference Between FEA and Experimental Results Sensor 1 Force at Preload Force at spring1to Spring2 contact Force at full ball travel A + + 2 B + + 表 1 比較有限元分析實(shí)驗(yàn)的力位移響應(yīng)。 注釋： 1．傳感器 A的結(jié)果是根據(jù)模型 1制作和測(cè)試的。傳感器 B的結(jié)果是根據(jù) 20個(gè)模型的數(shù)據(jù)制作和測(cè)試的。 2．沒(méi)有球運(yùn)動(dòng)隊(duì)模型 A產(chǎn)生壓力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 3．誤差 =（有限元分析結(jié)果 — 實(shí)驗(yàn)結(jié)果）／實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 結(jié)論 MSC/ABAQUS軟件已被用于分析和設(shè)計(jì)安全氣囊碰撞傳感器。對(duì)于機(jī)電傳感器模型的建立和測(cè)試來(lái)說(shuō)有限元分析的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。 利用有限元分析，傳感器可以被設(shè)計(jì)為滿足力位移性的需要與可接受的壓力水平。本文的討論說(shuō)明利用有限單元分析進(jìn)行設(shè)計(jì)可以節(jié)省很多時(shí) 間。本文能夠說(shuō)明有限元分析作為一個(gè)分析對(duì)重要接觸元件進(jìn)行分析的能力。