workbench LS-DYNA安全气囊充气仿真案例！
安全气囊是一种在碰撞、撞击发生时通过快速充气形成的柔性缓冲垫，可减缓硬物对被保护物体或人的冲击，降低伤害风险。常被用于汽车乘员保护、火箭回收着陆缓冲、运动防护服等领域。安全气囊在汽车领域的应用非常成熟，是汽车被动安全系统中最后的防线。汽车安全气囊的设计每年拯救了上万人生命。一个安全气囊从点爆到完全展开，通常仅需几十毫秒。在这短暂的过程中，气囊要完成展开、气体充填、与接触缓冲的全过程。而这一切，都可以在计算机里通过数值计算提前“预演"。
本文采用ANSYS workbench LS-DYNA对一个简单的安全气囊进行充气模拟，简要介绍安全气囊仿真过程。模型与材料
在主界面左侧拖动LS-DYNA模块到项目管理窗口，如下图。模块中，geometry下选着用spaceclaim打开，进行模型建立。建模前需要明确，气囊模型为一个单层壳/薄膜单元构成的封闭曲面，类似于一个气球的表面，如下图所示。气囊表面厚度一般很薄，如0.2mm~0.3mm。建模时，采用壳面必须完全封闭，无缝隙和缺口，初始若为折叠构型，则为多层贴合单元，层间设初始微小间隙。本例中，我们在spaceclaim中建立一个薄板，厚度1mm。然后将薄板四边倒角2mm，倒角后，角部和边部将形成如下状态。注意，此处如果不倒角，气囊在充气过程中角部网格质量会急剧变差，可能导致计算失败。接着分别选中上顶面和周边一周的面，按Ctrl+C复 制，Ctrl+V粘贴；再选中下底面面，同样，按Ctrl+C复 制，Ctrl+V粘贴。然后抑制掉实体模型，这样我们将形成一个面体围合而成的封闭区域，如下图所示。
由于气囊是封闭、且向外膨胀的，气囊壳单元的法向必须统一指向外部， 这是气囊采用控制体积法计算正确的前提条件，如下图所示。且气囊不能有缝隙或缺口，因此我们需要再在spaceclaim中进行共节点操作。
因此，我们在建立以上封闭面模型后，首先检查模型面的法向方向。
点击顶部菜单栏【测量】>【法线】，在图形区框选或单击目标面，此时会显示箭头指示当前正法向，如下图所示。要求所有法向方向均应指向外部。
如果有面的法向指向内部，则保持“法线”工具激活状态，右键点击需要调整的面，在弹出菜单中选择【反转面的法线】，如下图所示。最后为保证所有面是封闭的，需要进行share共节点操作，如下图所示。材料方面，LS-DYNA 为气囊织物提供了多种材料模型，选取需根据织物类型、精度要求和计算效率综合考量。*MAT_FABRIC（MAT_034）是 LS-DYNA 专门为气囊织物开发的材料模型，是工程应用的首选方案。该材料为正交异性本构，可分别定义经向（warp）和纬向（weft）的杨氏模量 ea、eb。材料具备薄膜行为，配合 elform=9（Belytschko-Tsay 薄膜单元）或 elform=5（Hughes-Liu 薄膜单元）。材料织物极薄（0.2~0.4mm），弯曲刚度通常忽略，仅承受面内拉压和剪切，同时可可定义剪切应力-应变曲线捕捉织物特有的非线性剪切行为。
目前，ANSYS workbench 2024R2中就已经内置了*MAT_FABRIC材料，定义比在ls-prepost中简单。本例中，气囊的材料定义如下图所示：本例设置两个方向的杨氏模量为2E8Pa，泊松比0.25，剪切模量4E7，如下图所示。材料数据仅供演示案例使用，不具备工程意义。
至此材料属性设置完成。
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材料赋予与网格划分
双击model进入分析界面，首先对模型各个面赋予材料airbag属性，如下图所示。壳体厚度设置为0.2mm。接触方面，由于模型简单，直接采用采用默认body interactions即可，默认设置如下：
气囊仿真中的接触设置是决定计算精度和稳定性的关键环节，本例仅需设置自接触。
Workbench GUI 能处理常规接触（摩擦/绑定/无摩擦）。在ls-prepost中气囊专用的 *CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE等接触的高级参数无法通过 GUI 直接设置，但可通过command命令插入关键字片段。网格划分方面，本例设置单元尺寸2.5mm，并设置primemesh网格划分方法，可划分出较规整的网格，如下所示。网格划分设置壳体网格（shell mesh type）为四边形(quadrilaterals)，三角形缩减(Triangle Reduction)设置为激进型（aggressive），这样网格将全部是较好的四边形网格。结果如下：-03-
分析设置
本例设置分析时间为0.05s，并设置单位制为mks，m、kg、s，如下图所示。其余保持默认。
在LSDYNA下插入airbag单元设置，选中全部壳单元，采用simple airbag model模型，如下各图。可查看和修改相关充气气体设置参数，本例保持默认。在上图的界面中，我们采用了简单气囊模型。实际上，也可采用其他模型。下图为简单气囊模型的K文件中的关键字，可以查看关键字参数与上图中气体参数等的对应关系。在气囊模型的设置中，充气时的质量流率按实际设置，本例设置如下：前面提到气囊具有膜行为，通常配合 elform=9，即使用Belytschko-Tsay 薄膜单元。为此我们可设置单元类型为Belytschko-Tsay membrane，积分点数量默认，如下所示：此外，气囊仿真时，如果充气的质量流率曲线充气设置不正确，曲线设置充气量过大，会导致计算异常中断，这通常是单元的畸变导致，在中断的时刻有时产生明显的沙漏。我们可以增加积分点、控制沙漏。Belytschko-Tsay membrane采用面内单点积分（缩减积分），计算速度快，但容易在分析中出现非物理的“沙漏模式”（零能变形），导致计算结果失真。对此，在碰撞、大变形中，我们可以添加沙漏控制来抑制沙漏模式，并监控沙漏能的占比（一般要求沙漏能小于总内能的10%）。-04-
结果及分析
下列各图为气囊在0.05s计算终止时的变形、等效应力和最大主应力。气囊最大变形处在中部，最大变形为61mm左右（单元应变+位移）。最大等效应力为11.84MPa，最大主应力12.91MPa（在ANSYS中，最大拉应力通常对应最大主应力）。可以看到，两者非常接近，说明应力以拉应力为主。因为纤维材料的气囊膨胀，表面受拉为主，压应力和剪应力为辅，这完全由气囊充气膨胀受拉、受压变形吸能的力学工作原理决定。下图为计算过程中的能量变化曲线，主要是内能和动能，基本无沙漏能，接触能极小，主要是充气时膨胀导致的表面褶皱之间的接触所导致。总能量方面，基本平衡，发生错误的能量比例不足5%，如下图所示。最后需要说一下，workbench LS-DYNA模块下的文件中，我们可以查看有关k文件中关键字的内容，如下图所示。有时必要时，或出现错误，我们需要手动更改K文件设置。 
