Simulation von Kaltgasgeneratoren unter Berücksichtigung des Joule-Thompson-Effekts

Die Einführung der Uniform Pressure Methode (UPM) durch Nefske und Wang [1] im Jahr 1988 führte zu einer robusten und zuverlässigen Methode, um die Fluid-Struktur-Koppelung im Insassenschutz zu simulieren. Die UPM-Methode ist heute in allen gängigen FE-Solvern implementiert und wurde bisher vielfach zur Simulation von Airbags verwendet. Jedoch ist diese Methode nicht in der Lage, detaillierte Strömungsvorgänge oder komplexes Materialverhalten eines nicht idealen Gases hinreichend genau abzubilden. Dadurch kann es bei Simulationen zum Insassenschutz zu Einschränkungen in der Prognosefähigkeit kommen. Der Finite Element Solver LS-Dyna bietet hingegen mit der Corpuscular Particle Methode eine realistischere Abbildung der Strömung an. Dabei wird das Gas durch Kügelchen diskretisiert, die durch ideal elastische Stöße miteinander und mit der Umgebung interagieren. Die reine Impulsübertragung durch elastische Stöße entspricht dem Verhalten eines idealen Gases, was in den meisten Anwendungsfällen eine hinreichende Modellierung von Strömungen in Airbags ermöglicht. Lediglich die Simulation von Kaltgasgeneratoren ist mit der Annahme eines idealen Gases oftmals nicht ausreichend. Hier kann sich das ausströmende Gas in Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung bei der Expansion erwärmen oder abkühlen. Das führt aufgrund des Wärmeübergangs zu Fehlinterpretation der Druckkurven im Tank-Test und zu Punktvalidationen von Airbags. Um den Fehler im Material-Modell zu korrigieren, ist es in LS-Dyna möglich, den Joule- Thomson-Effekt [J-T-Effekt] bei der Simulation von Gasgeneratoren zu berücksichtigen. Dabei wird das Fluid beim Durchströmen von Drosseln aufgrund ihrer Materialparameter (Joule- Thomson-Koeffizienten) künstlich erhitzt oder abgekühlt. Damit wird es möglich in LS-Dyna das Abströmverhalten von Kaltgasgeneratoren realitätsgetreuer abzubilden und das Gasgeneratormodell im Tank-Test unter Berücksichtigung des J-T-Effekts zu validieren. Mit Hilfe der Validierung des Kaltgasgenerators ist es abschließend möglich, eine robustes Airbag-Modell zu generieren, das lastfallübergreifend eine sehr gute Prognosesicherheit bietet.