汽车乘员约束系统的参数分析及仿真研究概要.doc

收稿日期:-03-24
汽车乘员约束系统参数分析及仿真研究
陶海龙　刘　岩　(上海大众汽车有限企业
【摘要】　应用MADY MO 软件建立汽车乘员约束系统仿真模型,分析了安全带系统和座垫刚度特性对汽车乘员碰撞响应影响,仿真成果经试验得到验证。最终通过对约束系统进行参数有关性分析和仿真研究,得到了对汽车乘员约束系统开发有指导性结论。
【主题词】　仿真模型　约束系统　汽车
0　引言
本文运用MADY MO 软件对约束系统参数
进行研究。MADY MO 软件是由荷兰T NO 道路车辆研究所开发,目前已广泛应用于汽车碰撞时乘员约束系统分析和设计。该软件是多体系统和瞬态显式有限元一体化商品化软件,多体系统重要用于模拟整体响应(如碰撞假人、汽车悬架、机械系统等,有限元用于模拟构造大变形(如气囊、安全带、碰撞假人局部构造、汽车车身构造部件等,如图1所示

。
图1　MADY MO 软件构造示意图
1　仿真模型建立及试验验证
111　模型建立
使用MADY MO 软件建立仿真模型时,重要考
虑下列几部分内容。
(1假人
仿真模型中假人为PART572D (Hybrid Ⅱ假人。模型由13个刚体构成,即:下躯干、脊椎、上躯干、颈部、头部、左上臂、左下臂、右上臂、右下臂、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿。整个假人一共使用了16个椭球,即:下躯干、脊椎、上躯干、肩部、颈部、头部、左上臂、左下臂、右上臂、右下臂、左大腿、左小腿、左脚、右大腿、右小腿、右脚,这些椭球分属于上述不一样刚体;所有椭球都具有一定质量和尺寸,其基本几何和力学参数从MADY MO 数据库中提取。假人初始位置和方位则可以通过修改骨盆质心位置进行调整。
(2安全带
模型详细构造描述如下:
・其中与假人表面发生接触作用部分采用有限元建模。使用单元为三点式膜单元,材料
为迟滞材料类型。单元网格在ANSYS 上划分,一共有60个单元,51个节点,单元真实坐标可以通过一种预模拟获得;所有单元具有相似几何尺寸厚度。
・不与假人接触部分采用老式弹簧-阻尼模型,即MADY MO 中原则力元。它们分别在端点处与一种有限元节点相连,各段具有相似力-变形特性(织带特性;安全带织带特性由
静态加载和卸载试验获得。
・卷收器用刚性椭球描述,通过点约束与绝对坐标系相连;卷收器特性用力-位移函数表达。
(3台车环境
座椅靠背和座垫都用刚性平面建模,表达座垫刚性平面通过点约束与绝对坐标系相连。靠背平面和座垫平面则用动力旋转铰连接,座垫刚度从试验中获得。台车环境除座椅外还包括地板、脚踏板、方向盘与仪表板,其中脚踏板与地板成一定角度,供乘员放置脚。
(4接触
在MADY MO中,互相作用被定义为接触。对于乘员与约束系统即环境关系,定义了一系列接触,其中平面与椭球接触有:座垫与下躯干接触、座椅靠背与下躯干接触、座椅靠背与脊椎接触、座椅靠背与上躯干接触、脚踏板与左脚接触、脚踏板与右脚接触。椭球与椭球接触有:转向盘与下躯干接触、转向盘与上躯干接触、转向盘与头部接触。
(5加速度场
前碰中,由于乘员和约束系统质量参数与台车或实车相比非常小,因此,乘员运动对台车或实车响应影响可以忽视。在计算机建模时,可以将乘员运动从台车响应中隔离出来,将模型中乘员环境(台车视为惯性空间,而对系统外部作用定义为两个加速度场,一种是作用于人体且方向垂直向下重力加速度g;另一种是水平方向减速度,该减速度即为台车试验中测得台车减速度响应。
112　模型试验验证
为了验证模型对性,采用了如下试验方案进行台车碰撞试验。
碰撞形式:正前碰;
假人:50百分位男性原则Part572D型假人;
约束形式:安全带,座椅;
信号测量方式:电测量;
测量信号:头部X、Y、Z3个方向加速度,胸部X、Y、Z3个方向加速度。
试验装置由机械台车、固定障壁、吸能器、台车牵引系统、控制系统和数据采集系统构成,如图2所示。整个碰撞试验过程由控制系统进行监控,可根据碰撞速度不一样规定将台车牵引到不一样位置,然后释放台车,使其在橡皮绳作用下与固定障壁进行碰撞,获得规定碰撞减速度波形。数据采集系统由微机(内置数据采集卡、电荷放大器、2个光电测速传感器、7个加速度传感器、1个碰撞触发传感器构成。光电测速传感器用来测量台车碰撞速度,7个加速度传感器分别用来测量头部和胸部X、Y、Z方向及台车车体加速度。控制系统接受到来自碰撞触发传感器信号,启动数据采集系统进行信号测量,所测得信号经电荷放大器放大,由数据采集卡和有关处理软件转换为所需要测量数据

。
图2　台车碰撞试验系统原理图
把台车试验和仿真计算得到假人动力学响应和伤害参数进行比较,如图3、4所示。模型较精确地反应了真实状况。在碰撞发生时,假人躯体开始向前运动;在46m s时,肩带开始与躯干作用,限制其向前平动,由于此时假人仍具有一定动能,限制胸部位移将引起头部甩动,头部减速度峰值伴伴随胸部减速度峰值出现

。
图3　头部合成加速度曲线
图4　胸部合成加速度曲线
上述模拟成果在趋势和峰值出现时刻都与试验成果比较相符。但两者还是存在着一定差异,这重要是由于如下原因。
(1对座垫几何形状进行了比较大近似(采用一种平面来表达。
(2座垫刚度动态效果。座垫刚度是通过静态试验得到,而实际是一种动态加载过程。
(3座垫平面绕Y轴转动,变化了乘员姿态,对乘员响应也有较大影响。建模时,通过连接靠背与座垫平面旋转铰铰刚度来描述这一现象,同样该刚度是通过静态试验得到,而实际是一种动态加载过程。
2　参数有关性分析
敏捷度分析是工程中常用措施,通过它可以找出设计参数变化对构造性能影响,然后通过修改敏感设计参数,使系统性能得到改善。在碰撞分析和约束系统研究中,参数有关性分析被广泛用来分析约束系统性能变化。在新约束系统初始设计阶段,参数有关性分析可认为设计改善起指导作用。对于已经存在约束系统,通过它也能起到改善作用。
老式上,对乘员和约束系统参数研究重要是通过大量台车试验进行,不仅花费高并且设计周期长。目前,使用通过试验认证数字模型,通过计算机仿真进行参数研究和优化,模拟各参数对乘员约束系统影响。
本文对座椅安全带系统选择了如下8个参数:安全带织带刚度特性、带扣刚度特性、座垫刚度特性、安全带上挂点高度、下边内固定点X方向位置、下边外固定点X方向位置、假人初始位置X方向、安全带松弛量,其变化量如表1所示。
表1　乘员约束系统设计参数变化
设计参数
参数变化
下限上限
安全带织带刚度特性(%-50+50
带扣刚度(%-50+50
座垫刚度(%-50+50
安全带上挂点高度(%-30+30
下边内固定点X方向位置(%-30+30
下边外固定点X方向位置(%-30+30
假人初始位置X方向(mm-10+10
安全带松弛量(mm-200+200参数敏捷度是通过乘员伤害指标变动大小来评价。即:
变化后伤害指标-基本伤害指标
基本伤害指标
×100%根据F MVSS208所选伤害指标为H I C36和胸部3m s加速度准则,使用建立汽车乘员约束系统数字模型,通过MADY MO仿真模拟,分析得出:
・H I C36对安全带刚度特性、座垫刚度特性、安全带上挂点高度、安全带松弛量很敏感,对带扣刚度特性、下边内固定点X方向位置、下边外固定点X方向位置、安全带松弛量影响则相对小些;
・胸部加速度3m s准则也对安全带刚度特性、座垫刚度特性、安全带上挂点高度、安全带松弛量敏感;
・要改善安全带系统性能,安全带刚度特性、座垫刚度特性、安全带上挂点高度、安全带松弛量应被选为设计参数。
3　结语
运用MADY MO软件建立了包括座椅和安全带在内台车碰撞仿真模型,对安全带系统采用了多体和有限元混合建模,并通过试验验证了模型对性。使用通过验证模型,对乘员约束系统8个参数进行分析,得到安全带织带刚度

特性、座垫刚度特性、安全带上挂点高度和安全带松弛量是对乘员伤害指标有较大影响敏感原因。研究表明:在产品开发中,使用碰撞模拟技术可以减少试验次数,尤其是对于相近乘员约束系统,在模型中稍加改动就可以进行模拟,从而可以缩短开发周期,节省开发费用。
参照文献
1　MADY MO TheoryManual[M]1Holland:T NO Road2Vehicle Research I nstitute,1
2　Hoff man,R1,etc11Finite Ele ment Appr oach Analysis of Occu2 pant Restraint Syste m I nteracti on with MADY MO[A]1S AE(61 3　R1W1Tho ms on etc Dyna mic Require ment of Aut o mobile Seat [A]1S AE(61
4　张学荣,等1正面碰撞安全带约束系统开发与试验验证[J].汽车工程,129(121
Abstract
Si m ulati on model of car occupant restraint sys2 te m is built byMADY MO.The effect of seat belt sys2 te m and stiffness characteristic of the seat on the i m2 pact res ponse of occupant are analyzed.The result of si m ulati on model is p r oved by test.Some instructive conclusi ons about devel op ing occupant restraint sys2 te m are dra wn thr ough the para meter relativity analy2 sis and si m ulati on study of the restraint syste m.
(上接第21页
3　结语
通过对2种氢瓶固定方案整车碰撞分析计算,可以得出如下结论。
(1从分析成果可以看出,改善氢瓶保护系统具有更好固定和限位作用,可以有效地防止车辆在发生碰撞时侵入乘员空间。
(2氢瓶作为FCV车一种重要动力系统部件,发生碰撞过程中由于氢瓶内部是高压氢气,除了要保证其不发生明显相对运动外,还要保证其他部件不会和其发生剧烈碰撞(即其他部件和氢瓶发生接触时,最大作用力不能超过一定值,否则会导致氢瓶发生爆炸。
(3文章中设计氢瓶保护系统,合用于多种车型,对其他燃料电池车氢瓶固定支架设计具有一定参照价值。
(4通过对FCV车进行CAE仿真分析,优化了构造设计,加紧了产品开发速度和精确度,节省了成本,充足发挥了CAE仿真分析在新能源汽车自主开发中优势。
参照文献
1　陈全世,仇斌,等.燃料电池电动汽车[M].北京:清华大学出版社,.
Abstract
Relative t o the traditi onal vehicle,hydr ogen tank which requires super high safety perfor mance is installed on the fuel cell vehicle.And effective p r o2 tecti on syste m must be designed f or the restricti on and p r otecti on of it.Based on exp licit finite ele ment theories,fr ont crash safety si m ulati on f or s ome self-devel oped fuel cell vehicle is carried out according t o the require ment of C MVDR294.The results of t w o design p r oposals f or the hydr ogen tank p r otecti on sys2 te m are analyzed,and reference f or the confir mati on of the final p r oposal is p r ovided.