正面碰撞中乘员约束系统模型的建立及参数优化研究

基于MADYMO正面碰撞建模分析摘要：本文利用MADYMO建立车体假人模型并赋予相应参数，模拟车辆正面碰撞发生过程，将乘员损伤加速度曲线与实车试验进行对比验证后，仿真结果与实际碰验结果趋势基本保持一致，证实该模型可靠性，可以为后续研究正面碰撞减速波形优化及约束系统优化提供参考依据。

关键词：碰撞 MADYMO 建模仿真前言早期的汽车被动安全研究主要是通过真实车辆碰撞试验为研究。

实车试验虽然精准度高，但需要耗费大量资金，而且研究周期长。

随着现代仿真技术发展，采用MADYMO对碰撞过程模拟使得对约束系统的研究更为高效便捷[1]。

通过仿真可以减少实际试验量，降低研究费用和周期。

MADYMO 是被动安全研究中常用的CAE 软件，其由荷兰的 TNO 汽车安全学会（TASS）于 1975 年开发，是一个世界范围内的乘员安全分析软件[2]。

在汽车安全约束系统中，三点式安全带约束对胸腔和腹部提供可靠保护早已被证实，正确佩戴安全带可以有效减少伤害和死亡。

在碰撞系统安全开发过程中，实车试验往往耗费巨额费用，在调试阶段利用模拟仿真软件可以为我们提供有效的参考价值。

MADYMO软件是目前最著名的汽车碰撞模拟仿真应用，其在正面碰撞约束系统安全分析领域具有高效可靠的性能。

车辆碰撞过程中，主要起防护作用是乘员约束系统。

乘员保护装置，包括座椅、安全带、安全气囊、转向柱与方向盘，车体内饰等[3]。

碰撞发生时首先发生作用的是安全带，安全带配备预紧器，能及时收缩多余织带。

安全带约束胸部和腹部。

当车速升高达到50km/h时发生碰撞这时安全气囊就会弹出，阻止头部与车体内饰结构产生二次撞击[4]。

文献［5］经过目标设定、设计开发、实车优化和验证试验，验证某车型正面碰撞性能达到了C-NCAP５星的开发目标。

1．碰撞假人-驾驶室模型的建立以某乘用车车体结构为研究基础，采用多体动力学软件MADYMO进行实车建模。

该模型包括座椅、安全带、安全气囊、转向管柱等约束系统装置，放置了HybridIII第50百分位多刚体假人模型如下图1。

技麵薦设计•研究正面碰撞中假人伤害分析及安全带系统改进研究张蒙蒙杨诚代宁戴国梅(南京汽车集团有限公司汽车工程研究院）摘要:通过分析正面碰撞时对乘员的损伤评价准则，研究正面碰撞中约束系 统对假人受伤的影响因素，以某款卡车为对象，对安全带固定点强度进行分析，建立约束系统仿真模型，对安全带约束系统进行改进及实验验证，将乘员伤害程度降到最低。

关键词：正面碰撞安全带固定点约束系统1引言随着我国经济的快速发展，汽车保有量的增 加，交通事故发生率居高不下。

如何降低事故发生 率以及事故的严重程度，保障交通安全，成为目前 研究的热点。

汽车安全带是车辆被动安全的关键 部件，交通事故中安全带能够避免和减轻乘员受 到伤害，有效地保护乘员安全，因此汽车安全带的 性能一直备受关注，优化改进安全带系统尤为重 要。

2假人伤害分析汽车发生碰撞时，乘员或多或少会受到一些 伤害。

本文主要研究安全带约束系统对乘员的伤 害，通过解剖学上的 AIS(Abbreviated Injury Scale)简略损伤标准，去衡量乘员受到的损伤程度，如表 1所示。

这些伤害准则主要是依靠生物力学技术，根据乘员力学模型试验中的加速度、力、位移和速 度等参数，建立乘员头部伤害、胸部伤害、大腿伤 害、完全伤害等标准。

2.1头部伤害在碰撞前期，颈部在胸部的带动下向前做减表1A IS等级标准A I S等级损伤程度0无损伤1轻度损伤2中度损伤3较重损伤4严重损伤5危重损伤6致命损伤速运动并下扑，颈部对头部产生一个向后的力、向下的力以及向前的弯矩。

在向前继续运动的过程 中，头部会受到一个接触外力，主要是由于胸部受 安全带拉力对头部产生作用力的结果％头部伤害 主要包括了头骨骨折、弥散性脑损伤等。

我国采用 的头部伤害评价指数参照的是美国FMVSS208法 规中提出的HIC(Head Injury Criterion)头部伤害评 价指数,HIC通过头部的合成加速度响应在一定 时间段内积分求得，要求在正面碰撞过程中假人 头部伤害指数(HIC)值不得大于1000。

正面碰撞约束系统仿真和设计参数研究王平;吴光强【摘要】提出基于安全气囊织物进行经纬向拉神试验和画框剪切试验,研究该材料的各向异性特性.建立包括安全气囊、可压溃转向柱、带可预紧和限力器的三点式安全带等的正面碰撞约束系统模型,并将仿真结果与实车试验结果对比和验证.分别从定性和定量分析两个角度,深入讨论约束系统设计参数对假人伤害评价指标的影响,以用于指导约束系统的碰撞安全性能设计.%A Vehicle frontal impact restraint system including airbag,energy absorbing steering column,three-point seatbelt with pretensioning and load limiting functions,was built and simulated based on nonlinear explicit finite element theory.The results including【期刊名称】《佳木斯大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(029)004【总页数】6页(P481-485,495)【关键词】材料各向异性;约束系统集成;碰撞安全;伤害评价指标【作者】王平;吴光强【作者单位】同济大学汽车学院,上海201804;同济大学汽车学院,上海201804【正文语种】中文【中图分类】U461.910 引言汽车乘员约束系统包括安全气囊、安全带、座椅、仪表板、方向盘、转向柱和搁脚板等对乘员运动姿态能造成约束的部件.良好的约束系统性能可对车内乘员提供有效的保护作用，在提高整车碰撞安全性及NCAP碰撞安全星级方面发挥着至关重要的作用[1－3].目前，对约束系统的研究主要集中在安全带和安全气囊的机械特性研究，安全座椅、吸能式转向器、安全仪表板的吸能材料等方面，而对气囊织物各向异性、可预紧安全带及约束设计参数定量分析等方面的研究较少[4－5].本文提出汽车正面碰撞约束系统集成与研究方法，将材料拉伸试验和实车碰撞试验与仿真分析相结合，来有效控制约束系统开发成本;并深入讨论诸多设计因素对约束系统安全性能的影响，从定性和定量分析角度来研究约束系统碰撞安全性能.1 正面碰撞约束系统建模与集成以某车型的正面碰撞约束系统为研究对象，提出该约束系统集成建模与设计研究方法，见图1.通过仿真分析和试验相结合的方法，有效控制设计与开发成本、缩短设计与开发时间.1.1 气囊织物各向正交异性研究及安全气囊建模安全气囊织物性能好坏直接关系着驾乘人员的安全.分别进行气袋织物的经向、纬向拉伸试验和画框剪切试验，实施方法如图1(a)所示.以气袋下片织物为例，给出其经纬向拉伸试验及剪切试验中力和位移的关系，见图2和图3.由图2可以看出，安全气囊织物材料具有较明显的各向异性特性.图1 正面碰撞约束系统集成与研究在有限元分析中，对于各向异性状态的单元体，考虑其具有三个相互垂直的对称平面的各向异性，这些对称平面的交线即各向异性主轴，并取其为直角坐标轴.采用Hill理论[6]，其屈服条件可表示为:式中，F，G，H，L，M，N 是材料瞬时各向异性状态的特征参量，分别定义为:图2 织物拉伸试验结果图3 织物剪切试验结果其中，R11，R22，R33，R23，R13和 R12 为各向异性主轴的拉伸和剪切屈服应力.采用平面直接折叠方法，建立如图1(c)所示的折叠气囊有限元模型，结合图1(b)气袋质量流动率，采用基于理想气体状态方程的控制体积(Control Volume，CV)方法研究气囊展开仿真.1.2 安全带系统模型安全带由织带、卷收器、肩带滑环、带扣、高度调节器和固结锚点等组成.建立如图1(d)所示的带可预紧和限力器的三点式安全带系统模型.安全带织物宽为46mm，厚度为1.2mm，织物纬向强度接近经向强度的一半，具有明显的各向异性特性，并在安全带材料特性模块中设置其各向异性参数.1.3 可压溃式转向柱建模对可压溃安全转向柱建模时，采用弹簧－阻尼器和BEAM梁模型，在Ls－dyna中用材料MAT29(MAT_FORCE_LIMITED)描述梁单元轴向上的压溃特性和两端节点三个方向上的非线性弯扭特性，并设置其加载和变形曲线，来实现转向柱的压溃和吸能特性.1.4 正碰约束系统模型集成及边界条件设置按照车内总布置要求，进行约束系统模型集成，并正确安放假人模型.根据该商务车在法规FMVSS 208正面碰撞试验中测得的碰撞波形、车身俯仰和横摆角速度等，来设置约束系统的边界条件.安全带织带要尽可能地与人体躯干表面贴合，避免穿透或间隙过大等情况的发生.定义脚部与前地板、搁脚板的接触，人体与座椅、仪表板、安全带和方向盘的接触，及头部、胸部与气囊的接触等[7].2 正碰约束系统仿真结果及其分析基于非线性显式有限元方法进行计算，可得到如图4所示的碰撞过程中的乘员响应情况.由图4可知，该约束系统较好地发挥了安全带和气囊的协调保护作用.图4 正面碰撞后驾驶员响应将约束系统仿真结果与实车正面碰撞试验结果对比.图5(a)是驾驶员头部x方向加速度ahx的试验和仿真曲线对比，仿真的加速度峰值比试验值要低7%，峰值发生时刻提前约12ms.图5 (a) 驾驶员x方向头部加速度图5 (b) 驾驶员y方向头部加速度图5 (c) 驾驶员z方向头部加速度图5 (d) 驾驶员头部合成加速度图5(b)是驾驶员头部y方向加速度ahy，仿真的加速度峰值和试验结果相比基本吻合，但是峰值发生时刻提前6ms.图5(c)是驾驶员头部z方向加速度ahz，仿真的加速度时间历程曲线与试验相比，峰值相差不多但峰值发生时刻提前8ms.图5(d)是驾驶员头部合成加速度时间历程的对比，仿真得到的加速度峰值比试验值低7%，峰值发生时刻提前约12ms.由图5可知，较实车试验结果而言，导致仿真得到的驾驶员头部加速度峰值偏低和峰值时刻提前的主要原因是约束系统的简化建模、部分模型参数和边界条件设置，以及假人模型的精度等.图6是驾驶员胸部x方向加速度时间历程的对比，仿真得到的加速度峰值大小比实验略有降低，峰值发生时刻约为80ms.图6 驾驶员胸部x方向加速度图7是驾驶员胸部变形量时间历程的对比，仿真得到的变形量比实验值高约6%，但峰值发生时刻基本一致.仿真和实验的误差主要由假人模型以及约束系统特别是安全带参数等因素导致的.图7 驾驶员胸部变形量3 正面碰撞约束系统设计参数研究正碰乘员约束系统中，假人伤害指标与众多因素有关，主要影响因素可见图8. 3.1 正碰约束系统参数对乘员头部加速度的影响3.1.1 安全气囊设计参数讨论为提高安全气囊对乘员的保护效果，合理设计气囊参数显得尤为重要.图9给出了气囊排气孔面积变化时，乘员头部加速度ah的时间历程.其中，Original代表原设计，Case1代表气囊排气孔面积减小8%，Case2代表气囊排气孔面积增大8%.由此图可知，气囊排气孔面积减小使ah峰值变大且峰值发生时刻后移;而增大排气孔面积会使ah峰值变小且峰值发生时刻后移.图8 正面碰撞约束系统影响因素图9 气囊排气孔面积对ah的影响图10 肩带滑环定位点对ah的影响3.1.2 安全带设计参数讨论安全带织物是典型的各向异性材料，直接影响安全带对乘员的保护功效.图10给出了安全带织物材料变化时的ah时间历程对比.其中，Case1代表安全带织物材料刚度变小10%，ah峰值随之变大;Case2代表安全带织物刚度变大10%，假人头部ah峰值变小，此时安全带起到了较好的保护功能.3.1.3 转向系统定位参数讨论图11是转向系统定位参数在不同水平下得到的ah曲线.其中，Case1代表转向系统沿x方向向前移动20mm，ah峰值略微变大，峰值发生时刻后移;Case2代表转向系统沿x方向向后移动20mm，ah峰值明显降低，乘员头部的伤害减少.图11 转向系统定位参数对ah的影响3.1.4 转向柱设计参数讨论图12为转向柱刚度变化时，乘员头部合成加速度ah的对比曲线.Case1代表转向柱刚度变大5%，Case2代表转向柱刚度减小5%.由此图可知，转向柱刚度变大使ah峰值减小;而当转向柱刚度变小ah峰值略有增大，这使得转向系统对乘员的伤害增大.图12 转向柱刚度对ah的影响3.2 正碰约束系统参数对假人伤害指标的影响将不同工况下，正碰约束系统主要的设计参数与假人伤害指标之间的定量关系进行归纳，见表1.综合评价指标WIC[8]是计算方法如下:式中，HIC36为头部损伤指标;C3ms为胸部3ms加速度值;D为胸部压缩量;FFCl 为左大腿轴向压力;FFCr为右大腿轴向压力.表1 正碰约束系统假人伤害指标822.2 33.1 48.0 4.62 5.08 0.74气袋阻尼 Case 1 912.9 30.6 54.8 3.00 3.95 0.80 Case 2 616.4 36.2 41.9 5.05 3.90 0.60安温度 Case 1 816.7 36.2 46.4 4.14 7.67 0.74全Case2 840.1 35.7 47.2 4.70 6.36 0.76气排气孔 Case1 957.8 34.0 52.0 4.16 3.24 0.83囊Case2 710.1 32.8 49.1 5.47 4.55 0.67起爆时间 Case1 971.1 34.6 52.4 4.33 3.16 0.84 Case2 862.3 40.1 56.6 3.86 2.85 0.80滑环定位 Case1 911.7 34.1 49.4 4.91 5.69 0.80安Case2 811.2 34.0 47.4 5.81 7.29 0.74全材料本构 Case1 877.7 39.9 47.5 5.10 4.80 0.79带Case2 769.9 35.1 47.9 4.51 6.91 0.72转向系统定位参数 Case1881.3 42.6 43.1 5.10 4.80 0.79 Case2 823.4 45.6 41.7 4.51 4.66 0.75转轴向压溃 Case1 964.6 33.8 47.6 5.50 4.44 0.83向Case2 816.2 36.0 40.4 6.61 4.67 0.73柱刚度 Case1 780.5 32.5 59.3 5.83 4.41 0.75 WIC初始设计项目内容HIC36(g) RDC(mm) C3ms(g) FFCl(kN) FFCr(kN)Case2 844.2 33.4 43.5 5.09 3.29 0.74由此表可知，在原设计中，满足HIC36≤1000、RDC≤76mm、C3ms≤60g、FFCl≤10kN和FFCr≤10kN，这说明该约束系统下，假人伤害评价指标均满足FMVSS 208法规要求.亦可定量地看出约束系统中任意参数的变化，都会影响到乘员的伤害程度，其中，乘员腿部响应量最敏感，头部加速度次之.假人综合伤害评价指标WIC的值越小，说明该设计参数越合理，对假人的综合保护作用越好.4 结论通过正碰约束系统集成仿真与设计参数研究，可得出如下结论:(1)进行了安全气囊织物材料经、纬向拉伸试验和画框剪切试验，发现该材料具有明显的各向异性特性.(2)对正碰约束系统进行建模与集成仿真，并将其结果与实车试验结果对比，而从验证了该模型及其仿真的有效性.(3)从定性和定量分析的角度，探讨了约束系统参数对乘员损伤的影响，可用于指导约束系统的进一步设计和优化，从而保证乘员获得较好的保护.参考文献:[1]葛如海，刘志强，陈晓东.汽车安全工程[M]，北京:化学工业出版社，2005.9.[2]张维刚，刘晖，廖兴涛.基于代理模型的汽车乘员约束系统仿真设计[J].江苏大学学报(自然科学版)，2008，29，4:293－296.[3]肖凡，王宏雁.正面碰撞中乘员及约束系统运动响应的计算[J].同济大学学报(自然科学版)，2004，(32)9:1220－1224.[4]Isheng Yeh，Brian Kachnowski，Thiag Subbian.An Expert System for Vehicle Restraint System Design[C].SAE Paper，2005－01－1304.[5]李铁柱，李光耀，陈涛.基于Kriging近似模型的汽车乘员约束系统稳健性设计[J].机械工程学报，2011，(46)22:123－129.[6]Hill R.The Mathematical Theory of Plasticity[M].London:Oxford University Press，1950.[7]张学荣，刘学军，陈晓东，等.正面碰撞安全带约束系统开发与试验验证[J].汽车工程，2007，(29)12:1055－1058.[8]Viano D C et al.Assessing the Safety Performance of Occupant Restraint System[C].SAE Paper，No 9902328.。