正面碰撞约束系统仿真和设计参数研究
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车辆安全性能与碰撞仿真分析一、车辆安全性能分析车辆安全性能分析是对车辆在不同碰撞情况下的安全表现进行评估和分析的过程。
它可以帮助人们了解车辆在碰撞事故中的保护能力,为车辆制造商和消费者提供重要的参考信息。
在车辆安全性能分析中,常常使用的方法包括碰撞测试、仿真模拟和安全评级等。
首先,碰撞测试是评估车辆安全性能的重要手段之一。
通过在实验室中模拟真实发生的不同碰撞情况,可以观察车辆的结构变形情况、座椅、气囊及安全带等保护装置的功能效果以及车内人员的安全状况。
通过分析测试结果,可以评估车辆的碰撞安全性能,为车辆设计和制造提供指导。
其次,仿真模拟是车辆安全性能分析的另一种重要方法。
通过使用计算机软件对车辆进行碰撞仿真,可以模拟不同车辆构造、碰撞角度和碰撞速度等条件下车辆的碰撞过程。
仿真模拟可以快速、准确地评估车辆在不同碰撞情况下的安全性能,为车辆设计提供参考。
同时,仿真模拟还能够探索更多的碰撞情况和参数,提供更全面的分析结果。
再次,安全评级是对车辆安全性能进行综合评价的方法之一。
安全评级通常是基于实验室测试和现场碰撞数据的结果,通过对车辆在不同碰撞情况下的表现进行统计和分析,得出相应的评级结果。
国际上广泛使用的安全评级系统包括欧洲新车评级项目(Euro NCAP)和美国高速公路交通安全管理局(NHTSA)的五星评级系统等。
这些评级系统的推出使得车辆的安全性能更加透明,帮助消费者选择更安全的汽车。
车辆安全性能分析是一项复杂的工程任务,需要综合考虑车辆的结构设计、材料选择、安全装备以及系统控制等多个因素。
只有通过科学的方法和实际数据的支持,才能准确评估车辆的安全性能,为维护行车安全提供有力支持。
二、车辆碰撞仿真分析车辆碰撞仿真分析是通过计算机仿真技术模拟车辆在不同碰撞情况下的动力学响应和结构变形,以评估车辆在碰撞事故中的安全性能。
通过仿真分析,可以在车辆设计的早期阶段对不同的碰撞情况进行研究和优化,减少实验测试成本和时间,提高车辆的安全性。
行业应用•Industrial Application基于RADIOSS的车身正面碰撞仿真分析!宁士翔,胡静波,庆光蔚,王小燕,王爽(南京市特种设备安全监督检验研究院大数据中心,江苏南京210019)摘要:根据GB11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》法规的要求,以某型客车车身为研究对象,将建好的几何模型导入HyperMesh软件中,通过拓扑修复、抽取中面以及简化模型等操作,完成对车身数模的几何清理,建立了车身正面碰撞有限元模型%在RADIOSS环境下,设置材料属性,选取弹簧单元焊点模型以及TYPE7接触类型,对其正面碰撞过程进行数值模拟,同时对碰撞过程中的车身变形、能量转换规律以及速度和加速度进行分析%将仿真结果与实车碰撞试验结果进行对比,验证了车身模型的正确性%结果说明基于RADIOSS的计算机仿真方法不仅能指导客车车身的碰撞试验,并且可以大量缩减实车试验成本,具有较大的工程借鉴意义%此方法为车身结构的进一步优化提供了研究基础%关键词:客车车身;正面碰撞;RADIOSS;仿真中图分类号:U463.82+2文献标识码:A DOI:10.19358/j.issn.2096-5133.2021.02.011引用格式:宁士翔,胡静波,庆光蔚,等.基于RADIOSS的车身正面碰撞仿真分析[J],信息技术与网络安全,2021, 40(2):66-69.Simulation analysis of car body frontal crash based on RADIOSSNing Shixiang,Hu Jingbo,Qing Guangwei,Wang Xiaoyan,Wang Shuang(Big Data Center,Nanjing Special Equipment Safety Supervision Inspection and Research Institute,Nanjing210019,China)Abstract:Based on the car collision regulation of GB11551-2014“The protection of the occupants in the event of a frontal collision for motor vehicle”,aiming at coach body,the geometry model was imported into the HyperMesh software, geometric cleaning of the digital model of the car body was completed through topology repair,midface extraction and simplified model operations,and the finite element model of frontal crash was established.It set the material properties, and selected the spring unit solder joint model and TYPE7contact type in the software RADIOSS.The frontal crash process of coach body was numerically simulated by the software RADIOSS.And coach body deformed,energy transfer rule, velocity and acceleration were analyzed.Through the comparison between simulation and test,the validity of coach body model was verified.The results show that the computer simulation method based on RADIOSS can not only guide the collision test of bus body,but also greatly reduce the cost of actual vehicle test,which has great engineering reference significance.This method provides the research foundation for the improvement of coach body structure.Key words:coach body;frontal crash;RADIOSS;simulation0引言据相关资料统计,2009-2018年,我国汽车保有量和交通运输基础设施建设处于快速发展的重要时期#然而道路交通事故的发生量在我国近十年内,整体呈现先降后升趋势#2015年我国道路交通事故发生量处历史低点,而后再次岀现反弹,2018*基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC0809005)年事故发生数甚至超过十年前的统计水平,死亡人数居高不下,直接财产损失进一步增高[1]#目前,国内外关于汽车被动安全性研究,主要是通过实车试验和计算机模拟仿真两种方法来进行的#由于实车试验需要大量的成本投入,以及“实车试验-改进结构-再次实车试验”需要较长的周期,因此计算机仿真模拟被广泛地运用于汽车被动安全性领域[2]&根据GB11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保66投稿网址:《信息技术与网络安全》2021年第40卷第2期Industrial Application•行业应用护》法规要求,本文以某型客车车身为研究对象,建立了车身正面碰撞有限元模型#利用RADI0SS软件对该型客车车身正面碰撞进行仿真计算[3]#通过分析碰撞过程中的变形、能量、速度以及加速度变化,完成对该型客车车身在正面碰撞过程中的安全性评价灼#1建立车身有限元模型1.1网格划分在HyperMesh软件中导入PR0-E建好的几何模型,通过拓扑修复、抽取中面以及简化模型等操作,完成对车身数模的几何清理#由于客车车身在正面碰撞过程中,变形较小的是中尾部,而变形较大的往往是车头部分,因此采取“后疏前密”的原则划分网格#车尾、车身中部、车头部分的网格单元大小平均分别为20mm、15mm、10mm#客车车身有限元模型如图1所示,共有426299个单元,453391个节点#图1车身有限元模型1.2材料属性设置碰撞过程中的塑性变形是车身碰撞吸能的主要形式,合理的材料参数设置对碰撞仿真精度有着重要的影响[54#在有限元模型中,车身蒙皮的材料是08AL钢,车身骨架是16Mn钢#材料模型选用的是RADI0SS中各向同性的弹塑性材料PLAS_J0HNS#表1是车身材料的密度、泊松比、弹性模量以及屈服极限等参数#表1材料参数名称密度/(t/mm3)泊松比弹性模量/MPa屈服极限/MPa08AL7.8X10-90.320700019616Mn7.8X10-90.32060003451.3点焊装配通常情况下,车身各钣金件的连接方式主要有焊接、螺栓连接以及铆接#其中车身装配的常用连接方式是点焊#在碰撞有限元仿真中,模拟焊点模《信息技术与网络安全》2021年第40卷第型主要有梁单元、体单元以及弹簧单元几种形式[64#本文选取弹簧单元焊点模型来装配客车车身各部件,其主要通过弹簧单元连接各部件的壳单元,然后通过定义弹簧单元的材料属性来模拟焊点的应力应变特性#图2是车身装配的焊点模型,共包含了6728个焊点#图2车身焊点模型1.4接触设置在汽车碰撞仿真计算中,常用的接触类型有节点与面的接触、面与面的接触、单面的自接触#此次碰撞仿真分析中,接触类型选用的是RADI0SS中的/INTER/TYPE7274,它可以模拟自接触以及主从点面接触,其中静摩擦系数设置为0.25#2仿真结果分析按照法规GB11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》的要求,在RADI0SS软件环境下,设置碰撞初始速度为48.3km/h,仿真时间为130ms#2.1变形分析图3是在不同时刻下(0ms、40ms、80ms、120ms)车身的变形图#从图中可发现,车头前部变形较大,其中引擎盖、前围、保险杠的吸能效果较好#此外,在40ms~80ms时间段,车身前部变形趋势明显,在之后的时间段,车身结构变形不大#图4(a)是车门相对变形量曲线,图中最大变形量为4mm,碰撞结束后车门可以在不借助其他工具的情况下打开#图4(b)是驾驶室的相对变形量曲线,由图可知最大变形量为46.4mm,远小于法规规定的127mm[84,并且该变形量对驾驶室乘员的安全生存空间影响不大#2.2能量分析汽车发生碰撞时,大部分动能都转化为系统内能,另外一部分则转化为沙漏能和接触能,还有极少部分以发光、发热等形式耗散掉。
基于不同损伤评价标准的正面碰撞乘员保护研究胡远志;甘顺;刘西;蒋成约;任立海【摘要】在不同乘员损伤评价标准下,汽车碰撞安全约束系统优化可能得到不同的匹配参数。
基于实验设计的方法选取一定数量的设计点,分别通过Polynomial SVD、Kriging、神经网络算法建立约束系统的代理模型,用随机样本验证模型的拟合精度。
选取神经网络代理模型进行遗传算法优化,发现代理模型在一些接触边界上存在失准的情况,因此采用多刚体MADYMO模型分别以多目标优化、加权综合评价指标WIC和C-NCAP评分3种损伤评价标准,通过MOGA-Ⅱ遗传算法计算得到不同标准下的优化结果。
仿真结果对比发现:由于约束系统属于多输入变量的多目标优化问题,在有限的计算时间内难以得到具有代表性的Pareto非劣解集,加之高维的解集空间难以直接得出具有工程参考价值的约束系统匹配参数,而采用两种归一化标准则得出了两组不同的匹配参数,体现出WIC以权重为优先级的重要部位重点保护和C-NCAP以各部位伤害值达标为目标的优化特点。
【期刊名称】《重庆理工大学学报》【年(卷),期】2018(032)005【总页数】11页(P1-11)【关键词】代理模型;多目标优化;WIC;C-NCAP;乘员保护【作者】胡远志;甘顺;刘西;蒋成约;任立海【作者单位】汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆400054;汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆400054;汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆400054;汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆400054;汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆400054【正文语种】中文【中图分类】U461.91近年来,随着生物损伤力学相关方向的研究不断深入,在汽车乘员保护领域,基于大量尸体试验和交通事故调查后得出的乘员损伤准则为研究分析乘员在汽车碰撞事故中的受伤程度提供了指导。
研究人员针对头部、胸部、颈部、腹部、腿部等部位分别提出了多种损伤准则和相应的伤害限值。
地铁车正面碰撞及侧翻碰撞研究2中车唐山机车车辆有限公司河北省唐山市 063035摘要:现代地铁车辆通过各种先进的电子预警设备和新型自动控制装置进行主动安全防护的方法,减少了发生碰撞事故的可能性,但事故原因复杂多变,总有由于人为失误、设备故障或无法控制的自然灾害等因素造成的事故,不可能完全消除列车的碰撞。
因此,随着地铁车辆被动安全性的提高,车辆的耐撞性越来越受到重视,许多国家也把车辆的耐撞性作为车辆设计的重要组成部分。
基于此,本文章对地铁车正面碰撞及侧翻碰撞研究进行初步探讨,以供参考。
关键词:地铁车;正面碰撞;侧翻碰撞引言本文在查阅相关文献资料的基础上,结合地铁车辆运行特点,模拟了地铁车辆常见碰撞场景,对每种碰撞进行分析。
结果表明,在地铁车辆碰撞过程中,车体的端部结构作为主要吸能部件对整车的耐撞性有着重要的影响;车体在正面碰撞中车体结构容易出现弯曲变形从而影响吸能效果;车体的端墙结构在侧翻碰撞中会变形吸能,并对车体在侧翻过程中的变形造成一定影响,可能会影响乘客的安全。
一、碰撞场景与其他交通工具不同,地铁列车辆设有独立运行轨道,按照国内法律法规要求其轨道一般为封闭路线,其他车辆如汽车、电动车、自行车等不得入内,因此,常见事故发生的原因概括为四种碰撞情况:第一种是同一线路上两个相同车辆之间发生正面碰撞或背面碰撞;第二种是同一线路上两个不同类型的车辆之间发生正面碰撞或背面碰撞;第三种是车辆与低处障碍物发生碰撞;第四种是车辆在平交路口与大型障碍物发成碰撞。
轨道车辆之间的正面碰撞是最严重的;因此,研究人员主要关注于这种碰撞中的地铁车辆的耐撞性。
二、地铁车碰撞的自动检测地铁自动碰撞检测可分为两类:第一类是碰撞警告检测,可预测行驶中车辆的可能碰撞,第二类是碰撞检测,前者是碰撞后实时检测到的碰撞检测,后者主要针对地铁中常用于在被动安全系统(如安全气囊)中运行碰撞的被动安全系统,因此必须在很短的时间内识别碰撞,为了确保有足够的时间来运行保护系统,以便可执行简单的计算,例如速度和加速度、位移和变形、能量和信号功率(如果计算结果高于阈值),干涉和经验公式被认为具有较强的颜色,并且仅可以确定是否发生了碰撞,但不会损坏地铁。
第29卷第4期 2011年07月 佳木斯大学学报(自然科学版)
Journal of Jiamusi University(Na ̄rM Science Edition) V0I.29 N0.4
July 2011
文章编号:1008—1402(2011)04—0481—05
正面碰撞约束系统仿真和设计参数研究① 王平,吴光强 (同济大学汽车学院。上海201804)
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、可压渍转向柱、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. 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 中图分类号:U461.9l 文献标识码:A
0 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_】 ].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 . 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.
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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 引,其屈服条件可表 示为:
① 收稿日期:2011—06一o9 基金项目:国家863高科技资助项目(2007AA04Z132);国家973重点基础研究发展计划(2011CB711201). 作者简介:王平(1980一),女,山东青岛人,同济大学博士生,主要研究方向:汽车碰撞安全及多学科优化
. 482 佳木斯大学学报(自然科学版) 2011年 F(o-y一 ;) +C(o-:一O"x) +//(o- 一O'y) +2 2+2M ̄2+2M≥=1 (1) 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: F= (忐G-/-+ 1一 ) (2)
G=
图2织物拉伸试验结果 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,采用弹簧一阻尼 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 日 1 1+之一志) (4) 2L 1 2 = 1 2N= 1 (5) 3 、 其中,Rll’R22,R33,R23,R 3和R。:为各向异性主轴 的拉伸和剪切屈服应力. 图3织物剪切试验结果 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 丝[7】 寸 ・ 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.
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图4正面碰撞后驾驶员响应 484 佳木斯大学学报(自然科学版) 2011年 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 的时间历程.其中, Original代表原设计,Casel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口 峰值变大且峰 值发生时刻后移;而增大排气孔面积会使口 峰值 变小且峰值发生时刻后移.
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车体运识变 I 假人 lJ 座椅 仪表板系统 约束系统 方向盘 安全气囊 Il 安全带 Il 转向柱
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图10肩带滑环定位点对。^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1O给出了安全带织 物材料变化时的口 时间历程对比.其中,Casel代 表安全带织物材料刚度变小10%, 峰值随之变 大;Case2代表安全带织物刚度变大10%,假人头部 ・n 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1 1是转向系统定位参数在不同水平下得到 的tt 曲线.其中,Casel代表转向系统沿 方向向 前移动20ram,0 峰值略微变大,峰值发生时刻后 移;Case2代表转向系统沿 方向向后移动20mm, 口 峰值明显降低,乘员头部的伤害减少.
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图11转向系统定位参数对tilt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 速度口 的对比曲线.Casel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, 转向柱刚度变大使口 峰值减小;而当转向柱刚度 变小o 峰值略有增大,这使得转向系统对乘员的 伤害增大.
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图12转向柱刚度对 ^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 第4期 王平,等:正面碰撞约束系统仿真和设计参数研究485 1.综合评价指标W1C c。 是计算方法如下: WIC-0.6、
(HIC3s\+0.35(~C3ma1000/ 60+7旦61//2 f 《
+0.05.
{FFC t +FFC,1 (6) \ 20
.0 , ’
式中,肌c3 为头部损伤指标;C, 为胸部3ms加速 度值;D为胸部压缩量;FFC 为左大腿轴向压力; FFC,为右大腿轴向压力。
表1 正碰约束系统假人伤害指标
由此表可知,在原设计中,满足HIC,6≤1000、 尼DC≤76mm、C ≤60g、FFCf≤10kN和 C ≤ 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.
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