毕业论文范文——基于Visual Seat的座椅鞭打试验仿真对标

西安航空职业学院毕业论文基于Visual Seat的座椅鞭打试验仿真对标姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘 要：基于Visual Seat软件搭建某国产座椅有限元模型，按照2015版C-NCAP鞭打试验要求进行了仿真对标，从假人动态响应及损伤指标曲线可以看出，仿真与试验基本一致，所建立的模型能够较好地预测座椅的防挥鞭伤性能。并进行了2018版C-NCAP鞭打试验的仿真预测，为之后的对标和研究奠定了基础。关键词：Visual Seat；鞭打；座椅；仿真1前言追尾事故是所有交通事故中所占比重最大的事故1，经统计，在中国比例高达48.4%。而追尾事故中乘员所遭受的颈部挥鞭伤，往往给伤者带来颈部骨头或软组织损伤，会引起长期的后遗症。通常颈部挥鞭伤治疗困难，每年给社会带来巨额的经济损失。2012年我国C-NCAP管理中心将鞭打试验评价方法纳入了评价体系，2015年进行了更新。到2017年底，我国的座椅防挥鞭伤性能得到了大幅度的提高。2018版C-NCAP鞭打试验规程将试验速度的峰值由15.65kph提高到20kph，对座椅性能提出了更高的要求。本研究以某国产驾驶员座椅为分析对象，采用法国ESI公司开发的Visual-Seat软件进行模拟，过程中使用能够真实模拟人体颈部动力学响应的BioRID II型假人,进行座椅防挥鞭伤能力的对标及预测。2座椅模型建立建立某国产座椅的有限元模型，其中骨架钣金件采用6mm的壳单元，支撑弹簧采用7mm的梁单元，泡沫采用15mm的四面体单元，蒙皮采用15mm的膜单元。座椅模型的精确度直接影响鞭打试验的仿真结果。相对于传统的建模软件，Visual Seat建立的座椅模型，为保证计算精度，保留了座椅模型的绝大多数细节2，包括泡沫的沟槽、沟槽中的钢丝及固定环（Hog Ring）、蒙皮下的衬垫（Padding）、蒙皮织布的纤维方向、蒙皮的包裹等等3。软件对操作进行大量的精简，极大地减轻了使用者的工作量。比如处理泡沫沟槽中的内部结构，使用Hog Rings模块，只需选择相应的位置就可以生成对应的两根钢丝、织带及固定环；蒙皮的包裹使用Trim Adviser模块，设置好每个区域的预应力/变，提交计算即可得到包裹后的状态；根据几何数据得到的弹簧通常是松弛状态，通过Spring Hooking模块可以将弹簧挂载到座椅骨架上，并保留弹簧的应力；类似的，数据阶段松弛的泡沫和弹簧是有穿透的，通过Position Foam模块可以迅速模拟到挂靠在弹簧上的泡沫的最终状态，并保留泡沫的初始应力。3假人定位模拟仿真过程中使用能够真实模拟人体颈部动力学响应的BioRid II型假人。假人的摆放位置会影响到后续鞭打试验的动态响应，于是软件设计了假人定位过程（BioRID Sitting），以保证仿真与试验中假人放置状态的相同。该过程计算2000ms，为提高计算速度，座椅骨架钣金件设置为刚性，仿真过程中骨架不发生变形。其相关设置软件进行了操作精简，只需要填写地板的Z向坐标、试验测得的BioRID假人的H点坐标及头后间隙，如图1（a），即可提交计算，仿真后的最终状态如图1（b）所示。 a)假人定位设置 b）假人定位最终状态图1 假人定位从表1的结果数据可以看出，假人定位后的H点在X方向、Z方向分别有5mm、1.9mm的差距；头枕间隙相差0.5mm，保证在2mm以内。该结果与试验假人初始状态基本吻合，可用于进行鞭打试验的CAE分析。表1 试验与CAE仿真假人姿态对比H点X坐标(mm)H点Z坐标(mm)头枕间隙(mm)假人骨盆角(deg)试验1258.7324.349.426.5CAE1253.7326.248.925.74鞭打试验仿真对比鞭打试验仿真计算时间为150ms，过程中座椅骨架调整为柔性连接，钣金件可变形，各个零部件设置相应的刚性连接、铰连接及接触等。加载2015版C-NCAP鞭打试验曲线，如图2所示。试验和仿真中假人受冲击作用的动态响应对比如图3所示，二者的假人运动趋势基本一致。开始阶段，假人躯干向后移动，由于惯性作用，头部运动滞后，有挥鞭的趋势，在65ms左右接触头枕。110ms左右，座椅泡沫变形达到最大，假人回弹。假人与座椅相互作用过程中，座椅靠背、头枕分别给予躯干、头部支撑作用。研究表明，缩小头部与躯干的相对运动会有效减小乘员受到颈部伤害的几率4。图2 鞭打试验2015版加速度波形0ms60ms30ms 90ms120ms150ms 图3 鞭打试验仿真与结果的动态响应对比图4和表2分别为鞭打性能仿真结果与试验结果输出的损伤指标曲线和得分对比，两者在曲线趋势、峰值和得分均具有较好的一致性。说明该模型可以作为基础模型进行后续座椅防挥鞭伤性能的研究工作。 图4 鞭打试验结果与仿真结果的损伤指标曲线对比表2 试验与仿真得分对比表52018版C-NCAP鞭打试验仿真预测新版C-NCAP管理规则提高了鞭打试验速度，并将于2018年7月1日开始实施，本研究采用对标后的模型，施加2018版C-NCAP规定的加速度波形，如图5所示，预测该款座椅头枕对乘员颈部的保护效果。图5 鞭打试验2018版加速度波形图6为相应的鞭打试验仿真动态响应，图7为2015版和2018版鞭打试验仿真结果的损伤指标曲线对比。从图中可以看出，加速度变化趋势均有提前；加速度峰值、上颈部受力峰值均有不同程度的增加，下颈部受力峰值变化相对较小。图6 2018版鞭打试验仿真动态响应 图7 2015版与2018版鞭打试验仿真结果的损伤指标曲线对比6 结束语1）基于Visual Seat软件建立了某国产驾驶员座椅的详细有限元模型,通过简便的操作保留了座椅的绝大多数细节，提高了模型的精确度；2）通过与试验结果的对比，完成了模型的对标验证，证明了模型的有效性；3）使用对标后的模型，针对新版2018版C-NCAP鞭打试验进行了仿真预测。该模型可作为基础模型，为后续的座椅防挥鞭伤性能改进设计提供相应的有力工具。参考文献1 胡远志，胡源源，刘西，等基于LS-DYNA的某座椅鞭打性能分析和优化J 重庆理工大学学报(自然科学)，2017( 6) :8-142 A. Siefert, S. Pankoke. Virtual optimisation of car passenger seats: Simulation of static and dynamic effects on drivers seating comfort J, International Journal of Industrial Ergonomics 38 (2008) 4104243 Christian Marca. Using Virtual Seat Prototyping to Understand the Influence of Craftsmanship on Safety, and Seating Comfort J, SAE 2011, 2011-01-0805