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:2008-03-24汽车乘员约束系统的参数分析及仿真研究陶海龙刘岩(上海大众汽车有限公司【摘要】应用MADY MO 软件建立汽车乘员约束系统的仿真模型,分析了安全带系统和座垫刚度特性对汽车乘员碰撞响应的影响,仿真结果经试验得到验证。最后通过对约束系统进行参数相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的结论。【主题词】仿真模型约束系统汽车0引言本文利用MADY MO 软件对约束系统的参数进行研究。MADY MO 软件是由荷兰T NO 道路车辆研究所开发的,现在已广泛应用于汽车碰撞时乘员约束系统的分析和设计。该软件是多体系统和瞬态显式有限元一体化的商品化软件,多体系统主要用于模拟整体响应(如碰撞假人、汽车悬架、机械系统等,有限元用于模拟结构大变形(如气囊、安全带、碰撞假人局部结构、汽车车身结构部件等,如图1所示 。图1MADY MO 软件的结构示意图1仿真模型的建立及试验验证111模型建立使用MADY MO 软件建立仿真模型时,主要考虑下列几部分的内容。(1假人仿真模型中的假人为PART572D (Hybrid 假人。模型由13个刚体组成,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的不同刚体;所有的椭球都具有一定质量和尺寸,其基本的几何和力学参数从MADY MO 数据库中提取。假人的初始位置和方位则可以通过修改骨盆的质心位置进行调整。(2安全带模型的具体结构描述如下:其中与假人表面发生接触作用的部分采用有限元建模。使用的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,单元的真实坐标可以通过一个预模拟获得;所有的单元具有相同的几何尺寸厚度。不与假人接触的部分采用传统的弹簧-阻尼模型,即MADY MO 中标准的力元。它们分别在端点处与一个有限元节点相连,各段具有相同的力-变形特性(织带特性;安全带的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-位移函数表示。(3台车环境座椅的靠背和座垫都用刚性平面建模,表示座垫的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,相互作用被定义为接触。对于乘员与约束系统即环境的关系,定义了一系列的接触,其中平面与椭球的接触有:座垫与下躯干的接触、座椅靠背与下躯干的接触、座椅靠背与脊椎的接触、座椅靠背与上躯干的接触、脚踏板与左脚的接触、脚踏板与右脚的接触。椭球与椭球的接触有:转向盘与下躯干的接触、转向盘与上躯干的接触、转向盘与头部的接触。(5加速度场前碰中,由于乘员和约束系统的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的影响可以忽略。在计算机建模时,可以将乘员的运动从台车响应中隔离出来,将模型中的乘员环境(台车视为惯性空间,而对系统的外部作用定义为两个加速度场,一个是作用于人体且方向垂直向下的重力加速度g;另一个是水平方向的减速度,该减速度即为台车试验中测得的台车减速度响应。112模型的试验验证为了验证模型的正确性,采用了以下试验方案进行台车碰撞试验。碰撞形式:正前碰;假人:50百分位男性标准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个方向的加速度,胸部X、Y、Z3个方向的加速度。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,可根据碰撞速度的不同要求将台车牵引到不同位置,然后释放台车,使其在橡皮绳的作用下与固定障壁进行碰撞,获得要求的碰撞减速度波形。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个碰撞触发传感器组成。光电测速传感器用来测量台车的碰撞速度,7个加速度传感器分别用来测量头部和胸部X、Y、Z方向及台车车体的加速度。控制系统接收到来自碰撞触发传感器的信号,启动数据采集系统进行信号测量,所测得的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的测量数据 。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的假人动力学响应和伤害参数进行比较,如图3、4所示。模型较准确地反应了真实情况。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的动能,限制胸部位移将引起头部的甩动,头部的减速度峰值伴随着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结果在趋势和峰值出现的时刻都与试验结果比较相符。但两者还是存在着一定的差异,这主要是由于以下原因。(1对座垫的几何形状进行了比较大的近似(采用一个平面来表示。(2座垫刚度的动态效果。座垫刚度是通过静态试验得到的,而实际是一个动态的加载过程。(3座垫平面绕Y轴转动,改变了乘员的姿态,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的旋转铰的铰刚度来描述这一现象,同样该刚度是通过静态试验得到的,而实际是一个动态的加载过程。2参数相关性分析灵敏度分析是工程中常用的方法,通过它可以找出设计参数的改变对结构性能的影响,然后通过修改敏感的设计参数,使系统的性能得到改进。在碰撞分析和约束系统的研究中,参数相关性分析被广泛用来分析约束系统性能的改变。在新约束系统的初始设计阶段,参数相关性分析可以为设计改进起指导作用。对于已经存在的约束系统,通过它也能起到改进作用。传统上,对乘员和约束系统的参数研究主要是通过大量的台车试验进行,不仅花费高而且设计周期长。现在,使用经过试验认证的数字模型,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的影响。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、假人的初始位置X方向、安全带的松弛量,其改变量如表1所示。表1乘员约束系统的设计参数改变设计参数参数改变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假人的初始位置X方向(mm-10+10安全带的松弛量(mm-200+200参数的灵敏度是通过乘员伤害指标变动的大小来评价的。即:改变后的伤害指标-基本伤害指标基本伤害指标100%根据F MVSS208所选的伤害指标为H I C36和胸部3m s加速度准则,使用建立的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、安全带松弛量的影响则相对小些;胸部加速度的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;要改进安全带系统的性能,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结语利用MADY MO软件建立了包括座椅和安全带在内的台车碰撞仿真模型,对安全带系统采取了多体和有限元混合建模,并通过试验验证了模型的正确性。使用经过验证的模型,对乘员约束系统的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的松弛量是对乘员伤害指标有较大影响的敏感因素。研究表明:在产品开发中,使用碰撞模拟技术可以降低试验次数,特别是对于相近的乘员约束系统,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。参考文献1MADY MO TheoryManualM1Holland:T NO Road2Vehicle Research I nstitute,200512Hoff man,R1,etc11Finite Ele ment Appr oach Analysis of Occu2 pant Restraint Syste m I nteracti on with MADY MOA1S AE2006(61 3R1W1Tho ms on etc Dyna mic Require ment of Aut o mobile Seat A1S AE2005(614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,2007129(121AbstractSi 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种氢瓶固定方案的整车碰撞分析计算,可以得出以下结论。(1从分析结果可以看出,改进的氢瓶保护系统具有更好的固定和限位作用,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车的一个重要动力系统部件,发生碰撞的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的相对运动外,还要保证其他部件不会和其发生剧烈的碰撞(即其他部件和氢瓶发生接触时,最大作用力不能超过一定的值,否则会导致氢瓶发生爆炸。(3文章中设计的氢瓶保护系统,适用于多种车型,对其他的燃料电池车的氢瓶固定支架设计具有一定的参考价值。(4通过对FCV车进行CAE仿真分析,优化了结构设计,加快了产品开发速度和准确度,节约了成本,充分发挥了CAE仿真分析在新能源汽车自主开发中的优势。参考文献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,2005.AbstractRelative 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