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1、中国汽车工程学会2 0 0 4 汽车安全技术国际研讨会 基于M A D Y M O 的汽车侧面碰撞乘员约束系统 模型建立与验证 张敏，张君媛，刘静岩 吉林大学汽车学院，长春，1 3 0 0 2 5 ，z j y 9 0 8 7 s i v a c o r n 摘要：论文分析了汽车侧面碰撞乘员约束系统的特点，基于多剐体动力学理论，应用乘员伤 害仿真软件M A D Y M 0 3 D ，按照E C E R 9 5 法规要求，建立了汽车侧面碰撞乘员约束系统动态仿真 模型，详细讨论了模型建立中的关键技术。依据试验曲线对模型的有效性进行了全面验证。 关键字：侧面碰撞，乘员约束系统，计算机仿真 M o d
2、 e lB u i l d i n ga n dv a l i d a t i o no fO c c u p a n tR e s t r a i n tS y s t e m i nS i d eI m p a c tB a s e do nM A D Y M O Z h a n gM i n ，珏衄gJ u n y u n ，L i uJ i n g y a n C o l l e g eo fA u t o m o b i l eE n g i n e e r i n g ，J i l i nU n i v e r s i t y ，C h a n g c h u n ，1 3 0 0
3、 2 5 A b s t r a c t ：I nt h i sp a p e r ，a no c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e mi ns i d ei m p a c ti sc a r r i e do u tu s i n gM A D Y M Os o f t - w a r ei na c c o r d a n c ew i t hE u r o p eS i d ei m p a c tC r s hr e g u l a t i o nE C E R 9 5 T h es i m u l a t i o nr e s u l t
4、sv e r i f yt h e c o l T e e t l l e s 8o ft h em o d e l K e y w o r d s ：S i d eI m p a c t ，O c c u p a n tR e s t r a h a tS y s t e m ，C o m p u t e rS i m u l a t i o n 1 引言 侧面碰撞是一种常见的交通事故类型，导致车内乘员受伤的比例约占所有交通事故的 2 1 ，如果只考虑导致乘员严重和致命的伤害事故，那么它所占比例将达到2 6 ，仅次于正面 碰撞所占比例。 与汽车正面碰撞相比，汽车侧面吸能构件较少，乘员与门内板
5、之间仅存在2 0 3 0 e m a 的空 间，一旦受到来自侧面的撞击，乘员受到强烈贯人的冲击载荷作用，严重时危及生命。乘员侧 面碰撞保护系统的研究包括侧面安全气囊的开发，安全座椅的开发以及车门及立柱的刚度优 化等内容。国内对于侧面碰撞安全性研究刚刚起步，侧面碰撞法规正在积极的起草之中。对 乘员约束系统的研究除了采用实车和台车碰撞试验方法外，计算机仿真研究具有不可替代的 作用，它不仅能够减少碰撞试验次数，节省开发成本，同时还能够在概念设计阶段进行虚拟碰 撞试验，缩短研发周期。 2 侧面碰撞乘员约束系统仿真模型建立 本文应用荷兰T N O 公司的乘员碰撞伤害仿真软件M A D Y M 0 3 D
6、 建立了侧面碰撞乘员约束 系统数学模型。M A D Y M 0 3 D 软件以多刚体理论为基础，能较好的模拟碰撞过程和乘员受到的 一1 6 4 中国汽车工程学会2 0 0 4 汽车安全技术国际研讨会 伤害，并给出伤害指数。 2 1 侧面碰撞乘员约束系统模型建立 本文所建立的多刚体约束系统模型包括三个主要部分：假人的乘坐环境即车体模块，加载 侧面冲击的移动壁障模块和假人模块。在多刚体系统中，刚体之间用铰链连接。铰链对邻接 刚体的约束体现在运动和力的作用上，通过对系统内邻接刚体之间铰链的定义，反映整个系统 的在受到冲击载荷时的运动学及动力学响应。 车体模块中，对于侧围主要承受冲击载荷的结构如门槛，
7、A 柱，B 柱，前后车门，顶盖边梁 搭建的比较详细，而其他部分做简化处理。依据E C E R 9 5 法规要求建立移动壁障模型，并且对 其进行了有效性验证仿真试验。本文研究采用欧洲侧撞假人E u m S I D E 1 ，在重力场中进行假 人坐姿调整，模拟实际驾驶员的坐姿，并且定义假人与周围物体的接触。 2 ，2 侧面碰擅乘员约束系统动态仿真 乘员约束系统的动态仿真根据E C E R 9 5 法规要求进行。包括确定车体、假人及移动壁障 之间的位置关系。试验前，被撞车辆静止的放在地面上，移动壁障的对称中垂面与撞击基准面 ( 通过假人H 点的车身截面) 重合，与车体被撞侧相距2 0 m m ，以5
8、 0 4 K m h 的速度撞向被测车 辆。侧面碰撞动态仿真试验在重力场中进行( 见图1 ) 。 3 建立多体乘员约束系统的关键技术 建立多体乘员系统模型需要大量的参数，其中 最为重要的是铰链的刚度特性参数，它对仿真结果 影响最大，同时也最难获取。铰链刚度特性是指铰 链受到的力( 或力矩) 与其位移( 或转角) 的变化关 系，体现在对其邻接刚体运动的约束，及刚体间力的 相互作用。 侧碰中车体侧围部件大多发生弯曲变形，反映 图1 侧撞约束系统仿真模型 到力学特性上即为施加在铰链上的弯矩与其相应转 过的角度之间的关系，即曲线。如何获取铰链的这种刚度特性，是多刚体建模中的 难点。 本文运用有限元分析
9、法来获取铰链的刚度特性，以门槛上一个铰链的刚度特性提取为例， 门槛在x 向( 门槛的轴向) 发生扭转，在Y 、Z 向发生弯曲。首先建立所求铰链位置的局部门槛 有限元模型( 见图2 ) ，在门槛非铰链端面定义加力杆并与之焊接在一起。在输出中定义所要 考察的铰链位置的节点转角及截面反力矩。欲提取铰链z 向的刚度特性，铰链所在的端面所 有自由度被约束，除了z 向的转动，加力杆加载预先定义好的运动，达到铰链处的z 向弯曲变 形的效果，运行有限元软件求解即得铰链z 向刚度特性曲线( 见图3 ) 。铰链x 、Y 向的刚度特 性运用类似方法求出。 4 仿真模型有效性验证 仿真模型建立的正确与否需要通过试验进
10、行验证，本文通过对比于车体关键部位、移动壁 障及假人运动响应的试验与仿真曲线，对仿真模型进行评价。 1 6 5 中国汽车工程学会2 0 0 4 汽车安全技术国际研讨会 图2 有限元模型输出的铰链z 向刚度曲线 4 ，1 移动壁障有效性验证 M o m 卸t 讲m ) 帅一e ( r a d i 肌) 图3 有限元分析得到铰链剐度曲线 按照E C E R 9 5 法规要求，对壁障模块进行验证试验。壁障以3 5 k m h 的速度与刚性墙进行 完全正面碰撞，壁障质心处位移曲线见图4 ，壁障质心速度曲线见图5 ，分别满足法规要求，论 文同时验证了六个吸能块的力一位移曲线，均在法规要求的范围内。 簧
11、时问( m )时间 图4 移动壁障质心位移曲线图5 移动壁瘴质心速度曲线 4 2 侧面碰撞乘员约束系统仿真模型验证 实车侧面碰撞试验严格按照E C E R 9 5 法规要求进行，模型的有效性依据实车碰撞试验中 车体和移动壁障响应特性及假人的伤害指标等方面加以验证。 图6 、图7 分别为仿真与试验的B 柱( 被撞侧) 、中通道及移动壁障速度时间历程对比曲线 ( 实线为试验曲线，虚线为仿真曲线) ，仿真曲线与试验曲线趋势基本吻合，能够满足工程分析 的需要。 在侧面碰撞中导致致命或人体严重损伤的主要部位依次是头部、胸部、脊椎、腹部及骨盆。 E C E R 9 5 法规中分别规定了头部伤害指标H I
12、C ，胸部伤害指标R D C ，腹部伤害指标A P F ，骨盆伤 害指标P S P F 。图8 图1 1 为仿真与试验中假人生物力学特性响应曲线对比。 从对比结果来看，假人胸部及腹部伤害指标的响应与试验吻合的比较理想。而头部加速 度响应与骨盆受力响应相对试验曲线在时间历程上有一定偏差，这是因为在仿真模型中与假 人直接接触的车门被简化成内板与外板，缺少车门缓冲材料，导致仿真结果的峰值比试验峰值 提前。 1 6 6 冒旦镶犁 中国汽车工程学会2 0 0 4 汽车安全技术国际研讨会 5 结论 02 0 4 0印8 0 1 0 01 2 0t 4 0 时间( 咖) 图8 头部加速度曲线对比 图1 0
13、假人腹部受力曲线对比 辎 图7 移动壁障与中通道速度曲线对比 圈9 肋骨压缩量曲线对比 时间f m 日) 图1 l 假人骨盆受力曲线对比 本文探讨了基于多刚体理论应用M A D Y M 0 3 D 软件，建立侧面碰撞乘员约束系统模型的方 法，并且按照E C E R 9 5 法规内容进行动态仿真计算。通过试验对车体、移动壁障及假人进行定 量评价，获得了一个有效的侧面碰撞乘员约束系统仿真模型，利用该仿真模型能够进行侧面安 全气囊的开发，安全座椅的开发以及车门及立柱的刚度优化等工作。 1 6 7 一童M日制 冒替n料 一N童簧曩 中国汽车工程学会2 0 0 4 汽车安全技术国际研讨会 一般来讲整车碰
14、撞有限元模型精度高，但是需要耗费大量的时间和计算机资源，当把重点 放在考察不同碰撞情形下乘员的响应时，整车模型加上乘员模型应用有限元分析显然是不现 实的。多体系统模型虽然在精度上不及有限元模型，但最大的优势是计算时间短，便于实现乘 员约束系统的多参数优化。目前在侧面碰撞乘员约束系统研究中两者耦合的仿真技术国外已 有研究。 参考文献 1 B a l aD e s h l c l a n d e ，M a s t a f aR a s h i d y ，C u s t o n f i z e dE n v i r o n m e n tf o rR a p i dD e v e l o p m e n to fC o n c e p t M o d e l su s e di nC r a s ha n dS t o c h a s t i cA n a l y s i s ：3 r dA n n u a lN o r t hA m e r i c a nM A D Y M OU s e r BM e e t i n g ， 1 9 9 9 2 陈晓东，苏清祖，程勇，朱西产汽车倾4 碰移动变形壁障有限元模型的开发，汽车工程，2 0 0 3 年，第3 期 1 6 8
