MADYMO在乘员安全约束系统优化中的运用

2018-06-28马燕

时代汽车 2018年6期

马燕

上汽通用五菱汽车股份有限公司广西柳州市 545007

1 引言

进入21世纪以来，我国进入了经济高速发展的阶段，人民的生活水平得到了极大提高。而汽车也作为一种普通商品，走入了千家万户，给人们的生活带来了诸多方便。但快速增加的车辆，也导致交通事故数量的急剧上升，对人民的生命财产造成了极大的损失[1、2]。

2 国内外汽车安全性研究现状

汽车安全性研究主要分为主动安全性和被动安全性两个大方向。主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力，主要是在行驶过程中，车辆处于紧急转弯等危险工况时，避免车辆失去稳定，避免发生碰撞事故的发生。被动安全性是指汽车在发生碰撞事故时，有效约束车内乘员使其避免受伤或伤害程度降到最低，以及对车外行人进行有效保护的能力。目前，国内外对被动安全性研究主要是车身结构抗撞性、碰撞生物力学和乘员安全约束系统三方面[3]。

3 MADYMO建模

MADYMO正碰模型由车体模型、乘员和约束系统等构成。

3.1 车体模型

以某车型的驾驶舱数据为例，建立车体模型。

车体模型的原点设置在整车模型的原点，其他部件可根据此原点精确定位。也可运用车体的FE模型进行MADYMO的建模。采用运动铰对车体的多刚体部件进行连接，这些运动铰应该定义在车体可能发生变形的部位。这些运动铰类型的定义，可根据部件之间可能发生的相对运动来判断。座椅模型的接触特性直接影响假人髋部的运动，一般根据零部件试验获得座垫，座盆的刚度、摩擦系数等参数。

3.2 假人模型及定位

MADYMO提供了丰富的假人模型库，可方便地通过INCLUDE语句直接调用和替换。假人的定位精确度直接决定了模拟结果的准确性。假人的定位通常采用两种方法：第一种是直接输入试验前物理假人的定位参数测量值；第二种是在预模拟中，对假人施加重力场的作用，使假人与座椅等部件相互作用下达到静力平衡状态。在实际应用中，通常将两种方法组合使用[4]。

3.3 安全带模型

在MADYMO中，有三种建立安全带的方法。第一种是传统的多刚体安全带，这种安全带模型计算量小，但是织带沿着垂直方向及沿织带方向在假人身上的滑动无法通过这种模型进行模拟。第二种是有限元安全带，它可以较精确地模拟织带在假人身上两个方向的滑移，缺点是无法模拟在D环和带扣的处的材料流动、摩擦作用。第三种是混合安全带模型，是多刚体安全带模型与有限元安全带模型的混合，可精确模拟安全带在假人模型表面不同方向的滑移。并且织带陷入假人身体表面的嵌入效应，也可以使用正交各向异性摩擦系数来模拟[5]。本文模型采用混合安全带模型。

根据卷收器、D环、高调器、带扣、锚点等定位参数确定安全带的连接关系。图1为安全带模型示意图，图中实线表示传统多刚体安全带，虚线为有限元安全带。

3.4 接触定义

在正碰模型中，主要的接触有：假人髋部与座椅坐垫、假人靠背与座椅靠背、假人鞋与地板、假人膝盖与仪表板、假人与安全气囊等。如果使用的是有限元安全带，则要定义安全带与假人之间的接触。

图1 安全带模型示意图

3.5 加速度场

将碰撞试验中测得的加速度信号和重力场加在MADYMO模型中，完整模型如图2所示。

图2 正面碰撞模型

4 优化方案设计

选取对乘员约束系统影响较大的因素，如安全带织带延伸率、卷收器锁止时间、方向盘面板刚度，每个因素考虑3个水平，选取因素及其对应的水平如表1。对于方向盘面板刚度的3个水平曲线如图3所示。将这些因素及水平相互交织，取9种优化方案，如表2所示。

5 结果与分析

乘员的伤害形式主要是头部和胸部，表3为运用MADYMO软件进行模拟计算的乘员伤害指标结果。由表3可知，方案1、5、9的头部伤害值小于1000，满足法规要求，其余方案的头部伤害值均超过1000，其中方案3、4和8的头部伤害指标远远超出法规的要求。对比发现，卷收器锁止时间对乘员的伤害指标影响最大，随着卷收器锁止时间的增大，乘员伤害值不断增大。对比卷收器锁止时间同为20ms的方案1、5、9发现，方案5（安全带延伸率为12%，方向盘面板刚度B2）的乘员伤害值最小，其次是方案9（安全带延伸率为15%，方向盘面板刚度B3），而方案1（安全带延伸率为7.5%，方向盘面板刚度B1）的伤害值最大。由此可知，安全带的延伸率太小时，即使方向盘面板刚度较软，也得不到很小的乘员伤害值。而安全带延伸率适中时，取较大的方向盘面板刚度，也可获得较小的乘员伤害值。

表1 选取因素及其对应的水平

表2 方案设定

表3 乘员伤害值

由图4可看出，方案4和8的胸部位移大于75mm，超出了法规要求的指标，其余方案均可满足法规要求，其中方案5与9的胸部位移量最小。由图5可看出，方案1的头部加速度峰值最小，方案5和9次之，而方案4和8的头部加速度峰值最大。图6中，方案4和8在碰撞的后期，髋部加速度出现了一个尖锐的峰值，其余方案的髋部加速度趋势相近。