汽车约束系统零部件模型的建立与验证

2018-07-13闫晓芳高鹏飞付荣荣

汽车工程师 2018年5期

闫晓芳高鹏飞付荣荣

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

汽车乘员约束系统是汽车被动安全领域内的主要研究内容之一，乘员约束系统主要由安全带、安全气囊、仪表板、座椅及转向系等子系统组成。近年来，许多研究学者发现，单纯优化安全带或安全气囊系统的特性只能在一定程度上提高乘员约束系统的性能，而如果从系统概念出发，协调安全带、安全气囊及座椅的机械特性则可以大大提高乘员约束系统的性能。国外也在积极地研究智能型约束系统，可以自动识别乘客体型，更好地保护妇女儿童[1]。我国汽车被动安全研究经过了数年的发展历程，已经有了一个良好的开端。文章在一系列零部件试验的基础上，将MADYMO仿真结果与试验结果进行了对比验证。

1　安全带模型的建立与验证

1.1　试验方法

试验系统应保证整个试验过程中所提供载荷的准确性，在整个试验过程中应连续记录所施载荷。拉力机采用缠绕式夹具，试件与试验夹具的连接方式应牢固可靠，防止失效。织带在拉力机夹具上的连接方式采用缠绕式，这种方式更接近于安全带的实际使用状态，效果最佳。每进行1次试验都应使用新试件。试验前处理每条安全带织带都应在温度为（20±5）℃、相对湿度为（65±5）%的环境中保存至少24 h，如果处理后不能立即进行试验，试件应存放在密封容器内直至试验开始，试验应在织带从处理环境中或从容器中取出后5 min内测量。把处理后的织带，固定于拉伸机上，夹具间织带的自由长度应为200～240 mm，取有效长度200 mm做标记，使拉伸机的引伸器夹于标记处，保证有效长度200 mm，加载速度约为100 mm/min；加载12 000 N后卸载，输出力与位移的曲线。图1示出安全带拉伸试验图，图2示出MADYMO中搭建的安全带拉伸仿真模型。

图1　安全带拉伸试验图

图2　MADYMO中安全带拉伸仿真模型

1.2　MADYMO模型的搭建与验证

在MADYMO中搭建长200 mm的FE织带模型，下端用固定铰（JOIN.BRAC）固定，上端添加滑移铰（JOIN.TRAN），在上端的JOIN.TRAN上施加一个运动（MOTION.JIOIN.POS），速度为 100 mm/min，保持与实际试验的速度一致。图3示出安全带刚度试验与仿真曲线对比。从图3可以看出，安全带仿真模型和试验拉伸刚度曲线拟合良好，可以应用到整车模型中，在此基础上进行进一步研究。

图3　安全带刚度验证结果

2　座椅模型的建立与验证

2.1　试验方法

试验样件安装按照实车状态在试验机上进行，具有调节机构的座椅骨架的位置按设计要求来调节，其他的调节机构调节到设计标准位置，座椅前后方向调节到设计的中间位置，座椅上下高度调节到设计的标准位置。图4示出座椅静刚度试验图，图5示出MADYMO中搭建的座椅静压仿真模型。

图4　座椅刚度试验图

图5　MADYMO中座椅静压仿真模型

座椅靠背的角度调节到设计标准位置，或者选择50百分位人体模型的躯干基准线偏离铅锤方向尽量接近25°。座椅总成安装完毕后，将臀部模型放在座椅座垫上，臀部模块的放置位置为50百分位HybridⅢ型男性假人正常坐姿臀部在座垫上的位置，使座椅中心面与臀部模型中心面重合；压力试验机应以100 mm/min的速度施加压力载荷，加载行程为80 mm，加载后卸载；输出加载、卸载力与位移曲线。座椅座垫前部刚度试验方法：座椅总成安装完毕后，将臀部模型从后端的位置沿着座椅中心面向前移动150 mm（150 mm为假人臀部碰撞时向前移动距离）；压力试验机应以100 mm/min的速度施加压力载荷，加载行程130 mm，加载后卸载。输出加载、卸载力与位移曲线。

2.2　MADYMO模型的搭建与验证

在MADYMO中搭建座椅模型，首先导入座椅有限元模型用于定位，用JOIN.BRAC将座椅固定，座垫分为上下2个平面，来模拟座垫和座椅骨架。图6示出座椅H点试验与仿真的刚度曲线对比，图7示出座椅H点前移150 mm后，试验与仿真的刚度曲线对比。

图6　座椅H点刚度验证结果

图7　座椅H点前移150 mm刚度验证结果

从图6和图7可以看出，座椅H点仿真模型和试验刚度拟合良好，将臀部模块前移150 mm后，仿真和试验刚度曲线基本拟合，表明此座椅模型可以应用到整车模型中，并在此基础上进行进一步研究。

3　转向管柱压溃模型的建立与验证

3.1　试验方法

将转向管柱总成按近似实车状态装夹到压缩机夹具上，将压力机头部压块平行压到转向管柱轴上，并保证压力机头部与转向管柱轴同心，施加轴向冲击载荷。冲击速度为6 m/s。输出压溃力与位移的关系曲线。图8示出转向管柱的动态压溃试验图，图9示出MADYMO中搭建的转向管柱动态压溃模型。

图8　转向管柱动态压溃试验图

图9　MADYMO中转向管柱动态压溃仿真模型

3.2　MADYMO模型的搭建与验证

在MADYMO中搭建转向管柱模型需定义一个旋转移动铰（JOIN.REVO.TRAN），并将转向管柱试验的曲线作为转向管柱的特性输入，用铰约束（RESTRAIN.JOIN）来定义转向管柱的平移和转动特性，输出转向管柱铰的力及位移曲线。图10示出管柱压溃力的对比结果，图11示出压力机头加速度的对比结果。

图10　管柱压溃力验证结果

图11　压力机头加速度验证结果

压溃特性选取截止到第1个峰值，从图10和图11可以看出，管柱压溃仿真模型和试验压溃特性曲线拟合良好，压力机头的加速度曲线也拟合良好，表明此管柱模型可以应用到整车模型中，并在此基础上进行进一步研究。

4　气囊动态冲击模型的建立与验证

4.1　试验方法

将DAB模块装于转向盘内，转向盘固定在试验夹具上，试验夹具应该具有足够的刚度，以防止试件在试验过程中承受额外的局部压力。冲击器平行压到转向盘上，并保证冲击器与DAB模块轴同心。检查无误后点爆DAB，冲击器冲击速度为6 m/s，冲击条件为DAB刚好完全展开时，冲击器与DAB接触。试验后输出试验数据，包括试验前后照片、试验过程中的高速摄像、冲击器的加速度时间曲线及气囊点爆电压信号。图12示出气囊动态冲击试验图，图13示出MADYMO中搭建的气囊动态冲击仿真模型。