馮二磊 田晉躍 孟媛媛 金明新 李德云

（1.江蘇大學(xué)；2.江蘇公路學(xué)會；3.丹陽車船裝飾件公司）

城市客車座椅動態(tài)碰撞的仿真與試驗研究

馮二磊1田晉躍1孟媛媛1金明新2李德云3

（1.江蘇大學(xué)；2.江蘇公路學(xué)會；3.丹陽車船裝飾件公司）

使用MADYMO軟件構(gòu)建了某城市客車正面碰撞乘客約束系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真計算分析確認(rèn)所測假人各部分傷害值均滿足法規(guī)要求。對某城市客車塑料座椅進(jìn)行了動態(tài)碰撞試驗，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比分析表明，仿真結(jié)果接近標(biāo)準(zhǔn)要求，從而驗證了本文所建模型的正確性和可行性。

1 汽車碰撞仿真理論基礎(chǔ)

汽車碰撞仿真中最主要的理論基礎(chǔ)是有限元和多剛體動力學(xué)兩部分。有限元法本質(zhì)上是將研究對象的連續(xù)體分割成若干個大小有限的單元體，然后對每個單元體分別插值、求解的一種方法。多剛體動力學(xué)主要研究對象為外力作用下的剛體，涉及位移、受力、速度、加速度等方面的規(guī)律。

汽車碰撞仿真的系統(tǒng)輸入為車體減速度，輸出為定義了傳感器輸出部位的受力大小、位移、加速度等參數(shù)指標(biāo)。為了較準(zhǔn)確地得出仿真和試驗數(shù)據(jù)，且保證計算量合理、提高仿真效率，本文對座椅、安全帶織帶與人體貼合部位采用有限元建模，對安全帶其他部分、乘員等采用多剛體建模[1]。

2 座椅正面碰撞模型建立

2.1 座椅模型

座椅采用有限元模型，其他部分采用多剛體模型，各部件之間通過運(yùn)動鉸進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)部件之間的相對運(yùn)動。連接各部件的運(yùn)動鉸類型根據(jù)其具有的自由度來確定[2]。將在Hypermesh中劃分完畢的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和單元坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)出復(fù)制到MADYMO中后，座椅有限元模型建立完畢。

2.2 假人模型

目前汽車碰撞試驗中比較通用的假人為美國50百分位Hybrid III男性假人，該假人由32個剛體組成，外形和響應(yīng)特性由53個橢圓球附著在不同剛體上表現(xiàn)，可直接調(diào)用。

2.3 安全帶模型

本文建立的是MADYMO中混合兩點(diǎn)式安全帶模型，其中，與假人表面發(fā)生接觸作用的部分采用有限元建模，與假人模型接觸的部分采用多剛體模型，應(yīng)用彈簧-阻尼單元[3]，建好的客車正面碰撞乘客約束系統(tǒng)模型[4]如圖1所示。

2.4 接觸定義

在MADYMO模型中定義的接觸有:剛體與剛體接觸（包括地板與假人鞋，并以平面剛體為接觸主面）、剛體與有限元接觸（包括假人頭部、左右臂、左右膝蓋與前排座椅靠背，假人腰部、髖部、大腿與腰帶、小腿與前排座椅，假人髖部、大腿與后排座椅坐墊，假人頭部、胸部、髖部與后排座椅靠背）。

2.5 加速度場

試驗中采用臺車模型模擬客車的碰撞環(huán)境，在正面碰撞中，由于乘客和約束系統(tǒng)的質(zhì)量與臺車相比非常小，因此乘客運(yùn)動對臺車響應(yīng)的影響可以忽略。在模型計算時，將乘客運(yùn)動從臺車環(huán)境中隔離出來，將臺車環(huán)境視為慣性參考空間而對假人定義兩個速度場，一個是水平方向的加速度場，另一個是作用于人體且方向垂直向下的重力加速度場，水平方向的加速度即為臺車碰撞試驗中測得的臺車減速度反向曲線。正面碰撞加速度場時間歷程曲線如圖2所示，試驗中臺車車速為32 km/h。

3 模型驗證

3.1 兩點(diǎn)式安全帶約束情況

根據(jù)GB13057要求，本文主要使用碰撞過程中座椅應(yīng)力、假人頭部和胸部加速度、大腿軸向力、頭部損傷判斷指標(biāo)HIC、胸部損傷評價指標(biāo)ThAC等傷害評價指標(biāo)。圖3是模型的假人傷害仿真和試驗曲線。

根據(jù)程序運(yùn)行得到模型計算結(jié)果如表1所示，可以看出假人各部分傷害值均未超出GB13057法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，符合法規(guī)要求。

表1 兩點(diǎn)式安全帶約束情況模型計算結(jié)果

仿真中座椅應(yīng)力云圖如圖4所示。由于未對座椅模型頂部做網(wǎng)格劃分，所以出現(xiàn)假人頸部嵌在座椅模型頂部的情況，但假人模型與塑料座椅模型并未出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，對座椅模型的應(yīng)力分析不會產(chǎn)生影響。從圖4中可以看出，塑料座椅受力最大值為26.1MPa,未超過使用材料的屈服極限50MPa。

3.2 無安全帶約束情況

在實(shí)際應(yīng)用情況中，城市客車行駛車速較低，塑料座椅基本都沒有安全帶固定點(diǎn)，也不使用安全帶。因此對無安全帶約束情況的乘客模型進(jìn)行仿真，如圖5所示。

根據(jù)程序運(yùn)行得到模型計算結(jié)果如表2所示，從表2中可以看出，仿真結(jié)果中所測得的假人各部分傷害值均未超出GB13057法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，符合法規(guī)要求。

表2 無安全帶約束情況模型計算結(jié)果

仿真中座椅應(yīng)力云圖如圖6所示。從圖6中可以看出，座椅應(yīng)力最大值為29.9MPa,未超過使用材料的屈服極限50MPa。

在無安全帶約束的情況下，可以得出仿真結(jié)果基本滿足GB13057提出的乘客能被前方座椅和安全帶恰當(dāng)限制住、座椅及其安裝足夠牢固、座椅背面安裝件和附件碰撞時都不應(yīng)對乘客身體構(gòu)成任何傷害的要求。

4 客車座椅動態(tài)試驗

對客車塑料座椅進(jìn)行動態(tài)碰撞試驗，試驗法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)按照GB13057對客車座椅動態(tài)試驗的規(guī)定進(jìn)行[5,6]。

本次試驗對象為國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的針對中國市場的城市客車座椅。試驗采用GB13057中兩排座椅型式，通過查看前排座椅破壞情況和后排座椅假人各部分傷害指標(biāo)來評價座椅的被動安全性能[7]，試驗車速為32 km/h，左側(cè)被測座椅上的假人裝配了規(guī)定的安全帶，右側(cè)座椅上的假人無安全帶約束。

5 仿真與試驗結(jié)果對比

5.1 仿真模型運(yùn)動學(xué)響應(yīng)驗證

本文分別選取0（試驗開始前）、60ms（加速度最大時刻）、100ms（速度最大時刻）和150ms（峰值過后，假人基本進(jìn)入較平穩(wěn)狀態(tài)時）時刻進(jìn)行臺車正面碰撞模型仿真和試驗結(jié)果對比。

5.1.1 兩點(diǎn)式安全帶約束情況運(yùn)動學(xué)響應(yīng)驗證

兩點(diǎn)式安全帶約束情況運(yùn)動學(xué)響應(yīng)對比如圖7所示。

由圖7可以直觀看到，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果姿態(tài)基本一致。

5.1.2 無安全帶約束情況運(yùn)動學(xué)響應(yīng)驗證

無安全帶約束情況運(yùn)動學(xué)響應(yīng)對比如圖8所示。

由圖8可以直觀看到，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果姿態(tài)基本一致。

試驗期間，左側(cè)座椅零件、安裝件和附件未出現(xiàn)完全分離，座椅能被牢牢固定?。辉囼灪?，座椅及其附件未出現(xiàn)可能導(dǎo)致人體受傷害的斷裂、尖角和銳角；試驗期間，右側(cè)座椅靠背塑料撕裂，并出現(xiàn)完全分離，座椅能被牢牢固定住，試驗后，座椅及其附件未出現(xiàn)可能導(dǎo)致人體受傷害的斷裂、尖角和銳角。

座椅動態(tài)試驗主要數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

表3 座椅動態(tài)試驗結(jié)果

5.2 仿真與試驗結(jié)果對比

表4為兩點(diǎn)式安全帶約束情況仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比，表5為無安全帶約束情況仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比。從表4和表5可以看出，仿真結(jié)果更接近標(biāo)準(zhǔn)要求，其關(guān)鍵指標(biāo)計算誤差均在15%之內(nèi)，MADYMO模型基本如實(shí)反映了整個碰撞的物理過程。

表4 兩點(diǎn)式安全帶約束情況仿真結(jié)果與試驗對比

表5 無安全帶約束情況仿真結(jié)果與試驗對比

6 結(jié)束語

a構(gòu)建了城市客車正面碰撞乘客保護(hù)系統(tǒng)模型，對模型進(jìn)行計算可知，乘員損傷指標(biāo)滿足法規(guī)要求。

b依據(jù)我國法規(guī)對國內(nèi)某一城市客車塑料座椅進(jìn)行動態(tài)碰撞模擬試驗，通過仿真分析結(jié)果與動態(tài)試驗結(jié)果對比，驗證了本文仿真結(jié)果的正確性和可行性。

c城市客車正面碰撞保護(hù)系統(tǒng)仿真，能夠很好的預(yù)測碰撞過程中客車座椅的強(qiáng)度性能、乘員運(yùn)動響應(yīng)及其損傷程度，對減少實(shí)車碰撞試驗次數(shù)、加快國內(nèi)客車座椅安全標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)度要求的改進(jìn)具有重要意義。

1孟媛媛.客車座椅及連接件強(qiáng)度分析研究:[學(xué)位論文].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2012.

2付景順.機(jī)動車乘員約束系統(tǒng)的仿真建模分析.機(jī)械設(shè)計與制造,2010，11:113～114.

3張佳洪.基于近似模擬技術(shù)的約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法:[學(xué)位論文].湖南:湖南大學(xué),2009.

4吳云騰.正面碰撞時轎車后排乘員的傷害研究:[學(xué)位論文].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2011.

5馬曉麗.大客車座椅動態(tài)試驗.汽車工程師,2010,6:40～42.

6金明新.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)客車座椅及其車輛固定件的強(qiáng)度.交通標(biāo)準(zhǔn)化,2002.

7 GB 13057-2003.客車座椅及其車輛固定件的強(qiáng)度.

8高敬黨.身材矮小乘員在正面碰撞過程中傷害的研究:[學(xué)位論文].長春:吉林大學(xué)，2007.

9金明新，王軍華.客車座椅及其車輛固定件的安全性能要求.客車技術(shù)與研究,2001,23（5）:56～58.

10 MADYMO Version6.2.2.Theory Manual.TNO Road-vehicles Research Institute，2005.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2013年12月1日。

Simulation and Experimental Study of Dynam ic Collision of City Bus Seat

Feng Erlei1,Tian Jinyue1,Meng Yuanyuan1,Jin Mingxin2,LiDeyun3
（1.Jiangsu University;2.Jiangsu Highway and Transportation Society;3.Danyang Transport Decoration Co.,Ltd）

Simulation model of passenger restraint-system of a city bus under front impact is constructed with MADYMO,the simulation analysis confirms that all the injury valuesmeasured at different parts of the dummy meet the regulatory requirements.Dynamic collision test ismade to the plastic seat of a city bus,and the results are compared with simulation results,which show that the simulation results conform to standard requirement,thus proving correctness and feasibility of themodel constructed in this paper.

City bus,Seat,MADYMO simulation,Dynam ic collision,Test

城市客車座椅MADYMO仿真動態(tài)碰撞試驗

U461.91

A

1000-3703（2014）09-0053-05