馬燕

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)進(jìn)入了經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的階段，人民的生活水平得到了極大提高。而汽車也作為一種普通商品，走入了千家萬(wàn)戶，給人們的生活帶來(lái)了諸多方便。但快速增加的車輛，也導(dǎo)致交通事故數(shù)量的急劇上升，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了極大的損失[1、2]。

2 國(guó)內(nèi)外汽車安全性研究現(xiàn)狀

汽車安全性研究主要分為主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性兩個(gè)大方向。主動(dòng)安全性是指汽車避免發(fā)生意外事故的能力，主要是在行駛過(guò)程中，車輛處于緊急轉(zhuǎn)彎等危險(xiǎn)工況時(shí)，避免車輛失去穩(wěn)定，避免發(fā)生碰撞事故的發(fā)生。被動(dòng)安全性是指汽車在發(fā)生碰撞事故時(shí)，有效約束車內(nèi)乘員使其避免受傷或傷害程度降到最低，以及對(duì)車外行人進(jìn)行有效保護(hù)的能力。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)被動(dòng)安全性研究主要是車身結(jié)構(gòu)抗撞性、碰撞生物力學(xué)和乘員安全約束系統(tǒng)三方面[3]。

3 MADYMO建模

MADYMO正碰模型由車體模型、乘員和約束系統(tǒng)等構(gòu)成。

3.1 車體模型

以某車型的駕駛艙數(shù)據(jù)為例，建立車體模型。

車體模型的原點(diǎn)設(shè)置在整車模型的原點(diǎn)，其他部件可根據(jù)此原點(diǎn)精確定位。也可運(yùn)用車體的FE模型進(jìn)行MADYMO的建模。采用運(yùn)動(dòng)鉸對(duì)車體的多剛體部件進(jìn)行連接，這些運(yùn)動(dòng)鉸應(yīng)該定義在車體可能發(fā)生變形的部位。這些運(yùn)動(dòng)鉸類型的定義，可根據(jù)部件之間可能發(fā)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)判斷。座椅模型的接觸特性直接影響假人髖部的運(yùn)動(dòng)，一般根據(jù)零部件試驗(yàn)獲得座墊，座盆的剛度、摩擦系數(shù)等參數(shù)。

3.2 假人模型及定位

MADYMO提供了豐富的假人模型庫(kù)，可方便地通過(guò)INCLUDE語(yǔ)句直接調(diào)用和替換。假人的定位精確度直接決定了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。假人的定位通常采用兩種方法：第一種是直接輸入試驗(yàn)前物理假人的定位參數(shù)測(cè)量值；第二種是在預(yù)模擬中，對(duì)假人施加重力場(chǎng)的作用，使假人與座椅等部件相互作用下達(dá)到靜力平衡狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將兩種方法組合使用[4]。

3.3 安全帶模型

在MADYMO中，有三種建立安全帶的方法。第一種是傳統(tǒng)的多剛體安全帶，這種安全帶模型計(jì)算量小，但是織帶沿著垂直方向及沿織帶方向在假人身上的滑動(dòng)無(wú)法通過(guò)這種模型進(jìn)行模擬。第二種是有限元安全帶，它可以較精確地模擬織帶在假人身上兩個(gè)方向的滑移，缺點(diǎn)是無(wú)法模擬在D環(huán)和帶扣的處的材料流動(dòng)、摩擦作用。第三種是混合安全帶模型，是多剛體安全帶模型與有限元安全帶模型的混合，可精確模擬安全帶在假人模型表面不同方向的滑移。并且織帶陷入假人身體表面的嵌入效應(yīng)，也可以使用正交各向異性摩擦系數(shù)來(lái)模擬[5]。本文模型采用混合安全帶模型。

根據(jù)卷收器、D環(huán)、高調(diào)器、帶扣、錨點(diǎn)等定位參數(shù)確定安全帶的連接關(guān)系。圖1為安全帶模型示意圖，圖中實(shí)線表示傳統(tǒng)多剛體安全帶，虛線為有限元安全帶。

3.4 接觸定義

在正碰模型中，主要的接觸有：假人髖部與座椅坐墊、假人靠背與座椅靠背、假人鞋與地板、假人膝蓋與儀表板、假人與安全氣囊等。如果使用的是有限元安全帶，則要定義安全帶與假人之間的接觸。

圖1 安全帶模型示意圖

3.5 加速度場(chǎng)

將碰撞試驗(yàn)中測(cè)得的加速度信號(hào)和重力場(chǎng)加在MADYMO模型中，完整模型如圖2所示。

圖2 正面碰撞模型

4 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

選取對(duì)乘員約束系統(tǒng)影響較大的因素，如安全帶織帶延伸率、卷收器鎖止時(shí)間、方向盤面板剛度，每個(gè)因素考慮3個(gè)水平，選取因素及其對(duì)應(yīng)的水平如表1。對(duì)于方向盤面板剛度的3個(gè)水平曲線如圖3所示。將這些因素及水平相互交織，取9種優(yōu)化方案，如表2所示。

5 結(jié)果與分析

乘員的傷害形式主要是頭部和胸部，表3為運(yùn)用MADYMO軟件進(jìn)行模擬計(jì)算的乘員傷害指標(biāo)結(jié)果。由表3可知，方案1、5、9的頭部傷害值小于1000，滿足法規(guī)要求，其余方案的頭部傷害值均超過(guò)1000，其中方案3、4和8的頭部傷害指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出法規(guī)的要求。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，卷收器鎖止時(shí)間對(duì)乘員的傷害指標(biāo)影響最大，隨著卷收器鎖止時(shí)間的增大，乘員傷害值不斷增大。對(duì)比卷收器鎖止時(shí)間同為20ms的方案1、5、9發(fā)現(xiàn)，方案5（安全帶延伸率為12%，方向盤面板剛度B2）的乘員傷害值最小，其次是方案9（安全帶延伸率為15%，方向盤面板剛度B3），而方案1（安全帶延伸率為7.5%，方向盤面板剛度B1）的傷害值最大。由此可知，安全帶的延伸率太小時(shí)，即使方向盤面板剛度較軟，也得不到很小的乘員傷害值。而安全帶延伸率適中時(shí)，取較大的方向盤面板剛度，也可獲得較小的乘員傷害值。

表1 選取因素及其對(duì)應(yīng)的水平

表2 方案設(shè)定

表3 乘員傷害值

由圖4可看出，方案4和8的胸部位移大于75mm，超出了法規(guī)要求的指標(biāo)，其余方案均可滿足法規(guī)要求，其中方案5與9的胸部位移量最小。由圖5可看出，方案1的頭部加速度峰值最小，方案5和9次之，而方案4和8的頭部加速度峰值最大。圖6中，方案4和8在碰撞的后期，髖部加速度出現(xiàn)了一個(gè)尖銳的峰值，其余方案的髖部加速度趨勢(shì)相近。

圖4 胸部位移

圖5 頭部加速度

6 結(jié)語(yǔ)

本文建立了一個(gè)MADYMO正碰模型，介紹了建模的一般流程。將不同的乘員約束系統(tǒng)方案帶入模型中計(jì)算，分析比較結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）卷收器鎖止時(shí)間對(duì)乘員的傷害指標(biāo)影響最大，隨著卷收器鎖止時(shí)間的增大，乘員傷害值不斷增大。

圖6 髖部加速度

（2）安全帶的延伸率過(guò)小時(shí)，即使方向盤面板剛度較軟，也得不到很小的乘員傷害值。而安全帶延伸率適中時(shí)，取較大的方向盤面板剛度，也可獲得較小的乘員傷害值。

（3）本文中車體，取方案5即安全帶延伸率12%，方向盤面板剛度B2，卷收器鎖止時(shí)間為20ms時(shí)，乘員傷害值最小。