閆曉芳 高鵬飛 付榮榮

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司天津技術(shù)開(kāi)發(fā)分公司）

汽車(chē)乘員約束系統(tǒng)是汽車(chē)被動(dòng)安全領(lǐng)域內(nèi)的主要研究?jī)?nèi)容之一，乘員約束系統(tǒng)主要由安全帶、安全氣囊、儀表板、座椅及轉(zhuǎn)向系等子系統(tǒng)組成。近年來(lái)，許多研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，單純優(yōu)化安全帶或安全氣囊系統(tǒng)的特性只能在一定程度上提高乘員約束系統(tǒng)的性能，而如果從系統(tǒng)概念出發(fā)，協(xié)調(diào)安全帶、安全氣囊及座椅的機(jī)械特性則可以大大提高乘員約束系統(tǒng)的性能。國(guó)外也在積極地研究智能型約束系統(tǒng)，可以自動(dòng)識(shí)別乘客體型，更好地保護(hù)婦女兒童[1]。我國(guó)汽車(chē)被動(dòng)安全研究經(jīng)過(guò)了數(shù)年的發(fā)展歷程，已經(jīng)有了一個(gè)良好的開(kāi)端。文章在一系列零部件試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將MADYMO仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

1　安全帶模型的建立與驗(yàn)證

1.1　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)保證整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中所提供載荷的準(zhǔn)確性，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)連續(xù)記錄所施載荷。拉力機(jī)采用纏繞式夾具，試件與試驗(yàn)夾具的連接方式應(yīng)牢固可靠，防止失效?？棊г诶C(jī)夾具上的連接方式采用纏繞式，這種方式更接近于安全帶的實(shí)際使用狀態(tài)，效果最佳。每進(jìn)行1次試驗(yàn)都應(yīng)使用新試件。試驗(yàn)前處理每條安全帶織帶都應(yīng)在溫度為（20±5）℃、相對(duì)濕度為（65±5）%的環(huán)境中保存至少24 h，如果處理后不能立即進(jìn)行試驗(yàn)，試件應(yīng)存放在密封容器內(nèi)直至試驗(yàn)開(kāi)始，試驗(yàn)應(yīng)在織帶從處理環(huán)境中或從容器中取出后5 min內(nèi)測(cè)量。把處理后的織帶，固定于拉伸機(jī)上，夾具間織帶的自由長(zhǎng)度應(yīng)為200～240 mm，取有效長(zhǎng)度200 mm做標(biāo)記，使拉伸機(jī)的引伸器夾于標(biāo)記處，保證有效長(zhǎng)度200 mm，加載速度約為100 mm/min；加載12 000 N后卸載，輸出力與位移的曲線。圖1示出安全帶拉伸試驗(yàn)圖，圖2示出MADYMO中搭建的安全帶拉伸仿真模型。

圖1　安全帶拉伸試驗(yàn)圖

圖2　MADYMO中安全帶拉伸仿真模型

1.2　MADYMO模型的搭建與驗(yàn)證

在MADYMO中搭建長(zhǎng)200 mm的FE織帶模型，下端用固定鉸（JOIN.BRAC）固定，上端添加滑移鉸（JOIN.TRAN），在上端的JOIN.TRAN上施加一個(gè)運(yùn)動(dòng)（MOTION.JIOIN.POS），速度為 100 mm/min，保持與實(shí)際試驗(yàn)的速度一致。圖3示出安全帶剛度試驗(yàn)與仿真曲線對(duì)比。從圖3可以看出，安全帶仿真模型和試驗(yàn)拉伸剛度曲線擬合良好，可以應(yīng)用到整車(chē)模型中，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖3　安全帶剛度驗(yàn)證結(jié)果

2　座椅模型的建立與驗(yàn)證

2.1　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)樣件安裝按照實(shí)車(chē)狀態(tài)在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，具有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的座椅骨架的位置按設(shè)計(jì)要求來(lái)調(diào)節(jié)，其他的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)位置，座椅前后方向調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)的中間位置，座椅上下高度調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)位置。圖4示出座椅靜剛度試驗(yàn)圖，圖5示出MADYMO中搭建的座椅靜壓仿真模型。

圖4　座椅剛度試驗(yàn)圖

圖5　MADYMO中座椅靜壓仿真模型

座椅靠背的角度調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)位置，或者選擇50百分位人體模型的軀干基準(zhǔn)線偏離鉛錘方向盡量接近25°。座椅總成安裝完畢后，將臀部模型放在座椅座墊上，臀部模塊的放置位置為50百分位HybridⅢ型男性假人正常坐姿臀部在座墊上的位置，使座椅中心面與臀部模型中心面重合；壓力試驗(yàn)機(jī)應(yīng)以100 mm/min的速度施加壓力載荷，加載行程為80 mm，加載后卸載；輸出加載、卸載力與位移曲線。座椅座墊前部剛度試驗(yàn)方法：座椅總成安裝完畢后，將臀部模型從后端的位置沿著座椅中心面向前移動(dòng)150 mm（150 mm為假人臀部碰撞時(shí)向前移動(dòng)距離）；壓力試驗(yàn)機(jī)應(yīng)以100 mm/min的速度施加壓力載荷，加載行程130 mm，加載后卸載。輸出加載、卸載力與位移曲線。

2.2　MADYMO模型的搭建與驗(yàn)證

在MADYMO中搭建座椅模型，首先導(dǎo)入座椅有限元模型用于定位，用JOIN.BRAC將座椅固定，座墊分為上下2個(gè)平面，來(lái)模擬座墊和座椅骨架。圖6示出座椅H點(diǎn)試驗(yàn)與仿真的剛度曲線對(duì)比，圖7示出座椅H點(diǎn)前移150 mm后，試驗(yàn)與仿真的剛度曲線對(duì)比。

圖6　座椅H點(diǎn)剛度驗(yàn)證結(jié)果

圖7　座椅H點(diǎn)前移150 mm剛度驗(yàn)證結(jié)果

從圖6和圖7可以看出，座椅H點(diǎn)仿真模型和試驗(yàn)剛度擬合良好，將臀部模塊前移150 mm后，仿真和試驗(yàn)剛度曲線基本擬合，表明此座椅模型可以應(yīng)用到整車(chē)模型中，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3　轉(zhuǎn)向管柱壓潰模型的建立與驗(yàn)證

3.1　試驗(yàn)方法

將轉(zhuǎn)向管柱總成按近似實(shí)車(chē)狀態(tài)裝夾到壓縮機(jī)夾具上，將壓力機(jī)頭部壓塊平行壓到轉(zhuǎn)向管柱軸上，并保證壓力機(jī)頭部與轉(zhuǎn)向管柱軸同心，施加軸向沖擊載荷。沖擊速度為6 m/s。輸出壓潰力與位移的關(guān)系曲線。圖8示出轉(zhuǎn)向管柱的動(dòng)態(tài)壓潰試驗(yàn)圖，圖9示出MADYMO中搭建的轉(zhuǎn)向管柱動(dòng)態(tài)壓潰模型。

圖8　轉(zhuǎn)向管柱動(dòng)態(tài)壓潰試驗(yàn)圖

圖9　MADYMO中轉(zhuǎn)向管柱動(dòng)態(tài)壓潰仿真模型

3.2　MADYMO模型的搭建與驗(yàn)證

在MADYMO中搭建轉(zhuǎn)向管柱模型需定義一個(gè)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)鉸（JOIN.REVO.TRAN），并將轉(zhuǎn)向管柱試驗(yàn)的曲線作為轉(zhuǎn)向管柱的特性輸入，用鉸約束（RESTRAIN.JOIN）來(lái)定義轉(zhuǎn)向管柱的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)特性，輸出轉(zhuǎn)向管柱鉸的力及位移曲線。圖10示出管柱壓潰力的對(duì)比結(jié)果，圖11示出壓力機(jī)頭加速度的對(duì)比結(jié)果。

圖10　管柱壓潰力驗(yàn)證結(jié)果

圖11　壓力機(jī)頭加速度驗(yàn)證結(jié)果

壓潰特性選取截止到第1個(gè)峰值，從圖10和圖11可以看出，管柱壓潰仿真模型和試驗(yàn)壓潰特性曲線擬合良好，壓力機(jī)頭的加速度曲線也擬合良好，表明此管柱模型可以應(yīng)用到整車(chē)模型中，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4　氣囊動(dòng)態(tài)沖擊模型的建立與驗(yàn)證

4.1　試驗(yàn)方法

將DAB模塊裝于轉(zhuǎn)向盤(pán)內(nèi)，轉(zhuǎn)向盤(pán)固定在試驗(yàn)夾具上，試驗(yàn)夾具應(yīng)該具有足夠的剛度，以防止試件在試驗(yàn)過(guò)程中承受額外的局部壓力。沖擊器平行壓到轉(zhuǎn)向盤(pán)上，并保證沖擊器與DAB模塊軸同心。檢查無(wú)誤后點(diǎn)爆DAB，沖擊器沖擊速度為6 m/s，沖擊條件為DAB剛好完全展開(kāi)時(shí)，沖擊器與DAB接觸。試驗(yàn)后輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括試驗(yàn)前后照片、試驗(yàn)過(guò)程中的高速攝像、沖擊器的加速度時(shí)間曲線及氣囊點(diǎn)爆電壓信號(hào)。圖12示出氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)圖，圖13示出MADYMO中搭建的氣囊動(dòng)態(tài)沖擊仿真模型。

圖12　氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)圖

圖13　MADYMO中氣囊動(dòng)態(tài)沖擊仿真模型

4.2　MADYMO模型的搭建與驗(yàn)證

在MADYMO中搭建轉(zhuǎn)向盤(pán)模型，需用JOIN.BRAC固定，并用縮放的方法建立安全氣囊模型，0時(shí)刻點(diǎn)爆，建立沖擊器模型，將沖擊器添加JOIN.TRAN，在上端的鉸上添加初始速度，速度大小保持與實(shí)際試驗(yàn)的速度一致。圖14示出沖擊器加速度的對(duì)比結(jié)果。

圖14　沖擊器加速度驗(yàn)證結(jié)果

從圖14可以看出，沖擊器加速度仿真和試驗(yàn)曲線擬合良好，表明此安全氣囊模型可以應(yīng)用到整車(chē)模型中，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究。

5　結(jié)論

文章結(jié)合約束系統(tǒng)相關(guān)的零部件試驗(yàn)，建立了相應(yīng)約束系統(tǒng)的零部件模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。仿真與試驗(yàn)曲線擬合度滿足要求，根據(jù)各子系統(tǒng)仿真模型可以進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化分析工作，進(jìn)而搭建整車(chē)約束系統(tǒng)模型進(jìn)行標(biāo)定分析，完成約束系統(tǒng)匹配工作。