基于MADYMO的輕型客車駕駛員約束系統(tǒng)優(yōu)化

楊情操，朱 曉，呂傳志，張 飛

(南京依維柯汽車有限公司 產(chǎn)品工程部，南京 210028)

基于MADYMO的輕型客車駕駛員約束系統(tǒng)優(yōu)化

楊情操，朱 曉，呂傳志，張 飛

(南京依維柯汽車有限公司 產(chǎn)品工程部，南京 210028)

通過(guò)對(duì)某輕型客車正面碰撞的實(shí)車數(shù)據(jù)分析，結(jié)合汽車碰撞安全模擬軟件MADYMO建立駕駛艙內(nèi)駕駛員及乘員的正面碰撞模型，進(jìn)行分析，明確優(yōu)化方向，對(duì)駕駛員安全氣囊泄氣孔等優(yōu)化，通過(guò)仿真運(yùn)輸優(yōu)化方案效果，最后經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案有效，并對(duì)仿真與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)仿真優(yōu)化改進(jìn)輕型客車正面碰撞安全性的提升方案。

MADYMO；輕型客車；駕駛員；安全氣囊；安全帶

0 引言

隨著汽車數(shù)量的不斷增加，汽車的安全性越來(lái)越引發(fā)廣泛關(guān)注，我國(guó)已于2014年9月發(fā)布《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)(GB11551-2014)》[1]國(guó)標(biāo)，相對(duì)于2003版升級(jí)幅度較大，增加了5項(xiàng)指標(biāo)、加嚴(yán)了兩項(xiàng)指標(biāo)并擴(kuò)大適用范圍。

汽車碰撞安全分析研究的最終目的是要在發(fā)生碰撞事故時(shí)保護(hù)駕駛員及乘員安全，約束系統(tǒng)是汽車碰撞乘員保護(hù)的重要裝置?，F(xiàn)在的乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化通常基于確定性的設(shè)計(jì)條件和載荷參數(shù)條件進(jìn)行，其目的是提高對(duì)乘員的保護(hù)效果，使損傷風(fēng)險(xiǎn)降低到最低水平[2]。

為使得某輕型客車在正面碰撞中駕駛員及乘員傷害值進(jìn)一步降低，從駕駛員及前排乘員約束系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化來(lái)提高車輛的正面安全性能，通過(guò)某輕型客車實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合MADYMO軟件[3-4]建立結(jié)構(gòu)模型，經(jīng)過(guò)分析設(shè)計(jì)，確定優(yōu)化方向，并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真分析，最后通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 約束系統(tǒng)建模

乘員約束系統(tǒng)的建模過(guò)程一般按照如下順序進(jìn)行。

(1) 首先根據(jù)車輛的幾何模型(如CATIA等文件)，劃分簡(jiǎn)單的網(wǎng)格，作為駕駛員空間模型的位置依據(jù)；

(2) 然后在MADYMO軟件環(huán)境中，按照MADYMO的軟件要求創(chuàng)建駕駛員空間，如地板，座椅，方向盤，儀表板和擋風(fēng)玻璃等；

(3) 放置假人，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)前測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)假人進(jìn)行定位；

(4) 對(duì)安全帶系統(tǒng)和安全氣囊的創(chuàng)建，并設(shè)置合適的參數(shù)，如安全帶的延伸率、氣囊的折疊、氣體發(fā)生器參數(shù)的獲取、預(yù)緊器的點(diǎn)火時(shí)間，安全氣囊的氣孔大小，點(diǎn)火時(shí)間等；

(5) 定義假人與乘員空間、約束系統(tǒng)的接觸；

事業(yè)單位績(jī)效預(yù)算是以目標(biāo)為考核導(dǎo)向的預(yù)算，其核心是通過(guò)制定績(jī)效目標(biāo)，建立預(yù)算績(jī)效考評(píng)體系，逐步實(shí)現(xiàn)從注重資金投入到注重支出效果的轉(zhuǎn)變。

(6)加載脈沖(車輛的B 柱加速度曲線)；

(7) 輸出仿真結(jié)果，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。如果差異較大，需要對(duì)模型進(jìn)行修正，調(diào)整參數(shù)，直到與試驗(yàn)結(jié)果吻合，說(shuō)明建模可靠[4]。

1.1 乘員艙模型

將某輕型客車乘員艙的CATIA模型導(dǎo)入到HYPERWORKS進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建模時(shí)，為保證乘員艙各個(gè)部件與假人的相對(duì)位置建立相應(yīng)的幾何參考基礎(chǔ)，乘員艙及駕駛員模型，如圖1所示。依靠網(wǎng)格模型的參考，乘員艙及其假人的空間就能很好的得到保證。

圖1 駕駛員及前排乘員模型

1.2 座椅及安全帶模型

安全帶主要包括卷收器、高度調(diào)節(jié)器、帶扣和下端固定點(diǎn)。某輕型客車的采用了預(yù)緊功能的安全帶，其織帶伸長(zhǎng)率實(shí)測(cè)為13%至14%。由于現(xiàn)設(shè)計(jì)狀態(tài)沒(méi)有限力器，因此在模型中不設(shè)置限力。安全帶的預(yù)緊功能可以用一個(gè)平移鉸在設(shè)定的點(diǎn)火時(shí)間觸發(fā)實(shí)現(xiàn)即可。

座椅在 MADYMO中可以用簡(jiǎn)單的橢球體和平面建模。由于在試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)駕駛員的座椅靠背至少向前旋轉(zhuǎn)了18度，如圖2所示。因此在模型中需要將此運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬出來(lái)。同時(shí)車身駕駛室的變形和儀表板的入侵，方向盤有較大可能已經(jīng)與假人胸部有接觸。因此在模型中也需要將儀表板和方向盤的入侵都模擬出來(lái)。

1.3 駕駛員安全氣囊模型

圖2 座椅的旋轉(zhuǎn)和儀表板入侵

圖3 駕駛員安全氣囊溫度壓力曲線

1.4 加速度曲線

在MADYMO中，可以通過(guò)對(duì)不同的對(duì)象加載相關(guān)的加速度及速度。在正面碰撞模型中，一般通過(guò)加載車身B柱加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。本模型為駕駛員分別加載B柱左側(cè)加速度和B柱右側(cè)加速度的曲線，如圖4所示。

最終得到駕駛員模型如圖5所示。

圖4 某輕型客車試驗(yàn)左右側(cè)B柱加速度曲線

2 駕駛員約束系統(tǒng)仿真分析

對(duì)改進(jìn)前駕駛員約束系統(tǒng)仿真分析，在50km/h正面碰撞試驗(yàn)中的儀表板和方向盤入侵，以及座椅的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在模型中，這一結(jié)果反應(yīng)在假人傷害上，表現(xiàn)為仿真的大腿軸向壓縮力與試驗(yàn)中大腿軸向壓縮力相近，并以此作為模型的可靠性依據(jù)。經(jīng)分析，駕駛員運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果顯示，52 ms時(shí)儀表板和方向盤逐漸入侵，大腿接觸儀表板，如圖6所示。

圖5 駕駛員模型

圖6 駕駛員在52 ms時(shí)的位置圖

經(jīng)仿真分析，駕駛員傷害值，見(jiàn)表1，頭部傷害值需要優(yōu)化處理。

表1 駕駛員仿真?zhèn)χ?/p>

3 駕駛員約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)駕駛員約束系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化，駕駛員安全氣囊的氣體發(fā)生器不變，氣囊取消拉帶，氣囊泄氣孔改為45mm×2，位置不變。系統(tǒng)優(yōu)化前后的對(duì)比，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后駕駛員運(yùn)動(dòng)對(duì)比圖

對(duì)駕駛員約束系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，經(jīng)仿真分析，駕駛員傷害值見(jiàn)表2。因?yàn)榘踩珰饽覍?duì)駕駛員保護(hù)加大，駕駛員頭部HIC36值及加速度等有了明顯下降，胸部傷害值及腿部傷害值也有所降低。

表2 駕駛員仿真優(yōu)化前后傷害值對(duì)比

對(duì)于優(yōu)化后的輕型客車按GB11551-2014《汽車正面碰撞乘員保護(hù)》[1]進(jìn)行50 km/h正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)，獲得此速度下碰撞后駕駛員假人傷害值，見(jiàn)表3。

表3 駕駛員仿真與實(shí)測(cè)傷害值對(duì)比

在駕駛員約束系統(tǒng)優(yōu)化后，整車仿真值與碰撞實(shí)測(cè)值較為接近，最大差值不超過(guò)5%，表明采用MADYMO對(duì)輕型客車駕駛員約束系統(tǒng)優(yōu)化方案可行。

4 結(jié)論

針對(duì)某輕型客車正面碰撞試驗(yàn)中出現(xiàn)的駕駛員頭部傷害值偏大問(wèn)題，結(jié)合MADYMO 軟件建立結(jié)構(gòu)模型，確定優(yōu)化方向。對(duì)駕駛員約束系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)對(duì)駕駛員安全氣囊取消拉帶、修改泄氣孔，在改善了駕駛員頭部傷害值的同時(shí)又沒(méi)造成其他部位傷害指標(biāo)的增高，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，在駕駛員約束系統(tǒng)優(yōu)化后，整車仿真值與碰撞實(shí)測(cè)值較為接近，最大差值不超過(guò)5%，表明采用MADYMO對(duì)輕型客車駕駛員約束系統(tǒng)優(yōu)化方案可行，并整體提高了輕型客車駕駛員在正面碰撞的安全系數(shù)，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB11551-2014汽車正面碰撞的乘員保護(hù)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[2] 朱孟恒,韓忠浩,張紹偉,等．基于MADYMO的正面碰撞駕駛員側(cè)安全性能優(yōu)化分析[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012(10):321-324.

[3] 范成建. MADYMO軟件在乘員約束系統(tǒng)建模及優(yōu)化中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),1999.

[4] 施盧丹,顏先華. 駕駛員安全氣囊有限元模型建立及對(duì)標(biāo)分析[J].公路與汽運(yùn),2015(4): 10-13.

(責(zé)任編輯：孫文彬)

Light Bus Driver Constraint System Optimization Based on MADYMO

YANG Qing-cao, ZHU Xiao, LV Chuan-zhi, ZHANG Fei

(Vehicle Performance of Daily Development of Product Engineering, NAVECO Ltd., Nanjing 210028, China)

Through the real vehicle frontal crash data analysis for a light-duty passenger vehicle, combined with the automobile collision safety simulation software MADYMO, frontal crash model of cockpit pilots and crew were built and analyzed, the driver's airbag frustrated hole was optimized. By simulating optimization result, and finally verifying test proofs that optimization scheme is effective, and the results of simulation and real vehicle experiment are compared, the simulation optimization to improve the light bus frontal impact the safety of lifting scheme is effective.

MADYMO; light bus; driver; airbag; seat belt

2017-02-17

楊情操(1980-)，男，湖北天門人，高級(jí)工程師，主要從事整車碰撞安全開(kāi)發(fā)研究。

U

A

1009-7961(2017)03-0070-04