基于模塊化的約束系統(tǒng)高精度建模方法研究

胡遠(yuǎn)志，潘 華，凡沙沙，劉 西，羅覃月，黃 杰

(1.重慶理工大學(xué)， 重慶 400054； 2.上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西 柳州 545007)

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基于模塊化的約束系統(tǒng)高精度建模方法研究

胡遠(yuǎn)志1，潘 華1，凡沙沙2，劉 西1，羅覃月2，黃 杰1

(1.重慶理工大學(xué)， 重慶 400054； 2.上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西 柳州 545007)

為了提高汽車有限元乘員約束系統(tǒng)的建模效率、仿真精度及模型可替換性，提出了一種基于模塊化的約束系統(tǒng)建模方法?；诎踩珰饽?、方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、座椅、儀表板等零部件沖擊試驗(yàn)，建立了某車的有限元約束系統(tǒng)子模塊的INCLUDE文件。通過(guò)直接調(diào)用這些子模塊INCLUDE文件，建立簡(jiǎn)化的約束系統(tǒng)模型。對(duì)比計(jì)算機(jī)仿真輸出與正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)獲得的假人傷害數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：通過(guò)驗(yàn)證的模塊化子模型組建簡(jiǎn)化的約束系統(tǒng)模型可以獲得高精度的仿真結(jié)果。從而驗(yàn)證了該方法的可行性。

模塊化；INCLUDE文件；正面碰撞；約束系統(tǒng)；建模方法

約束系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要是利用MADYMO軟件，采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法，具有建模效率高、計(jì)算時(shí)間短的特點(diǎn)，但是該方法不能直觀地模擬碰撞過(guò)程中車內(nèi)乘員與車體結(jié)構(gòu)特征的詳細(xì)響應(yīng)特性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和非線性有限元理論研究的成熟，有限元法已經(jīng)逐漸應(yīng)用到汽車乘員約束系統(tǒng)仿真分析中，有著取代多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的趨勢(shì)。唐亮、周青等[1]利用有限元法對(duì)乘員下潛傾向的準(zhǔn)則進(jìn)行了研究，提出了LBOP(腰帶在骨盆上的相對(duì)位置)和IMFR(髂骨所受力矩與力的比值)兩個(gè)準(zhǔn)則；艾軍[2]利用有限元法建立了副駕駛員側(cè)的約束系統(tǒng)有限元模型，并利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)其進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化；王志濤等[3]利用有限元法對(duì)某車在正面碰撞中的乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：應(yīng)用有限元法進(jìn)行約束系統(tǒng)仿真分析能夠比較真實(shí)地反映出碰撞試驗(yàn)的結(jié)果，具有廣泛的推廣價(jià)值和工程意義。

本文引入模塊化的思想，基于汽車乘員約束系統(tǒng)的零部件試驗(yàn)和整車正面碰撞試驗(yàn)，建立有限元約束系統(tǒng)各子模塊的INCLUDE文件，以此組建簡(jiǎn)化的高精度約束系統(tǒng)仿真模型，解決有限元約束系統(tǒng)仿真模型的高精度與計(jì)算效率相矛盾以及約束系統(tǒng)子模型可替換性的問(wèn)題。

1 有限元約束系統(tǒng)子模型的建立與驗(yàn)證

汽車乘員約束系統(tǒng)主要包括儀表板、安全氣囊、轉(zhuǎn)向管柱、座椅、安全帶以及風(fēng)擋玻璃等[4]，其幾何特性和性能特性是有限元約束系統(tǒng)仿真分析所關(guān)注的焦點(diǎn)。

1.1 儀表內(nèi)飾子模型的建立與驗(yàn)證

在汽車碰撞過(guò)程中，膝蓋和小腿會(huì)與儀表內(nèi)飾發(fā)生接觸，所以汽車所裝配的儀表內(nèi)飾應(yīng)當(dāng)具有合適的硬度和柔軟性，以便吸收碰撞過(guò)程中的沖擊能量，降低車內(nèi)乘員腿部的傷害。

為了提高有限元仿真過(guò)程中乘員腿部傷害仿真的精度，基于碰撞過(guò)程中車內(nèi)乘員腿部的響應(yīng)情況，在儀表內(nèi)飾駕駛員側(cè)和乘員側(cè)選取了一些典型的參考點(diǎn)進(jìn)行了儀表板動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，即以一定的速度垂直沖擊護(hù)膝板，繪制出相應(yīng)的載荷與位移的關(guān)系曲線，以便對(duì)儀表板有限元子模型進(jìn)行驗(yàn)證。保留儀表板內(nèi)飾中的主要受力件以簡(jiǎn)化儀表板子模型，并將沖擊點(diǎn)附近加強(qiáng)筋等細(xì)化，建立儀表板動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)的仿真模型，如圖1所示。單獨(dú)建立沖擊塊與儀表板的接觸控制卡片，將soft設(shè)定為1，在0.1～0.35范圍內(nèi)調(diào)節(jié)摩擦因數(shù)FS、FD，使得仿真結(jié)果與試驗(yàn)中儀表內(nèi)飾響應(yīng)加速度曲線的一致性較好，如圖2所示。以上結(jié)果說(shuō)明：簡(jiǎn)化的儀表板模型是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的獨(dú)立模塊(子模型)，可以保存為一個(gè)有限元軟件LS-DYNA的INCLUDE文件用于后續(xù)的乘員安全仿真。

圖1 儀表板動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)與仿真模型

圖2 儀表內(nèi)飾響應(yīng)加速度曲線

1.2 安全氣囊子模型的建立與驗(yàn)證

安全氣囊主要由氣袋、氣體發(fā)生器等組成[4]。目前，均壓法因計(jì)算效率高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定而在工程上得到應(yīng)用[5]。然而顆粒法可以準(zhǔn)確模擬氣囊展開(kāi)階段氣流的高速運(yùn)動(dòng)，可保證其與方向盤、擋風(fēng)玻璃等的接觸響應(yīng)過(guò)程與整車試驗(yàn)一致，故本文采用顆粒法模擬。根據(jù)所給圖紙畫(huà)好氣囊?guī)缀瓮庑螆D并進(jìn)行網(wǎng)格離散，在Primer軟件中將氣囊有限元模型折疊好。在關(guān)鍵字*AIRBAG_PARTICLE中設(shè)置氣體發(fā)生器的性能參數(shù)以模擬安全氣囊的充氣特性。氣袋織布采用LS-DYNA中的*MAT_34材料模擬。為了保證仿真精度，需要在氣袋材料卡片中定義氣孔的泄氣系數(shù)X2和織布的泄氣率曲線FAC，并設(shè)定氣囊自接觸的接觸厚度SST至少為10倍的織布厚度，同時(shí)對(duì)安全氣囊子模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊特性的驗(yàn)證(見(jiàn)圖3)。通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔泄氣系數(shù)和織布泄氣率函數(shù)曲線，使仿真與試驗(yàn)中的安全氣囊特性相符。將氣囊模型保存為一個(gè)有限元軟件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后續(xù)的乘員安全仿真。

圖3 安全氣囊動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證

1.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)子模型的建立與驗(yàn)證

由于在正面碰撞過(guò)程中駕駛員的胸部可能會(huì)接觸到方向盤，為了增加駕駛員的生存空間，轎車幾乎都配置了壓潰式轉(zhuǎn)向管柱。對(duì)于乘員約束系統(tǒng)仿真分析，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的有限元模型只需簡(jiǎn)化為方向盤和轉(zhuǎn)向管柱即可，轉(zhuǎn)向管柱簡(jiǎn)化為內(nèi)外套筒，其壓潰特性用滑移柱鉸和具有實(shí)際轉(zhuǎn)向管柱的壓潰力-位移關(guān)系一致的曲線來(lái)模擬[6]。由于駕駛員側(cè)的接觸關(guān)系比較復(fù)雜，為了提高仿真精度，需進(jìn)行方向盤的靜態(tài)加載試驗(yàn)(分別在方向盤的6點(diǎn)鐘方向和12點(diǎn)鐘方向施加載荷，繪制出力-位移關(guān)系曲線，見(jiàn)圖4和圖5)和轉(zhuǎn)向管柱的靜態(tài)加載試驗(yàn)(將轉(zhuǎn)向管柱固定，在轉(zhuǎn)向管柱上端軸向施加載荷，繪制出壓潰力-位移關(guān)系曲線，見(jiàn)圖6、7)、動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)(參考GB11557—2011進(jìn)行試驗(yàn)[7]，見(jiàn)圖8)，以便驗(yàn)證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)子模型的有效性。通過(guò)先6點(diǎn)鐘方向再12點(diǎn)鐘方向?qū)?biāo)、靜態(tài)壓潰試驗(yàn)曲線作為非線性彈簧的剛度曲線以及將靜態(tài)壓潰曲線按一定的系數(shù)縮放等，分別使得仿真與試驗(yàn)中的方向盤靜態(tài)剛度特性、轉(zhuǎn)向管柱靜態(tài)壓潰特性與動(dòng)態(tài)壓潰特性一致性較好(見(jiàn)圖5、圖7、圖9)。將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型保存為一個(gè)有限元軟件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后續(xù)的乘員安全仿真。

圖4 方向盤靜態(tài)加載試驗(yàn)與仿真模型

1.4 座椅子模型的建立與驗(yàn)證

汽車座椅是汽車的重要組成部分，其性能的好壞直接影響著車內(nèi)乘員的安全。座椅一般由金屬骨架和泡沫組成。在正面碰撞過(guò)程中，座椅會(huì)存在下潛和前翻的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)車內(nèi)乘員的傷害有較大的影響。而泡沫具有典型的非線性力學(xué)特性，目前還沒(méi)有一種準(zhǔn)確的本構(gòu)模型來(lái)較好地模擬其力學(xué)響應(yīng),故在一般情況下僅對(duì)座椅表面賦予一定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系來(lái)近似模擬[6]?；诖?，座椅有限元子模型采用殼單元和實(shí)體單元分別模擬座椅骨架和坐墊泡沫，為了更加真實(shí)地模擬乘員與座椅的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，利用強(qiáng)制位移法進(jìn)行坐墊壓縮，同時(shí)為了提高計(jì)算效率，只保留靠背骨架、坐墊泡沫和防下潛裝置等主要傳力件。

圖5 方向盤靜態(tài)剛度對(duì)比

圖6 轉(zhuǎn)向管柱靜態(tài)壓潰試驗(yàn)與仿真模型

圖7 轉(zhuǎn)向管柱靜態(tài)壓潰特性對(duì)比

圖8 轉(zhuǎn)向管柱動(dòng)態(tài)擊試驗(yàn)與仿真模型

圖9 轉(zhuǎn)向管柱動(dòng)態(tài)壓潰特性對(duì)比

為了提高乘員與座椅運(yùn)動(dòng)關(guān)系的仿真精度，對(duì)座椅整體進(jìn)行了動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)(分別在坐墊的前、中、后位置以一定的速度垂直加載載荷到5 kN和10 kN，見(jiàn)圖10)，以驗(yàn)證座椅子模型的有效性。通過(guò)調(diào)節(jié)泡沫材料中的KOCN、DAMP等關(guān)鍵字，使得仿真和試驗(yàn)中的座椅整體剛度特性一致性較好(見(jiàn)圖11)。將座椅模型保存為一個(gè)有限元軟件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后續(xù)的乘員安全仿真。

圖10 座椅動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)與仿真模型

1.5 安全帶子模型的建立

安全帶采用1D單元與2D單元混合建模(見(jiàn)圖12)，其中與假人接觸的部分采用2D單元，在腰帶下固定點(diǎn)處建立彈簧單元以模擬安全帶松弛量和下固定點(diǎn)剛度特性。1D單元和2D單元材料分別用*MAT_SEATBELT，*MAT_ELASTIC關(guān)鍵字模擬。用*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTOR、*ELEMENT_ SEATBELT_ PRETENSIONER單元來(lái)分別模擬卷收器的卷收功能和預(yù)緊功能；用時(shí)間觸發(fā)傳感器來(lái)控制卷收器的限力和預(yù)緊器的預(yù)緊作用時(shí)刻，最終將安全帶模型保存為一個(gè)有限元軟件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后續(xù)的乘員安全仿真。

1.6 有限元假人模型

根據(jù)C-NCAP的規(guī)定，同時(shí)為了提高仿真精度，將50百分位的有限元商用假人模型按照該車試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)假人狀態(tài)調(diào)整好姿態(tài)(見(jiàn)圖13)，利用Hypermesh保存為一個(gè)有限元軟件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后續(xù)的乘員安全仿真。

圖11 座椅動(dòng)態(tài)剛度對(duì)比

圖12 安全帶子模型

圖13 有限元商用假人模型

2 乘員保護(hù)建模與驗(yàn)證

在有限元軟件中，利用*INCLUDE關(guān)鍵字分別調(diào)用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的儀表內(nèi)飾、安全氣囊、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、座椅、安全帶、車地板與風(fēng)擋玻璃、有限元商用假人等子模型，為了提高計(jì)算效率，采用分區(qū)域剛度法來(lái)保證護(hù)膝板同等剛度的前提下，進(jìn)一步簡(jiǎn)化儀表板(見(jiàn)圖14)，座椅骨架與滑軌直接用Rigid單元連接起來(lái)(見(jiàn)圖14)。賦予假人試驗(yàn)所測(cè)得的B柱下端X向加速度脈沖及重力場(chǎng)，設(shè)置好假人與安全氣囊、座椅、儀表板、安全帶，安全氣囊和風(fēng)擋玻璃等的接觸特性，得到簡(jiǎn)化的乘員保護(hù)的滑車模型(駕駛員側(cè)與乘員側(cè)分別見(jiàn)圖14(a)(b))。

圖14 有限元約束系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

為了獲得更高精度的有限元約束系統(tǒng)仿真模型，需要對(duì)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的子模塊組成的有限元乘員保護(hù)滑車模型進(jìn)行微調(diào)。按照正面碰撞過(guò)程中乘員與內(nèi)飾的接觸順序?yàn)橛上轮筋^部，故有限元約束系統(tǒng)模型的驗(yàn)證順序遵循“由下至上”的原則[8]，但實(shí)際驗(yàn)證順序?yàn)橄染硎掌鞒隹诹?、腰帶力、肩帶力、髖部加速度，接著驗(yàn)證大腿力、胸部加速度與壓縮量、頸部力、頭部加速度。因?yàn)楸ＷC了安全帶力和髖部加速度就能夠保證假人胸部和頭部響應(yīng)的正確性[8]。經(jīng)過(guò)不斷調(diào)節(jié)假人與內(nèi)飾的接觸特性和摩擦因數(shù)，有限元仿真輸出的假人傷害數(shù)據(jù)和試驗(yàn)測(cè)得的有著良好的吻合度(見(jiàn)圖15、圖16)。

圖15 駕駛員側(cè)假人損傷對(duì)比

圖16 乘員側(cè)假人損傷對(duì)比

根據(jù)以上假人關(guān)鍵部位的傷害對(duì)比可以知道:駕駛員側(cè)和乘員側(cè)的卷收器出口力在加載階段與試驗(yàn)基本完全吻合。在卸載階段與試驗(yàn)有一定的偏差，這是因?yàn)椴扇×司€性卸載來(lái)簡(jiǎn)化卷收器的卸載特性，從而導(dǎo)致了安全帶肩帶力在卸載階段與試驗(yàn)有較大的差異。駕駛員側(cè)和乘員側(cè)的安全帶腰帶力、骨盆X向加速度均與試驗(yàn)吻合度很好，骨盆Z向加速度較試驗(yàn)提前，原因是為了避免座椅泡沫在計(jì)算過(guò)程中不穩(wěn)定，將每個(gè)泡沫實(shí)體單元都進(jìn)行了包殼處理，泡沫整體剛度偏大。但是二者的骨盆合成加速度、大腿力與試驗(yàn)吻合度良好，因此假人的基本運(yùn)動(dòng)姿態(tài)受到的影響很小。駕駛員側(cè)與乘員側(cè)的胸部壓縮量和頭部X向加速度較試驗(yàn)偏大，頸部張力趨勢(shì)與試驗(yàn)吻合，但是峰值相差較遠(yuǎn)，頭部加速度較試驗(yàn)吻合度較差，原因是顆粒法在模擬安全氣囊的展開(kāi)過(guò)程中數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，與試驗(yàn)展開(kāi)狀態(tài)存在較大差異。但是模型的整體吻合度達(dá)到了80%以上，完全達(dá)到了工程上的高精度模型的要求，可以作為后期工作的基礎(chǔ)模型。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前汽車有限元乘員約束系統(tǒng)模型存在的計(jì)算效率低、建模復(fù)雜和可替換性差等問(wèn)題，提出了一種基于模塊化思想的有限元約束系統(tǒng)建模方法，該方法能在40核的戴爾高性能工作站上8 h左右即完成有限元約束系統(tǒng)模型的計(jì)算，相比完整滑車有限元模型，大大提高了其仿真效率。以某車型為研究對(duì)象，分模塊建立了安全氣囊、儀表內(nèi)飾、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和座椅等的簡(jiǎn)化子模型并驗(yàn)證了其有效性，實(shí)現(xiàn)了車型改進(jìn)時(shí)的約束系統(tǒng)模型的可替換性。基于此搭建了汽車有限元簡(jiǎn)化滑車模型，對(duì)比了正面碰撞所測(cè)得的假人傷害數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：該種約束系統(tǒng)的建模方法可以獲得高精度的有限元約束系統(tǒng)仿真模型，為汽車企業(yè)有限元約束系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了新思路。

[1] 唐亮，劉晉浩，程朋樂(lè)，等.乘員下潛傾向判斷準(zhǔn)則的研究[J].汽車工程，2014，36(6)：694-698.

[2] 艾軍.基于正面碰撞副駕駛員防護(hù)的乘員約束系統(tǒng)優(yōu)化研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2011.

[3] 王志濤，喬鑫，孔繁華.正面碰撞中的乘員約束系統(tǒng)仿真分析與驗(yàn)證[J].汽車與安全，2014(2)：100-107.

[4] 胡遠(yuǎn)志，梁永福，蔣成約，等.人體有限元模型THUMS用于正面碰撞乘員損傷研究[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2015，4(6):379-383.

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[7] 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 11557—2011 防止汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員傷害的規(guī)定[S].

[8] 張學(xué)榮，劉學(xué)軍，蘇清祖.轎車乘員約束系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證及參數(shù)優(yōu)化[J].中國(guó)機(jī)械工程，2008,19(10)：1254-1257.

(責(zé)任編輯 劉 舸)

High Precision Modeling method of Restraint System Based on Modularization

HU Yuanzhi1， PAN Hua1， FAN Shasha2， LIU Xi1， LUO Qinyue2， HUANG Jie1

(1.Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China；2.SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd.， Liuzhou 545007， China)

In order to improve the efficiency, accuracy and replaceability of finite element modeling of occupant restraint system, the accuracy of the simulation model and the replace ability, this paper proposed a high precision modeling method based on modularization. The restraint system of sub-module were built with finite element in INCLUDE files, and it was validated with component tests of airbag, steering wheel, steering column, seat, instrument panel and other parts. The restraint system model was established by directly called these sub-module INCLUDE files. Through comparing the simulation output with the test data of a certain 100% overlap frontal crash dummy injury data, it showed that the simulation results had a high accuracy with the verification of sub-module, and this modeling method was feasible.

modularization；INCLUDE file；frontal crash；restraint system；modeling method

2017-02-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405050)；2015年重慶市重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)(cstc2015zdcy-ztzx60010)；2015年重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃資助項(xiàng)目 (cstc2015jcyjA00048)；2015年重慶市高等教育教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目(152032)；2013年重慶市科技人才培養(yǎng)計(jì)劃(cstc2013kjrc-qnrc60002)；2012年汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目(2012KLMT08)

胡遠(yuǎn)志(1977—)，男，博士，教授，巴渝學(xué)者，主要從事汽車主被動(dòng)安全研究，E-mail:yuanzhihu@cqut.edu.cn；通訊作者 劉西(1977—)，女，博士，副教授，主要從事汽車主被動(dòng)安全、人機(jī)工程研究，E-mail：liuxi@cqut.edu.cn。

胡遠(yuǎn)志，潘華，凡沙沙，等.基于模塊化的約束系統(tǒng)高精度建模方法研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(7):1-11.

format：HU Yuanzhi，PAN Hua，F(xiàn)AN Shasha，et al.High Precision Modeling method of Restraint System Based on Modularization[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):1-11.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.001

U467.3

A

1674-8425(2017)07-0001-11