汽車約束系統(tǒng)零部件模型的建立與驗證

閆曉芳 高鵬飛 付榮榮

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發(fā)分公司）

汽車乘員約束系統(tǒng)是汽車被動安全領域內的主要研究內容之一，乘員約束系統(tǒng)主要由安全帶、安全氣囊、儀表板、座椅及轉向系等子系統(tǒng)組成。近年來，許多研究學者發(fā)現，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)，協調安全帶、安全氣囊及座椅的機械特性則可以大大提高乘員約束系統(tǒng)的性能。國外也在積極地研究智能型約束系統(tǒng)，可以自動識別乘客體型，更好地保護婦女兒童[1]。我國汽車被動安全研究經過了數年的發(fā)展歷程，已經有了一個良好的開端。文章在一系列零部件試驗的基礎上，將MADYMO仿真結果與試驗結果進行了對比驗證。

1　安全帶模型的建立與驗證

1.1　試驗方法

試驗系統(tǒng)應保證整個試驗過程中所提供載荷的準確性，在整個試驗過程中應連續(xù)記錄所施載荷。拉力機采用纏繞式夾具，試件與試驗夾具的連接方式應牢固可靠，防止失效?？棊г诶C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際使用狀態(tài)，效果最佳。每進行1次試驗都應使用新試件。試驗前處理每條安全帶織帶都應在溫度為（20±5）℃、相對濕度為（65±5）%的環(huán)境中保存至少24 h，如果處理后不能立即進行試驗，試件應存放在密封容器內直至試驗開始，試驗應在織帶從處理環(huán)境中或從容器中取出后5 min內測量。把處理后的織帶，固定于拉伸機上，夾具間織帶的自由長度應為200～240 mm，取有效長度200 mm做標記，使拉伸機的引伸器夾于標記處，保證有效長度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　安全帶拉伸試驗圖

圖2　MADYMO中安全帶拉伸仿真模型

1.2　MADYMO模型的搭建與驗證

在MADYMO中搭建長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上施加一個運動（MOTION.JIOIN.POS），速度為 100 mm/min，保持與實際試驗的速度一致。圖3示出安全帶剛度試驗與仿真曲線對比。從圖3可以看出，安全帶仿真模型和試驗拉伸剛度曲線擬合良好，可以應用到整車模型中，在此基礎上進行進一步研究。

圖3　安全帶剛度驗證結果

2　座椅模型的建立與驗證

2.1　試驗方法

試驗樣件安裝按照實車狀態(tài)在試驗機上進行，具有調節(jié)機構的座椅骨架的位置按設計要求來調節(jié)，其他的調節(jié)機構調節(jié)到設計標準位置，座椅前后方向調節(jié)到設計的中間位置，座椅上下高度調節(jié)到設計的標準位置。圖4示出座椅靜剛度試驗圖，圖5示出MADYMO中搭建的座椅靜壓仿真模型。

圖4　座椅剛度試驗圖

圖5　MADYMO中座椅靜壓仿真模型

座椅靠背的角度調節(jié)到設計標準位置，或者選擇50百分位人體模型的軀干基準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；壓力試驗機應以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150 mm（150 mm為假人臀部碰撞時向前移動距離）；壓力試驗機應以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模型的搭建與驗證

在MADYMO中搭建座椅模型，首先導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個平面，來模擬座墊和座椅骨架。圖6示出座椅H點試驗與仿真的剛度曲線對比，圖7示出座椅H點前移150 mm后，試驗與仿真的剛度曲線對比。

圖6　座椅H點剛度驗證結果

圖7　座椅H點前移150 mm剛度驗證結果

從圖6和圖7可以看出，座椅H點仿真模型和試驗剛度擬合良好，將臀部模塊前移150 mm后，仿真和試驗剛度曲線基本擬合，表明此座椅模型可以應用到整車模型中，并在此基礎上進行進一步研究。

3　轉向管柱壓潰模型的建立與驗證

3.1　試驗方法

將轉向管柱總成按近似實車狀態(tài)裝夾到壓縮機夾具上，將壓力機頭部壓塊平行壓到轉向管柱軸上，并保證壓力機頭部與轉向管柱軸同心，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系曲線。圖8示出轉向管柱的動態(tài)壓潰試驗圖，圖9示出MADYMO中搭建的轉向管柱動態(tài)壓潰模型。

圖8　轉向管柱動態(tài)壓潰試驗圖

圖9　MADYMO中轉向管柱動態(tài)壓潰仿真模型

3.2　MADYMO模型的搭建與驗證

在MADYMO中搭建轉向管柱模型需定義一個旋轉移動鉸（JOIN.REVO.TRAN），并將轉向管柱試驗的曲線作為轉向管柱的特性輸入，用鉸約束（RESTRAIN.JOIN）來定義轉向管柱的平移和轉動特性，輸出轉向管柱鉸的力及位移曲線。圖10示出管柱壓潰力的對比結果，圖11示出壓力機頭加速度的對比結果。

圖10　管柱壓潰力驗證結果

圖11　壓力機頭加速度驗證結果

壓潰特性選取截止到第1個峰值，從圖10和圖11可以看出，管柱壓潰仿真模型和試驗壓潰特性曲線擬合良好，壓力機頭的加速度曲線也擬合良好，表明此管柱模型可以應用到整車模型中，并在此基礎上進行進一步研究。

4　氣囊動態(tài)沖擊模型的建立與驗證

4.1　試驗方法

將DAB模塊裝于轉向盤內，轉向盤固定在試驗夾具上，試驗夾具應該具有足夠的剛度，以防止試件在試驗過程中承受額外的局部壓力。沖擊器平行壓到轉向盤上，并保證沖擊器與DAB模塊軸同心。檢查無誤后點爆DAB，沖擊器沖擊速度為6 m/s，沖擊條件為DAB剛好完全展開時，沖擊器與DAB接觸。試驗后輸出試驗數據，包括試驗前后照片、試驗過程中的高速攝像、沖擊器的加速度時間曲線及氣囊點爆電壓信號。圖12示出氣囊動態(tài)沖擊試驗圖，圖13示出MADYMO中搭建的氣囊動態(tài)沖擊仿真模型。

圖12　氣囊動態(tài)沖擊試驗圖

圖13　MADYMO中氣囊動態(tài)沖擊仿真模型

4.2　MADYMO模型的搭建與驗證

在MADYMO中搭建轉向盤模型，需用JOIN.BRAC固定，并用縮放的方法建立安全氣囊模型，0時刻點爆，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，速度大小保持與實際試驗的速度一致。圖14示出沖擊器加速度的對比結果。

圖14　沖擊器加速度驗證結果

從圖14可以看出，沖擊器加速度仿真和試驗曲線擬合良好，表明此安全氣囊模型可以應用到整車模型中，并在此基礎上進行進一步研究。

5　結論

文章結合約束系統(tǒng)相關的零部件試驗，建立了相應約束系統(tǒng)的零部件模型，并對其進行仿真分析。仿真與試驗曲線擬合度滿足要求，根據各子系統(tǒng)仿真模型可以進行后續(xù)優(yōu)化分析工作，進而搭建整車約束系統(tǒng)模型進行標定分析，完成約束系統(tǒng)匹配工作。