基于ANSYS/LS-DYNA輪椅車碰撞仿真測試研究

李耀東，王志明，唐志遠

(1. 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200233； 2. 上海大學(xué) 精密機械工程系，上海 200072)

0 引言

已于2015年7月1日起實施的國家標(biāo)準(zhǔn)《輪椅車 第19部分：可作機動車座位的輪式移動裝置》GB/T 18029.19-2014等同于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7176-19:2008，標(biāo)準(zhǔn)中對輪椅車乘坐者保護系統(tǒng)的座椅部分做出說明。輪椅有效的穩(wěn)固性需要機動車的系固系統(tǒng)和輪椅車的安全系統(tǒng)相結(jié)合。標(biāo)準(zhǔn)要求將輪椅車正面朝前放置在碰撞滑車中，并放置合適尺寸的ATD(擬人實驗裝置 anthropomorphic test device)。按照防撞性能的要求，通過WTORS(輪椅車系固和乘坐者安全限位系統(tǒng)wheelchair tie-down and occupant-restraint system)將輪椅車進行固定并對ATD進行限位。碰撞滑車受到加減速沖量的影響，其可以實現(xiàn)48 km/h的縱向速度變化，該沖量可以用加速度相對時間曲線圖中的包絡(luò)圖體現(xiàn)?？捎酶咚贁z影或其他測試設(shè)備對測試中和測試結(jié)束后的輪椅以及在動態(tài)負(fù)載條件下的輪椅車錨式帶型安全限位系統(tǒng)分別進行評估和測量。為了檢測輪椅車碰撞過程中的系固強度和安全性能，研制一種符合標(biāo)準(zhǔn)的輪椅車碰撞測試設(shè)備的意義重大。設(shè)備的關(guān)鍵是由于吸能部件的作用使輪椅車碰撞后的加速度曲線能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。下面對輪椅車的總體與吸能部件的設(shè)計做一下敘述。

1 輪椅車沖擊試驗機的總體設(shè)計

依據(jù)對碰撞標(biāo)準(zhǔn)分析可以得出：將ATD固定于測試輪椅車上，輪椅車通過WTORS系統(tǒng)系固在一個剛性平臺上，剛性平臺沿著指定的直線方向以一個規(guī)定速度(48 km/h)碰撞到壁障上，碰撞過程的減速度波形必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

要使試驗機達到規(guī)定速度(48 km/h)，需要動力牽引與傳動系統(tǒng)。本文中動力牽引與傳動系統(tǒng)使用直流電機通過摩擦繩摩擦傳動帶動平臺加速到規(guī)定速度。系統(tǒng)整體布置如圖1所示。方案設(shè)計好后，需確定鋼絲繩的走線布置，確保鋼絲繩摩擦傳動能順利進行。該碰撞試驗系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)部分主要包括：導(dǎo)軌、碰撞平臺及輪椅車、水平限位裝置、高度限位裝置等。

1—導(dǎo)軌；2—碰撞平臺及輪椅車；3—水平限位裝置； 4—高度限位裝置；5—直流電機及轉(zhuǎn)鼓；6—電動缸張緊裝置； 7—碰撞壁障；8—手動張緊裝置。 圖1 系統(tǒng)整體布置方式

碰撞臺車在碰撞前瞬間速度須達到(48±2)km/h。為了確保減速過程的加速度波形滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，碰撞減速裝置臺車端部的薄壁吸能管，碰撞后能有效地模擬臺車減速的過程。利用仿真試驗可以方便地研究各類參數(shù)對碰撞加速度波形的影響，仿真結(jié)果對實際碰撞試驗要求的達成有較大的參考意義。

2 基于ANSYS/LS-DYNA的碰撞波形的仿真過程

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，碰撞試驗所需的加速度/減速度的要求是，減速過程中減速度a>20g，時間>15ms，a>15g，時間>40ms，減速持續(xù)過程≥75ms。仿真分析的目的在于為實車碰撞試驗使用的圓柱殼規(guī)格參數(shù)、數(shù)量、布置形式等作一個初步判斷，仿真分析的結(jié)果可用于實車的實際初始布置方案，再通過實驗來驗證仿真分析的有效性。仿真過程第1步要定義單元類型及材料屬性，輪椅車碰撞試驗是通過焊接到臺車上的鋼管塑性變形來吸能的，鋼管的材料為Q235。在ANSYS/LS-DYNA中將其定義為分段線性彈塑性材料(piece-wise linear)[1]。第2步要對被分析對象進行網(wǎng)格劃分，由于剛體在仿真計算中不產(chǎn)生變形，故兩個剛體的網(wǎng)格劃分采用默認(rèn)體網(wǎng)格劃分映射網(wǎng)絡(luò)即可[2-3]。劃分殼單元網(wǎng)格時，手動設(shè)置網(wǎng)格長度尺寸為0.005，再通過面劃分映射網(wǎng)格。第3步要定義接觸面及約束，根據(jù)運行特性將殼單元底部距離剛性平臺最近的節(jié)點建立成一個Component，再通過約束中的extra-node-set將其添加到剛體單元上后即可模擬出實際的連接效果[3-4]。第4步是加載與求解。國家標(biāo)準(zhǔn)要求剛性平臺碰撞前的速度為48 km/h，將碰撞平臺及輪椅車添加一個初速度即可。最后保存成K文件輸出到LS-DYNA Solver求解即可。設(shè)置完成后，運行就可以得到結(jié)果。下面對仿真結(jié)果進行分析，由于篇幅有限，只列了85 ms終止時的應(yīng)力圖及整個過程的加速度變化圖，如圖2、圖3所示。從圖2可以看出，仿真結(jié)果幾乎可以滿足標(biāo)準(zhǔn)中的減速度要求，但是從仿真過程應(yīng)力圖可以看出，在減速的最后階段，吸能管壓縮變形嚴(yán)重，材料進入破壞模式后，仿真效果不佳，特別是碰撞后期，結(jié)果存在著很大的不確定性，故改為4根吸能管，這樣每根管的吸能量減小，變形也會減小，仿真結(jié)果也更可靠。

圖2 85 ms終止時刻應(yīng)力圖

圖3 初始方案剛體平臺的加速度波形

改變吸能管布局，增加1根長300mm的吸能管后，仿真試驗其他參數(shù)不變，分析碰撞加速度波形的變化。圖4為增加1根管后碰撞減速結(jié)束狀態(tài)時的等效應(yīng)力圖。圖5為仿真加速度波形。

圖4 4根吸能管時的碰撞結(jié)束時刻應(yīng)力圖

圖5 4根吸能管時的碰撞加速度波形

從應(yīng)力圖中可以看出，當(dāng)增加1根管后，由于吸能管的數(shù)量增多，而碰撞初始能量沒變化，吸能能力增強，吸能結(jié)束狀態(tài)時吸能管的變形程度比3根吸能管時要小很多?？紤]應(yīng)變率的影響，采用4根管的仿真結(jié)果將會比3根管與實際情況更相符，故最終仿真模型采用4根管。

3 輪椅車沖擊試驗驗證

上述仿真結(jié)果的有效性最終需要通過試驗來驗證，在某研究機構(gòu)的碰撞試驗室進行了臺車的碰撞試驗，試驗室及設(shè)備如圖6所示。臺車加上配重后達到需要的1 000kg，吸能管焊接在臺車最前端，由于吸能管壁厚較薄，為了防止損害壁障表面以及平穩(wěn)受力，在吸能管碰撞前端焊接了一塊薄鋼板。臺車碰撞初始速度設(shè)置為(48±2)km/h，即碰撞前瞬間臺車要保持該速度，整個碰撞試驗流程如標(biāo)準(zhǔn)要求所定。

圖6 實驗設(shè)備圖

經(jīng)過以上各類仿真試驗后，綜合考慮管的數(shù)量、壁厚、長度、布置方式，多次試驗后確定了吸能管的合理分配布置方式。最后采用4根吸能管，參數(shù)如下：圓管1，長度為700mm，外徑114mm，壁厚1.2mm；圓管2，長度為500mm，外徑114mm，壁厚1.5mm；圓管3，長度為400mm，外徑114mm，壁厚1.5mm；圓管4，長度為350mm，外徑114mm，壁厚1.2mm。碰撞各個階段的應(yīng)力云圖如圖7所示，碰撞平臺減速度波形如圖 8所示。

圖7 碰撞各階段的應(yīng)力云圖

圖8為最終方案的仿真加速度波形曲線圖，對于國標(biāo)規(guī)定的加速度要求(a>20g持續(xù)15ms，a>15g持續(xù)40ms，Δt>75ms)，仿真結(jié)果都能滿足要求。與此同時，加速度增大的過程較平穩(wěn)，相對沖擊較小，吸能管能較好地發(fā)揮緩沖吸能效果；在加速過程后段，加速度突變也不明顯，理論上看總體仿真效果不錯，據(jù)此進行實際臺車的碰撞試驗。

圖8 最終仿真剛體平臺的加速度波形

圖9所示為碰撞臺車以48km/h 的初始速度與剛性壁障碰撞后，臺車的仿真加速度曲線與實車碰撞曲線的對比情況。從圖中可以看出，對于國標(biāo)規(guī)定的加速度要求，

上升階段的臺車仿真加速度與實車加速度曲線的走勢大體一致，且都能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，擬合效果較好，后段對波形的整體趨勢影響不大。由此可知，臺車仿真試驗比較可靠，能夠有效再現(xiàn)實車正面碰撞的加速度曲線波形。仿真分析過程不能考慮局部破壞對模型剛度的弱化作用，這是造成臺車碰撞仿真與臺車實際碰撞試驗加速度曲線出現(xiàn)偏差的主要原因。

圖9 臺車仿真與實車試驗的加速度波形對比圖

4 結(jié)語

按照輪椅車碰撞試驗的國家標(biāo)準(zhǔn)，對輪椅車碰撞試驗進行總體設(shè)計。重點說明牽引機構(gòu)(達到48km/h的碰撞速度)的設(shè)計，同時對臺車碰撞緩沖裝置進行初步設(shè)計；采用ANSYS/LS-DYNA進行了仿真與優(yōu)化，最后用實車碰撞試驗驗證仿真結(jié)果。試驗表明：仿真研究很好地優(yōu)化了吸能結(jié)構(gòu)，為達到標(biāo)準(zhǔn)要求的減速度提供了堅實的理論保障，實施后整個設(shè)備穩(wěn)定、可靠，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對檢測行業(yè)非標(biāo)設(shè)備的研發(fā)有重大意義。