基于LS-DYNA正面臺車試驗的有限元仿真

王玉超 亓向翠 楊榮山 許 妮

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

1 前言

目前，對正面臺車的仿真主要采用多體動力學Madymo軟件[1，2]。 Madymo軟件建模簡單，計算效率高，但其中座椅剛度、地板剛度和IP剛度等輸入參數必須通過試驗才能得到。為克服Madymo軟件臺車建模的缺點，本文利用LS-DYNA軟件建立了臺車有限元模型，參照臺車試驗中假人的運動姿態進行了相關性分析，通過對比仿真與試驗的C-NCAP假人評分部位的曲線和運動姿態，表明在LS-DYNA環境下建立的臺車有限元模型能夠真實地反映試驗狀態，為乘員約束系統的優化奠定了基礎。

2 有限元仿真模型

乘員約束系統的臺車有限元模型如圖1所示。該模型包括部分乘員艙白車身、轉向管柱和轉向盤、座椅、儀表板、假人、氣囊和安全帶等共326260個單元，其中殼單元193087個，實體單元131173個，一維單元700個。

2.1 車體結構

為減少運算時間，在y=0處截取1/2車身結構，只保留影響假人姿態的結構零件（如地板、前圍、加速踏板等），并將座椅后部的地板設置為剛體，用來輸入臺車碰撞的加速度曲線。為使臺車運行穩定，剛體地板一直延伸到前圍。儀表板只保留了影響假人傷害值的零件，刪去了空調風道、儀表盤、雨刮蓋板等。因風擋玻璃幾乎不變形，所以設為剛體。地毯和擱腳板采用實體單元模擬，采用*MAT_FU_CHANG_FOAM材料模型，賦予泡沫屬性。

2.2 轉向管柱和轉向盤

采用球鉸或萬向鉸模擬萬向節；采用圓柱鉸模擬下轉向管柱的運動關系；采用移動鉸和彈簧單元模擬上轉向管柱的壓潰。模擬示意如圖2所示。

上轉向管柱的彈簧主要用于模擬轉向管柱在碰撞過程中的壓潰力，輸入試驗的壓潰曲線，如圖3所示。特別注意，在關鍵字*ELEMENT_DISCRETE中，S項的含義為scale factor on forces，必須設置為1.0。轉向盤通過展開的氣囊間接與假人胸部接觸，對假人胸部的傷害影響較敏感，盡管在臺車試驗中轉向盤變形微小，也不能以剛體處理，應該賦予真實的材料。

2.3 座椅

座椅分為3層，上層為shell單元，設置與假人接觸；中層為泡沫實體單元；下層為shell單元，當假人壓縮座椅時起支撐作用。在primer軟件中，采用seatsquash命令模擬假人壓縮座椅的過程，能夠將假人的H點壓到正確位置，達到與試驗假人較一致的姿態。為縮短運算時間，刪去了座椅后背，如圖4所示。為了在運算過程中不出現負體積，座椅的泡沫實體單元采用四面體。

2.4 假人

采用 FTSS （First Technology Safety Systems）公司的HybridⅢ50th男性假人，它適用于100%全正面碰撞和40%偏置碰撞，裝備有頭部加速度計、胸部加速度計、骨盆加速度計、頸部上部力計、頸部下部力計、胸部脊骨力計、腰部脊骨力計、大腿骨力計、膝關節力計、小腿上脛骨力計、小腿下脛骨力計、胸部位移傳感器和膝蓋位移傳感器，與試驗假人具有良好的仿真度。

假人定位按照試驗假人的定位要求，其定位參數見表1。

表1 假人定位參數

2.5 氣囊

氣囊在展開過程中最容易出現程序崩潰，所以應做到以下幾點:

a.氣囊應采用*AIRBAG_WANG_NEFSKE_JETTING模擬，因其具有氣體溫度、氣體質量流、排氣孔面積等輸入項，能夠較好地反映氣囊的試驗性能。其中JETTING能夠定義氣流方向，且可有效展開氣囊。*AIRBAG_WANG_NEFSKE_JETTING必須配以*AIRBAG_REFERENCE_GEOMETRY才能正常模擬氣囊展開過程。

b.氣囊在未展開前并沒有變形，所以必須設置*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC中的D2R項將氣囊處理成剛體；達到氣囊點火時刻后，設置*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC中的R2D項再將氣囊處理成變形體。

c.將氣囊自身接觸的摩擦因數以及氣囊與氣囊盒接觸的摩擦因數均設置為0。

2.6 安全帶

安全帶采用一維和二維單元混合建模，其中與假人接觸的部分采用二維單元，不接觸部分采用一維單元。因有的安全帶有預緊功能，因此肩帶的一維單元總長度大于安全帶的預緊長度，以避免二維單元滑入滑環時程序崩潰。

安全帶一維單元模型采用*MAT_SEATBELT關鍵字模擬，其中的LMIN（最小長度）項需要設置，推薦值為單元長度的1/10；LLCID （織帶的加載曲線）項和ULCID（織帶的卸載曲線）項需要從安全帶的拉伸試驗中獲得。某安全帶織物剛度的加載和卸載的力-應變曲線見圖5。

安全帶二維單元模型采用*MAT_ELASTIC或*MAT_FABRIC模擬，需要輸入彈性模量、密度和泊松比。

2.7 卷收器

采用*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTOR模擬卷收器，并輸入力與位移關系的加載和卸載曲線，如圖6所示。其中，加載曲線的初始拉力應大于零；卸載曲線的初始拉力應等于零，且單調上升。

2.8 預緊器

采用*ELEMENT_SEATBELT_PRETENSIONER模擬預緊器，LS-DYNA提供了7種類型的預緊器，每種類型的預緊器都有不同的使用條件，應按照已知條件選擇合適的預緊器。如某預緊器已知的限力值為1800 N，因此采用力—時間預緊器模擬預緊過程。

2.9 邊界條件

在臺車試驗中，必須輸入整車碰撞試驗中B柱下端的x向加速度曲線。某B柱下端的加速度曲線如圖7所示，采用*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION將x向加速度曲線賦給剛體地板。

2.10 接觸

在臺車模型中需要定義以下接觸:假人自身接觸、假人與座椅接觸、假人與安全帶接觸、假人與IP接觸、假人與加速踏板和前圍的接觸、假人與氣囊接觸、氣囊與轉向盤與風擋玻璃的接觸、氣囊自身接觸、結構自身接觸、安全帶帶扣與座椅接觸、安全帶與座椅接觸等。接觸主要采用*AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE和*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE模擬，因為AUTOMATIC接觸方式是從殼單元的兩邊進行接觸檢測，較適合各種復雜的接觸行為[3]。

對假人傷害值和姿態較敏感的接觸為假人手臂與儀表板、假人腳與加速踏板、假人腳與歇腳板、假人與座椅接觸等。表2為經多次仿真后確定的各主要接觸的摩擦因數。

表2 各主要接觸的摩擦因數

3 仿真與試驗結果對比分析

3.1 假人C-NCAP評分部位的曲線對比

圖8～圖16為仿真與試驗的假人C-NCAP評分部位的曲線對比。其中，頭部合成加速度、髖部合成加速度及胸部傷害值的仿真值與試驗值非常接近；頸部傷害值對比曲線的趨勢較一致，誤差較大，但遠低于C-NCAP規定的高性能限值；大腿壓縮力累積對比曲線較接近；左膝蓋滑動位移的仿真值為0.1 mm，試驗值為0.2 mm；右膝蓋滑動位移的仿真值為0.07 mm，試驗值為0，絕對值較小，且遠低于CNCAP的高性能限值6 mm；小腿壓縮力的對比曲線和TI值的對比曲線均較一致，其中，左小腿的誤差控制在15%內，相關性較好，右小腿由于受到油門踏板的影響而使其運動具有不確定性，即使相同的臺車試驗誤差也會較大；安全帶力的對比曲線也較吻合。

表3為仿真與試驗的假人C-NCAP得分對比結果。由表3可知，仿真值與試驗值的誤差為2%，較真實地反映了試驗狀態。

表3 仿真與試驗的假人C-NCAP得分對比

3.2 假人的運動姿態對比

圖17為試驗和仿真中假人在不同時刻的姿態對比。從圖17可看出，第56 ms時假人頭部開始接觸氣囊；第76 ms時假人胸部加速度達到最大值；仿真假人與試驗假人的運動姿態較一致。

4 結束語

以國產某車型的臺車試驗為基礎，在LS-DYNA環境中建立了臺車的有限元仿真模型，并以臺車試驗中假人評分部位的曲線和假人的運動姿態為目標，重點對轉向管柱、氣囊、安全帶、預緊器、卷收器的建模關鍵技術以及接觸摩擦因數的設置進行了研究。通過大量的臺車模擬試驗，假人C-NCAP評分部位的曲線誤差控制在15%內，假人C-NCAP得分誤差控制在2%內，證明了該臺車有限元仿真模型能夠真實有效地模擬臺車試驗。

1 曲洪亮，李德才，錢國強.基于MADYMO的乘員正面碰撞側約束系統模型的建立.東北林業大學學報，2007，35（8）:85～89.

2 王燦軍，管迪.基于臺車試驗方法的某微型轎車乘員約束系統改進設計.汽車技術，2009（11）:38～41.

3 趙海歐.LS-DYNA動力分析指南.北京:兵器工業出版社，2006.