正面碰撞中的乘員約束系統仿真分析與驗證

文 華晨汽車工程研究院 王志濤，喬鑫，孔繁華

正面碰撞中的乘員約束系統仿真分析與驗證

文 華晨汽車工程研究院 王志濤，喬鑫，孔繁華

本文通過對某華晨汽車自主開發車型進行正面碰撞仿真分析，考察乘員在佩帶三點式安全帶條件下的運動響應和傷害情況。為減少車體變形對約束系統的影響，在車身結構試驗與仿真對標的模型基礎上進行乘員約束系統對標。從車身的變形形態、乘員的運動響應、假人傷害值等幾個方面綜合評價乘員保護的碰撞安全性能，通過約束系統良好的對標表現，分析出對正面碰撞乘員約束系統的影響因素。經過驗證表明，采用有限元的乘員約束系統碰撞仿真分析方法能較真實地反映出試驗碰撞的狀況和結果，具有實際工程應用價值，可用于后期的優化工作。

有限元方法；正面碰撞；乘員約束系統；對標；影響因素

1 引 言

汽車被動安全性研究中最直接的方法是進行實車碰撞試驗。但實車碰撞試驗費用昂貴、周期長、重復性差，不利于車型開發的成本和質量控制。運用計算機仿真分析模擬整車碰撞過程，不僅可以彌補上述缺陷，并且能夠在設計過程中、樣車完成前預測和優化車輛的碰撞安全性能，指導汽車結構設計開發。

20世紀80年代后期，車輛碰撞的計算機模擬在汽車技術發達國家開始興起，基于高性能計算機的出現及碰撞理論、材料理論、有限元理論、多剛體動力學系統等理論的發展完善而迅速發展。

國內的車輛碰撞計算機模擬研究始于90年代中期。近30年來，整車及乘員約束子系統在碰撞條件下的CAE仿真分析取得很多成就。其中前10年是建模方法和基本應用，而后17年是更廣泛的應用和更復雜的分析。后17年的不足之處：①精度的提高有限，一些難題很少有進展；②基本上仍然是驗證性的實踐；③還很難做到預測計算[1-2]。

傳統上，正面碰撞的模擬已進行使用了多體參數動力學軟件。但在這個過程中，多體不能完全被預測，要依賴于試驗來調試CAE模型。它是用于目標設置，碰撞后的調試，以及快速連續的比較。近些年，可預測有限元模擬軟件已成為一個不可或缺的工具，它是基于詳細的幾何和材料屬性零部件和系統的開發。這已經能夠增加約束系統和假人的模擬精度。

目前，多體和有限元方法通常兩者都是并行使用，圖1展示了它們在系統調試到零部件開始如何關注于不同零件的范圍。它們之間的間隙表示在參數環境下復雜幾何的考慮[3]。

本文將FTSS的有限元假人引進整車有限元模型中，使用LS-DYNA求解器進行求解。考察在發生正面碰撞時，約束系統對乘員安全性能的保護，這樣就能更真實、完整地反映出碰撞時乘員的運動響應，從而做出更直觀、可靠的評價。

2 整車碰撞試驗與仿真對標

2.1 整車及車身局部變形對標

圖2和3為整車試驗與仿真分析的對比，結果顯示，在碰撞過程中，機蓋產生彎折，左前車門、A柱及門檻均未發生較大變形。兩者變形趨勢基本一致。

從試驗和仿真車身局部細節表現來看，在左縱梁A和A′及右縱梁B和B′區域產生相同的彎曲變形。試驗與仿真在結構件的變形有較好的一致性，如圖4-7所示。

2.2 整車加速度對標

通常試驗與仿真中加速度傳感器布置均在車體左B柱下端位置，用該處的加速度作為評價整車的安全性能重要指標之一。根據試驗與仿真加速度的對比，兩者的峰值大小和時刻吻合度都較好，如圖8所示。

從圖8的曲線可以看出：

(1) 在整車碰撞過程中，前橫梁碰撞性能是比較關鍵的。通過對前橫梁剛度的控制，在0-12ms時間段的峰值大小能夠與試驗較為接近，趨勢基本一致。

(2) 吸能盒和前縱梁的變形模式與試驗狀態基本一致。在12-30ms時間段，加速度波形的走勢與試驗狀態較為接近。

(3) 副車架材料失效都發生在螺栓位置，通過設置該結構的失效時刻，在35ms-50ms的峰值仍有差異，但趨勢是一致的。造成差異的因素其主要有二個，其一是失效時間，通過手動去調整的失效時間來得到與試驗接近的結果；其二是失效的方式，試驗中，材料的失效方式都是發生在懸置支架上，它可以持續一段時間，而在仿真中，模型只能設置的失效方式是發生在一瞬間，兩者有所區別[4]。

為了便于觀察整車運動響應，在試驗與仿真相同的位置布置加速度傳感器，位置分別是變速器上部及中央通道后部。通過試驗與仿真前部和后部的加速度對比可知，兩個位置的運動趨勢基本一致，加速度吻合較好，如圖9-10所示。

綜上所述，基于現有試驗數據分析，試驗與仿真對標的一致性較高，為約束系統的開發奠定基礎。

3 整車正面碰撞約束系統模型的建立

有限元假人約束系統的模型是在整車結構對標基礎上完成，增加駕駛員側與乘員側的假人和安全氣囊，定義安全帶及其附件，如織帶的剛度、預緊特性、卷收器的卷軸特性、限力特性參數和滑環等，如圖11-16所示，這些數據是由供應商提供，并完善轉向管柱、方向盤、儀表板、氣囊模塊、踏板和風擋玻璃等部件，以適用于約束系統分析。

根據供應商提供的安全氣囊尺寸參數、物理參數、氣囊起爆時間及氣囊的壓力隨時間曲線，建立LS-DYNA環境下的安全氣囊。將氣囊縮放到合適的大小并安裝在模型中，然后定義氣囊的參考幾何，從而保證氣囊起爆后的幾何尺寸，如圖17和18所示。

該車型使用LS-DYNA中的HYBRID_JETTING氣囊關鍵字，HYBRID氣囊最多允許同時充入8種氣體，分別定義每種氣體的充入質量流曲線，定義泄氣孔面積，定義外部環境的壓力、溫度、密度，定義氣體發生器的噴射方向及角度等，如圖19-20所示[5]。

駕駛員側氣囊和乘員側氣囊使用同一種方法計算，分別根據實際情況調整質量流曲線和泄氣孔面積。

4 有限元的乘員約束系統仿真分析與試驗驗證

在整車碰撞對標基礎上進行有限元假人約束系統的分析，考察約束系統對乘員的傷害情況。經CAE分析得出，假人胸部傷害過大，主要原因是假人與方向盤距離太近，導致與安全氣囊過早接觸。但由于結構已經基本定型，改變假人與轉向盤的距離困難比較大。因此，從削弱假人與氣囊的接觸這個方向進行考慮。根據以上思路制定以下初步方案：①增強安全帶的預緊效果，減少假人在碰撞初期向前的位移量；②安全帶及安全氣囊的點火時間提前；③降低安全氣囊質量流動率曲線，減少氣囊對胸部的沖擊；④保證可壓潰式轉向管柱正常工作，緩和氣囊對胸部的沖擊。

按照上述初步方案中的措施，驗證方案的效果。通過對比仿真計算結果可以發現，該方案對減小假人胸部壓加速度的效果還是比較明顯的。

在CAE分析改進的同時，試驗的約束系統匹配也在進行。CAE工程師將改進方案反饋給設計部門，經各專業部門的溝通與討論后，確定該方案的實施，需進行仿真分析與試驗驗證。

4.1 駕駛員側和乘員側假人對標

在車輛正面碰撞事故中，乘員身體各部位傷害頻率最高的為頭部，其次為胸部，頭部的傷害頻率為97%，胸部的傷害頻率為93%。因此，仿真模型計算所得的假人頭部和胸部的動力學響應特性必須與試驗所得的動力學響應特性進行對比，以驗證整個模型的可靠性。仿真計算結果和試驗碰撞的假人頭部加速度、胸部加速度對比，如圖21-23所示[6]。

從駕駛員側頭部、胸部的加速度分析，試驗與仿真的變化趨勢一致，峰值大小分別相差8g和5g，原因是安全氣囊的壓力和安全帶的織帶特性對假人頭部傷害以及軀干運動姿態的影響最大。而乘員側的加速度與駕駛員側運動趨勢一致，峰值大小相差7g，原因同駕駛員側一樣[7]。

分別對試驗和仿真計算的假人頭部加速度、胸部加速度進行對比，如表1、表2及表3所示，結果表明計算誤差都在10%以內，仿真模型具有較高的逼真度。

表1 駕駛員側頭部加速度對比

表2 駕駛員側胸部加速度對比

表3 乘員側胸部加速度對比

4.2 假人運動姿態對標

李占雷(2014)認為供應鏈是為了實現全鏈價值的提升。整合全鏈資源，幫助節點上的企業融資。表現出是一種金融產品、市場等的特點。

在整個碰撞過程中，有限元的假人運動都受到了約束系統較好的控制。為便于觀察假人碰撞保護的全過程，分別對39ms、48ms、60ms和81ms的運動軌跡來分析假人運動姿態。從這4個時刻來看，試驗與仿真的假人與安全氣囊接觸時刻以及假人的運動姿態都基本一致，驗證了仿真模型的有效性，如圖24-27所示。

表4 試驗與仿真假人傷害值對比情況

按照法規要求所考察的指標，通過后處理軟件計算獲得了商業假人的傷害值，具體指標是指頭部與胸部的加速度、頭部傷害指數HIC、胸部性能指標THPC、大腿性能指標FPC，及小腿性能指標，試驗與仿真結果數據對比如表4所示。通過兩者對比發現，分析結果較為接近。

由表4和圖28可知，試驗與仿真的胸部和小腿得分存在較小差異。引起胸部差異的原因是安全帶限力值和預緊器參數不同；而引起小腿的差異是儀表板的剛度所致。從兩者正面碰撞的傷害值得分表明，計算誤差都在6%以內，仿真模型具有較高的可信度。

綜上所述，在約束系統達到最優狀態時，正面碰撞假人得分能夠滿足C-NCAP四星目標要求，可作為后期約束系統的優化改進。

4.3 影響正面碰撞乘員約束系統的對標因素

通過調試約束系統的對標模型發現，與假人接觸的零件較多，約束系統對周圍的環境較為敏感，任何區域的疏忽和處理不合理，都能影響約束系統的對標失敗，模型調試過程中涉及到修改的參數如下：

(1) 在車身結構試驗與仿真的對標基礎上進行約束系統對標，減少結構件變形對約束系統的影響。

(3) 增加氣囊拉帶長度使假人頭部與氣囊的接觸時間和試驗一致。

(4) 座椅的形狀和剛度會影響假人的運動。

(5) 小幅度調整假人小腿和腳的位置。

(6) 儀表板和空調系統內部零件的缺失，僅有表面，要表現內部特征較為困難，因此該區域剛度表現不真實，通過調整殼單元的厚度來增大剛度，這些都會影響腿部對標精度。

(7) 調整滑環單元的摩擦系數，從而優化安全帶的力。

(8) 優化了預緊裝置的峰值力和卷收器的鎖止長度。

5 結 語

(1) 基于車身結構的試驗與仿真對標結果，可減少車體變形對約束系統的影響，使有限元的乘員約束系統對標更合理、更有效。

(2) 通過仿真與試驗對比，采用有限元的乘員約束系統數值模擬方法，能較真實地反映出試驗碰撞過程，具有較好的實際工程應用價值。

(3) 通過約束系統良好的對標情況，得出對正面碰撞乘員約束系統的影響因素，然后利用相關零部件試驗，進行零部件的對標，使約束系統的試驗與仿真對標更精確。

(4) 采用有限元的乘員約束系統可以很好地預測和評估車身結構的抗撞性、人體的傷害指標，極大的減少了實車碰撞試驗次數，節約大量研發成本，縮短開發周期，對設計具有重要意義。

致謝

感謝華晨汽車工程研究院從事碰撞CAE分析和試驗的同事提供幫助和試驗數據，使本論文得以順利完成。

1 王宏雁,肖凡,帶乘員及約束系統汽車正面碰撞的有限元法仿真研究[J]. 安全與環境學報,2004(4).

2 吳沈榮,汽車碰撞仿真分析理論與技術,恒士達培訓,2012.

3 Richard brown, David Coleman, Ian Bruce, Simplified FE Simulation of Frontal Occupant Restraint Systems [J], 7th European LS-DYNA Conference.

4 王志濤, XX車型正面碰撞仿真與試驗對標分析報告[R]. 華晨汽車工程研究院,2012.

5 LS-DYNA KEYWORD USER’S MANUAL [M]. May 2007 Version 971. Livemore Software Technology Corporation, 2011

6 曹立波,喻偉雄,白中浩,蔣彬輝,吳俊,基于正面碰撞防護的SUV車輛乘員約束系統優化[J]. 中國機械工程2011(3).

7 XX車型正面碰撞CAE項目分析報告[R]. 華晨汽車工程研究院,2012(3)