城市客車座椅動態碰撞的仿真與試驗研究

馮二磊 田晉躍 孟媛媛 金明新 李德云

（1.江蘇大學；2.江蘇公路學會；3.丹陽車船裝飾件公司）

城市客車座椅動態碰撞的仿真與試驗研究

馮二磊1田晉躍1孟媛媛1金明新2李德云3

（1.江蘇大學；2.江蘇公路學會；3.丹陽車船裝飾件公司）

使用MADYMO軟件構建了某城市客車正面碰撞乘客約束系統的仿真模型，通過仿真計算分析確認所測假人各部分傷害值均滿足法規要求。對某城市客車塑料座椅進行了動態碰撞試驗，試驗結果與仿真結果對比分析表明，仿真結果接近標準要求，從而驗證了本文所建模型的正確性和可行性。

1 汽車碰撞仿真理論基礎

汽車碰撞仿真中最主要的理論基礎是有限元和多剛體動力學兩部分。有限元法本質上是將研究對象的連續體分割成若干個大小有限的單元體，然后對每個單元體分別插值、求解的一種方法。多剛體動力學主要研究對象為外力作用下的剛體，涉及位移、受力、速度、加速度等方面的規律。

汽車碰撞仿真的系統輸入為車體減速度，輸出為定義了傳感器輸出部位的受力大小、位移、加速度等參數指標。為了較準確地得出仿真和試驗數據，且保證計算量合理、提高仿真效率，本文對座椅、安全帶織帶與人體貼合部位采用有限元建模，對安全帶其他部分、乘員等采用多剛體建模[1]。

2 座椅正面碰撞模型建立

2.1 座椅模型

座椅采用有限元模型，其他部分采用多剛體模型，各部件之間通過運動鉸進行連接，以實現部件之間的相對運動。連接各部件的運動鉸類型根據其具有的自由度來確定[2]。將在Hypermesh中劃分完畢的網格節點和單元坐標數據導出復制到MADYMO中后，座椅有限元模型建立完畢。

2.2 假人模型

目前汽車碰撞試驗中比較通用的假人為美國50百分位Hybrid III男性假人，該假人由32個剛體組成，外形和響應特性由53個橢圓球附著在不同剛體上表現，可直接調用。

2.3 安全帶模型

本文建立的是MADYMO中混合兩點式安全帶模型，其中，與假人表面發生接觸作用的部分采用有限元建模，與假人模型接觸的部分采用多剛體模型，應用彈簧-阻尼單元[3]，建好的客車正面碰撞乘客約束系統模型[4]如圖1所示。

2.4 接觸定義

在MADYMO模型中定義的接觸有:剛體與剛體接觸（包括地板與假人鞋，并以平面剛體為接觸主面）、剛體與有限元接觸（包括假人頭部、左右臂、左右膝蓋與前排座椅靠背，假人腰部、髖部、大腿與腰帶、小腿與前排座椅，假人髖部、大腿與后排座椅坐墊，假人頭部、胸部、髖部與后排座椅靠背）。

2.5 加速度場

試驗中采用臺車模型模擬客車的碰撞環境，在正面碰撞中，由于乘客和約束系統的質量與臺車相比非常小，因此乘客運動對臺車響應的影響可以忽略。在模型計算時，將乘客運動從臺車環境中隔離出來，將臺車環境視為慣性參考空間而對假人定義兩個速度場，一個是水平方向的加速度場，另一個是作用于人體且方向垂直向下的重力加速度場，水平方向的加速度即為臺車碰撞試驗中測得的臺車減速度反向曲線。正面碰撞加速度場時間歷程曲線如圖2所示，試驗中臺車車速為32 km/h。

3 模型驗證

3.1 兩點式安全帶約束情況

根據GB13057要求，本文主要使用碰撞過程中座椅應力、假人頭部和胸部加速度、大腿軸向力、頭部損傷判斷指標HIC、胸部損傷評價指標ThAC等傷害評價指標。圖3是模型的假人傷害仿真和試驗曲線。

根據程序運行得到模型計算結果如表1所示，可以看出假人各部分傷害值均未超出GB13057法規標準，符合法規要求。

表1 兩點式安全帶約束情況模型計算結果

仿真中座椅應力云圖如圖4所示。由于未對座椅模型頂部做網格劃分，所以出現假人頸部嵌在座椅模型頂部的情況，但假人模型與塑料座椅模型并未出現穿透現象，對座椅模型的應力分析不會產生影響。從圖4中可以看出，塑料座椅受力最大值為26.1MPa,未超過使用材料的屈服極限50MPa。

3.2 無安全帶約束情況

在實際應用情況中，城市客車行駛車速較低，塑料座椅基本都沒有安全帶固定點，也不使用安全帶。因此對無安全帶約束情況的乘客模型進行仿真，如圖5所示。

根據程序運行得到模型計算結果如表2所示，從表2中可以看出，仿真結果中所測得的假人各部分傷害值均未超出GB13057法規標準，符合法規要求。

表2 無安全帶約束情況模型計算結果

仿真中座椅應力云圖如圖6所示。從圖6中可以看出，座椅應力最大值為29.9MPa,未超過使用材料的屈服極限50MPa。

在無安全帶約束的情況下，可以得出仿真結果基本滿足GB13057提出的乘客能被前方座椅和安全帶恰當限制住、座椅及其安裝足夠牢固、座椅背面安裝件和附件碰撞時都不應對乘客身體構成任何傷害的要求。

4 客車座椅動態試驗

對客車塑料座椅進行動態碰撞試驗，試驗法規及標準按照GB13057對客車座椅動態試驗的規定進行[5,6]。

本次試驗對象為國內某廠家生產的針對中國市場的城市客車座椅。試驗采用GB13057中兩排座椅型式，通過查看前排座椅破壞情況和后排座椅假人各部分傷害指標來評價座椅的被動安全性能[7]，試驗車速為32 km/h，左側被測座椅上的假人裝配了規定的安全帶，右側座椅上的假人無安全帶約束。

5 仿真與試驗結果對比

5.1 仿真模型運動學響應驗證

本文分別選取0（試驗開始前）、60ms（加速度最大時刻）、100ms（速度最大時刻）和150ms（峰值過后，假人基本進入較平穩狀態時）時刻進行臺車正面碰撞模型仿真和試驗結果對比。

5.1.1 兩點式安全帶約束情況運動學響應驗證

兩點式安全帶約束情況運動學響應對比如圖7所示。

由圖7可以直觀看到，仿真結果與試驗結果姿態基本一致。

5.1.2 無安全帶約束情況運動學響應驗證

無安全帶約束情況運動學響應對比如圖8所示。

由圖8可以直觀看到，仿真結果與試驗結果姿態基本一致。

試驗期間，左側座椅零件、安裝件和附件未出現完全分離，座椅能被牢牢固定住；試驗后，座椅及其附件未出現可能導致人體受傷害的斷裂、尖角和銳角；試驗期間，右側座椅靠背塑料撕裂，并出現完全分離，座椅能被牢牢固定住，試驗后，座椅及其附件未出現可能導致人體受傷害的斷裂、尖角和銳角。

座椅動態試驗主要數據結果如表3所示。

表3 座椅動態試驗結果

5.2 仿真與試驗結果對比

表4為兩點式安全帶約束情況仿真結果與試驗結果對比，表5為無安全帶約束情況仿真結果與試驗結果對比。從表4和表5可以看出，仿真結果更接近標準要求，其關鍵指標計算誤差均在15%之內，MADYMO模型基本如實反映了整個碰撞的物理過程。

表4 兩點式安全帶約束情況仿真結果與試驗對比

表5 無安全帶約束情況仿真結果與試驗對比

6 結束語

a構建了城市客車正面碰撞乘客保護系統模型，對模型進行計算可知，乘員損傷指標滿足法規要求。

b依據我國法規對國內某一城市客車塑料座椅進行動態碰撞模擬試驗，通過仿真分析結果與動態試驗結果對比，驗證了本文仿真結果的正確性和可行性。

c城市客車正面碰撞保護系統仿真，能夠很好的預測碰撞過程中客車座椅的強度性能、乘員運動響應及其損傷程度，對減少實車碰撞試驗次數、加快國內客車座椅安全標準和強度要求的改進具有重要意義。

1孟媛媛.客車座椅及連接件強度分析研究:[學位論文].鎮江:江蘇大學，2012.

2付景順.機動車乘員約束系統的仿真建模分析.機械設計與制造,2010，11:113～114.

3張佳洪.基于近似模擬技術的約束系統優化設計方法:[學位論文].湖南:湖南大學,2009.

4吳云騰.正面碰撞時轎車后排乘員的傷害研究:[學位論文].鎮江:江蘇大學，2011.

5馬曉麗.大客車座椅動態試驗.汽車工程師,2010,6:40～42.

6金明新.中華人民共和國國家標準客車座椅及其車輛固定件的強度.交通標準化,2002.

7 GB 13057-2003.客車座椅及其車輛固定件的強度.

8高敬黨.身材矮小乘員在正面碰撞過程中傷害的研究:[學位論文].長春:吉林大學，2007.

9金明新，王軍華.客車座椅及其車輛固定件的安全性能要求.客車技術與研究,2001,23（5）:56～58.

10 MADYMO Version6.2.2.Theory Manual.TNO Road-vehicles Research Institute，2005.

（責任編輯簾青）

修改稿收到日期為2013年12月1日。

Simulation and Experimental Study of Dynam ic Collision of City Bus Seat

Feng Erlei1,Tian Jinyue1,Meng Yuanyuan1,Jin Mingxin2,LiDeyun3
（1.Jiangsu University;2.Jiangsu Highway and Transportation Society;3.Danyang Transport Decoration Co.,Ltd）

Simulation model of passenger restraint-system of a city bus under front impact is constructed with MADYMO,the simulation analysis confirms that all the injury valuesmeasured at different parts of the dummy meet the regulatory requirements.Dynamic collision test ismade to the plastic seat of a city bus,and the results are compared with simulation results,which show that the simulation results conform to standard requirement,thus proving correctness and feasibility of themodel constructed in this paper.

City bus,Seat,MADYMO simulation,Dynam ic collision,Test

城市客車座椅MADYMO仿真動態碰撞試驗

U461.91

A

1000-3703（2014）09-0053-05