MADYMO在乘員安全約束系統優化中的運用

馬燕

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

進入21世紀以來，我國進入了經濟高速發展的階段，人民的生活水平得到了極大提高。而汽車也作為一種普通商品，走入了千家萬戶，給人們的生活帶來了諸多方便。但快速增加的車輛，也導致交通事故數量的急劇上升，對人民的生命財產造成了極大的損失[1、2]。

2 國內外汽車安全性研究現狀

汽車安全性研究主要分為主動安全性和被動安全性兩個大方向。主動安全性是指汽車避免發生意外事故的能力，主要是在行駛過程中，車輛處于緊急轉彎等危險工況時，避免車輛失去穩定，避免發生碰撞事故的發生。被動安全性是指汽車在發生碰撞事故時，有效約束車內乘員使其避免受傷或傷害程度降到最低，以及對車外行人進行有效保護的能力。目前，國內外對被動安全性研究主要是車身結構抗撞性、碰撞生物力學和乘員安全約束系統三方面[3]。

3 MADYMO建模

MADYMO正碰模型由車體模型、乘員和約束系統等構成。

3.1 車體模型

以某車型的駕駛艙數據為例，建立車體模型。

車體模型的原點設置在整車模型的原點，其他部件可根據此原點精確定位。也可運用車體的FE模型進行MADYMO的建模。采用運動鉸對車體的多剛體部件進行連接，這些運動鉸應該定義在車體可能發生變形的部位。這些運動鉸類型的定義，可根據部件之間可能發生的相對運動來判斷。座椅模型的接觸特性直接影響假人髖部的運動，一般根據零部件試驗獲得座墊，座盆的剛度、摩擦系數等參數。

3.2 假人模型及定位

MADYMO提供了豐富的假人模型庫，可方便地通過INCLUDE語句直接調用和替換。假人的定位精確度直接決定了模擬結果的準確性。假人的定位通常采用兩種方法：第一種是直接輸入試驗前物理假人的定位參數測量值；第二種是在預模擬中，對假人施加重力場的作用，使假人與座椅等部件相互作用下達到靜力平衡狀態。在實際應用中，通常將兩種方法組合使用[4]。

3.3 安全帶模型

在MADYMO中，有三種建立安全帶的方法。第一種是傳統的多剛體安全帶，這種安全帶模型計算量小，但是織帶沿著垂直方向及沿織帶方向在假人身上的滑動無法通過這種模型進行模擬。第二種是有限元安全帶，它可以較精確地模擬織帶在假人身上兩個方向的滑移，缺點是無法模擬在D環和帶扣的處的材料流動、摩擦作用。第三種是混合安全帶模型，是多剛體安全帶模型與有限元安全帶模型的混合，可精確模擬安全帶在假人模型表面不同方向的滑移。并且織帶陷入假人身體表面的嵌入效應，也可以使用正交各向異性摩擦系數來模擬[5]。本文模型采用混合安全帶模型。

根據卷收器、D環、高調器、帶扣、錨點等定位參數確定安全帶的連接關系。圖1為安全帶模型示意圖，圖中實線表示傳統多剛體安全帶，虛線為有限元安全帶。

3.4 接觸定義

在正碰模型中，主要的接觸有：假人髖部與座椅坐墊、假人靠背與座椅靠背、假人鞋與地板、假人膝蓋與儀表板、假人與安全氣囊等。如果使用的是有限元安全帶，則要定義安全帶與假人之間的接觸。

圖1 安全帶模型示意圖

3.5 加速度場

將碰撞試驗中測得的加速度信號和重力場加在MADYMO模型中，完整模型如圖2所示。

圖2 正面碰撞模型

4 優化方案設計

選取對乘員約束系統影響較大的因素，如安全帶織帶延伸率、卷收器鎖止時間、方向盤面板剛度，每個因素考慮3個水平，選取因素及其對應的水平如表1。對于方向盤面板剛度的3個水平曲線如圖3所示。將這些因素及水平相互交織，取9種優化方案，如表2所示。

5 結果與分析

乘員的傷害形式主要是頭部和胸部，表3為運用MADYMO軟件進行模擬計算的乘員傷害指標結果。由表3可知，方案1、5、9的頭部傷害值小于1000，滿足法規要求，其余方案的頭部傷害值均超過1000，其中方案3、4和8的頭部傷害指標遠遠超出法規的要求。對比發現，卷收器鎖止時間對乘員的傷害指標影響最大，隨著卷收器鎖止時間的增大，乘員傷害值不斷增大。對比卷收器鎖止時間同為20ms的方案1、5、9發現，方案5（安全帶延伸率為12%，方向盤面板剛度B2）的乘員傷害值最小，其次是方案9（安全帶延伸率為15%，方向盤面板剛度B3），而方案1（安全帶延伸率為7.5%，方向盤面板剛度B1）的傷害值最大。由此可知，安全帶的延伸率太小時，即使方向盤面板剛度較軟，也得不到很小的乘員傷害值。而安全帶延伸率適中時，取較大的方向盤面板剛度，也可獲得較小的乘員傷害值。

表1 選取因素及其對應的水平

表2 方案設定

表3 乘員傷害值

由圖4可看出，方案4和8的胸部位移大于75mm，超出了法規要求的指標，其余方案均可滿足法規要求，其中方案5與9的胸部位移量最小。由圖5可看出，方案1的頭部加速度峰值最小，方案5和9次之，而方案4和8的頭部加速度峰值最大。圖6中，方案4和8在碰撞的后期，髖部加速度出現了一個尖銳的峰值，其余方案的髖部加速度趨勢相近。

圖4 胸部位移

圖5 頭部加速度

6 結語

本文建立了一個MADYMO正碰模型，介紹了建模的一般流程。將不同的乘員約束系統方案帶入模型中計算，分析比較結果，得出以下結論：

（1）卷收器鎖止時間對乘員的傷害指標影響最大，隨著卷收器鎖止時間的增大，乘員傷害值不斷增大。

圖6 髖部加速度

（2）安全帶的延伸率過小時，即使方向盤面板剛度較軟，也得不到很小的乘員傷害值。而安全帶延伸率適中時，取較大的方向盤面板剛度，也可獲得較小的乘員傷害值。

（3）本文中車體，取方案5即安全帶延伸率12%，方向盤面板剛度B2，卷收器鎖止時間為20ms時，乘員傷害值最小。