基于某SUV正碰臺(tái)車試驗(yàn)的有限元建模仿真研究

馬健勝，郭樹文，鄭艷婷，卜曉兵

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津300300)

0 引 言

隨著消費(fèi)者安全意識(shí)的提高，汽車被動(dòng)安全越來越受到重視，中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程C-NCAP星級(jí)開發(fā)也逐漸成為車企、車型開發(fā)的重要目標(biāo)。正面剛性壁障碰撞試驗(yàn)是星級(jí)開發(fā)的重要組成部分，在《C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)》評(píng)價(jià)規(guī)則[1]中，正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)滿分為20分，占到總分?jǐn)?shù)的1/5。

C-NCAP評(píng)分評(píng)級(jí)主要是依據(jù)碰撞假人試驗(yàn)各評(píng)分部位傷害值計(jì)算，約束系統(tǒng)開發(fā)是實(shí)現(xiàn)乘員保護(hù)的重要手段[2]。約束系統(tǒng)開發(fā)內(nèi)容包括匹配安全帶、安全氣囊、座椅、壓潰式轉(zhuǎn)向管柱的性能，目的是減小由于車輛一次碰撞導(dǎo)致的乘員與車體的二次碰撞，使其達(dá)到乘員保護(hù)開發(fā)目標(biāo)。

整車試驗(yàn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，成本高。約束系統(tǒng)開發(fā)一般是通過計(jì)算機(jī)仿真模擬與臺(tái)車試驗(yàn)來確定、驗(yàn)證匹配方案，最后在整車摸底試驗(yàn)中驗(yàn)證約束系統(tǒng)性能。

本文基于某SUV的臺(tái)車正碰模擬試驗(yàn)，建立乘員側(cè)約束系統(tǒng)有限元模型，用LS-DYNA求解器進(jìn)行計(jì)算。從假人各部位傷害曲線、C-NCAP(2018年版)各部位得分和假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)3個(gè)方面，對(duì)比分析了有限元模型計(jì)算結(jié)果與臺(tái)車試驗(yàn)測(cè)量值，驗(yàn)證了該有限元模型的有效性，為后續(xù)SUV約束系統(tǒng)優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

1 臺(tái)車試驗(yàn)

該正碰臺(tái)車試驗(yàn)用來模擬C-NCAP 2018版整車正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)，相比于整車碰撞試驗(yàn)，具有成本低、周期短的特點(diǎn)，是約束系統(tǒng)開發(fā)階段廣泛采用的試驗(yàn)手段。

該試驗(yàn)中，臺(tái)車試驗(yàn)波形采用整車摸底試驗(yàn)中左B柱下加速度傳感器采集的X向加速度，作為臺(tái)車試驗(yàn)的輸入。臺(tái)車試驗(yàn)按照整車試驗(yàn)中假人H點(diǎn)與假人姿態(tài)擺放假人，座椅和假人盡量復(fù)現(xiàn)整車摸底試驗(yàn)中的狀態(tài)(圖1)。氣囊和安全帶預(yù)緊的點(diǎn)爆時(shí)間與整車摸底試驗(yàn)一致。試驗(yàn)主要需要注意以下幾個(gè)方面：假人擺放姿態(tài)，試驗(yàn)前測(cè)量、攝像、拍照，試驗(yàn)后測(cè)量。

試驗(yàn)前，用3D坐標(biāo)儀記錄假人頭部質(zhì)心位置、肩關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、腳跟與地毯接觸點(diǎn)等關(guān)鍵點(diǎn)的位置坐標(biāo)，并記錄掃描假人擺放的輪廓線，臺(tái)車試驗(yàn)中的坐標(biāo)系以白車身車門鎖扣上螺絲釘?shù)奈恢脼樽鴺?biāo)原點(diǎn)。使用3D測(cè)量裝置記錄假人和座椅的精確位置并直接轉(zhuǎn)換為位置信息保存到計(jì)算機(jī)中。記錄的位置信息盡量詳細(xì)，以在計(jì)算機(jī)中精確復(fù)現(xiàn)所有假人活動(dòng)關(guān)節(jié)和座椅。記錄所有相關(guān)零件的狀態(tài)，包括座椅姿態(tài)，轉(zhuǎn)向管柱角度、上下調(diào)整位置、外覆蓋件和方向盤等。

注意安全帶帶力傳感器放置位置，卷收器上方、肩部、鎖扣兩側(cè)；錨點(diǎn)位置。在臺(tái)車兩側(cè)和滑車車頂各放置一個(gè)隨車攝像機(jī)，以記錄假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和氣囊展開狀態(tài)。

圖1 臺(tái)車試驗(yàn)前坐椅和假人狀態(tài)圖Fig.1 Status before sled test

試驗(yàn)前測(cè)量記錄假人所有的部件位置姿態(tài)，包括手、腳、假人后背與座椅靠背之間距離，大腿與坐墊間距等。試驗(yàn)后最重要的過程是立即記錄那些可能會(huì)因?yàn)樵囼?yàn)程序而消失的試驗(yàn)狀態(tài)，比如假人姿態(tài)、安全帶狀態(tài)等。保留試驗(yàn)后的所有部件，包括座椅、儀表板等。特別注意或者找出與CAE模型中并不一致的零部件，比如座椅結(jié)構(gòu)、氣囊泄氣孔大小等。試驗(yàn)中安全帶和氣囊采用外部控制點(diǎn)火的方式，安全帶和氣囊的配置和點(diǎn)爆時(shí)間如表1所示。

表1 臺(tái)車試驗(yàn)約束系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of restraint system

2 有限元模型建立

2.1 約束系統(tǒng)有限元模型組成

約束系統(tǒng)有限元模型主要由各個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，子系統(tǒng)分別設(shè)置節(jié)點(diǎn)編號(hào)范圍，設(shè)置各個(gè)子系統(tǒng)之間的連接。子系統(tǒng)與滑臺(tái)試驗(yàn)中使用到的零部件相同。主要包括：白車身、氣囊、安全帶、假人、座椅、轉(zhuǎn)向管柱、三踏板、地毯、IP橫梁等。完整的約束系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 約束系統(tǒng)模型組成Fig.2 Composition of restraint system

模型各個(gè)子系統(tǒng)采用include方式進(jìn)行管理，include系統(tǒng)中還包括其他非實(shí)際模塊中的模型，主要包括：參數(shù)系統(tǒng)文件、鏈接文件、接觸文件、工況控制文件，邊界條件文件。

各個(gè)include文件要保證子系統(tǒng)ID具有唯一性，各個(gè)子系統(tǒng)的ID不能沖突。每個(gè)include文件都應(yīng)該有相應(yīng)的ID范圍。約束系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)之間用rigid patch剛性片進(jìn)行連接。下面就對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)分別做說明。

2.2 假人定位

本文模擬中有限元假人采用首美50百分位hybrid III假人。臺(tái)車試驗(yàn)中測(cè)量的假人坐標(biāo)以車門鎖扣上螺絲釘?shù)奈恢脼樵c(diǎn)，整車模型中的坐標(biāo)以前輪中心線中點(diǎn)為原點(diǎn)，將試驗(yàn)中測(cè)量的關(guān)節(jié)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為整車坐標(biāo)。用primer軟件將假人模型按照機(jī)械運(yùn)動(dòng)關(guān)系擺放到H點(diǎn)位置并調(diào)整軀干和四肢的姿態(tài)，使頭部、肩部、膝部、腳跟與地毯交點(diǎn)等關(guān)鍵位置坐標(biāo)與試驗(yàn)中擺放的位置坐標(biāo)一致，以使有限元假人擺放姿態(tài)與試驗(yàn)中假人姿態(tài)盡量一致。假人擺放過程中，左右大腿、腰、胸部、頭頸的擺放位置參數(shù)變化會(huì)造成假人自身網(wǎng)格的穿透，因此調(diào)整假人以上部位后，需要首先進(jìn)行假人預(yù)模擬計(jì)算。假人擺放好位置后，用假人自帶的pre-simulation進(jìn)行假人預(yù)模擬計(jì)算，消除假人由于擺放姿態(tài)造成的自身網(wǎng)格穿透。假人預(yù)模擬前后對(duì)比如圖3所示，用假人預(yù)模擬計(jì)算輸出的dynain結(jié)果，替換原來假人的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

圖3 假人預(yù)模擬前后對(duì)比Fig.3 Status comparison of pre/post-simulation for dummy

2.3 座椅模型

假人在安置于H點(diǎn)位置后一定會(huì)與座椅泡沫有穿透，因此需要將該穿透移除。本文采用DYNA計(jì)算的方法消除假人與座椅之間的穿透。提取假人的皮膚并進(jìn)行剛性化，加強(qiáng)制位移使假人剛性皮膚運(yùn)動(dòng)到H點(diǎn)指定位置，這就使座椅有了變形。輸出計(jì)算結(jié)果的dynain文件，替換原來座椅模型中的坐標(biāo)點(diǎn)，就消除了假人與座椅之間的初始穿透，如圖4所示。

圖4 消除假人與座椅的穿透Fig.4 Eliminate penetration between dummy and seat

相比于用primer軟件壓座椅，DYNA計(jì)算的方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：座椅中的桿系框架也可以計(jì)算出變形，不僅是座椅發(fā)泡變形；不但與實(shí)際變形模式更加吻合，而且可以計(jì)算出發(fā)泡初始應(yīng)力。缺點(diǎn)是計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。

2.4 安全帶模型

安全帶建模是約束系統(tǒng)建模的難點(diǎn)與重點(diǎn)，安全帶也是在碰撞試驗(yàn)中保護(hù)乘員的最關(guān)鍵部件之一。本文采用三點(diǎn)式安全帶，具有預(yù)緊和限力功能。安全帶預(yù)緊功能，可以在車輛碰撞開始時(shí)，提前收緊安全帶，消除乘員和安全帶之間的間隙。安全帶限力功能是防止安全帶帶力表現(xiàn)過高，過高會(huì)導(dǎo)致胸壓增大[3]。

安全帶建模使用primer軟件的seatbelt功能，定義安全帶、滑環(huán)、卷收器的有限元模型，可以設(shè)置實(shí)現(xiàn)安全帶的限力、預(yù)緊等功能[4]。

安全帶貼合假人的過程也在primer軟件中實(shí)現(xiàn)。依次定義安全帶名稱，定義安全帶需要接觸的假人和座椅部分；定義安全帶的路徑，一般是從卷收器開始，B柱滑環(huán)、假人胸部、鎖扣、假人腹部、固定點(diǎn)位置；定義安全帶上特殊位置的屬性，比如卷收器、滑環(huán)、固定點(diǎn)；貼合安全帶；定義安全帶的part和材料屬性[5]；對(duì)建立的卷收器、滑環(huán)等屬性進(jìn)行修正，使安全帶限力、預(yù)緊曲線賦予正確；設(shè)置安全帶和假人、座椅之間的接觸。本文中全部使用2D單元建立安全帶，建立好的安全帶模型如圖5所示。在計(jì)算過程中，不能出現(xiàn)安全帶過度扭曲等不符合試驗(yàn)現(xiàn)象的情況，這樣才能保證腰帶力、肩帶力計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖5 安全帶模型Fig.5 FE model of seatbelt

2.5 白車身模型

臺(tái)車模型不需要從零開始建立白車身，本文中從整車結(jié)構(gòu)耐撞性模型中提取從A柱到B柱之間的模型(圖6)，對(duì)白車身進(jìn)行鋼化。

正碰滑車約束系統(tǒng)的邊界條件施加比較簡(jiǎn)單，使用BOUNDARY PRESCRIBED MOTION在白車身剛體上施加X向的邊界條件，與臺(tái)車試驗(yàn)輸入波形保持一致。

圖6 白車身模型Fig.6 FE model of BIW

2.6 氣囊模型

本文使用的氣囊關(guān)鍵字為*AIRBAG HYBRID，此模型為控制體積法建立，可以模擬氣囊完全展開后的過程中，氣囊和假人之間的相互作用。

剛?cè)徂D(zhuǎn)換功能在約束系統(tǒng)中主要應(yīng)用于氣囊，在氣囊未點(diǎn)爆前將其轉(zhuǎn)換為剛形體，并將接觸關(guān)閉，以減少接觸計(jì)算時(shí)間，并保持氣囊不會(huì)隨意運(yùn)動(dòng)。

氣囊模型的對(duì)標(biāo)質(zhì)量對(duì)保證約束系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性非常重要。氣囊試驗(yàn)主要包括Tank試驗(yàn)、氣囊靜態(tài)點(diǎn)爆、氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)。Tank試驗(yàn)即壓力容器試驗(yàn)，是發(fā)生器在密閉容器中起爆，以此來確定有限元?dú)饽夷Ｐ椭邪l(fā)生器的質(zhì)量流與溫度流的準(zhǔn)確性。調(diào)整發(fā)生器模型的質(zhì)量流、溫度流、氣體成分占比，使模擬的p-t(壓力-時(shí)間曲線)曲線與Tank試驗(yàn)采集的p-t曲線一致。在經(jīng)過Tank試驗(yàn)對(duì)標(biāo)好發(fā)生器的參數(shù)后，對(duì)氣囊進(jìn)行靜態(tài)點(diǎn)爆與動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)(圖7)，調(diào)整織布泄氣性、排氣孔的定義，來使模型模擬與試驗(yàn)沖擊頭的加速度曲線一致。由此氣囊對(duì)標(biāo)完成，裝配到約束系統(tǒng)模型中進(jìn)行計(jì)算。氣囊模型完全展開狀態(tài)如圖8所示。

由此，該SUV約束系統(tǒng)模型已經(jīng)搭建完成，如圖9所示。

圖7 氣囊動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)Fig.7 Airbag dynamic impact test

圖8 氣囊模型展開狀態(tài)Fig.8 Status of airbag full of gas

圖9 SUV約束系統(tǒng)模型Fig.9 Restraint system model of a SUV

3 模型對(duì)標(biāo)

3.1 傷害曲線試驗(yàn)與模擬對(duì)比

根據(jù)《C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)》，正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)共20分，其中前排假人最高分?jǐn)?shù)為16分，評(píng)分部位及各部位滿分為：頭部(5分)、頸部(2分)、胸部(5分)、大腿部(2分)和小腿部(2分)。

在有限元模型與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)過程中，首先調(diào)整安全帶的限力曲線、預(yù)緊曲線、延伸率曲線，使安全帶帶力表現(xiàn)與試驗(yàn)帶力傳感器采集的曲線表現(xiàn)一致(圖10)。約束系統(tǒng)有限元模型計(jì)算結(jié)果與臺(tái)車試驗(yàn)各部位的傷害曲線對(duì)比，如圖11～圖15所示，其中實(shí)線為臺(tái)車試驗(yàn)測(cè)量曲線，虛線為有限元模型計(jì)算曲線。由假人各部位傷害曲線對(duì)比可見，仿真曲線與試驗(yàn)曲線峰值時(shí)刻與峰值大小基本吻合，吻合度在可接受的范圍內(nèi)，證明了該有限元約束系統(tǒng)模型DYNA計(jì)算結(jié)果的可靠性。

3.2 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)比

分別截取0、40、80、100ms不同時(shí)刻下模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，動(dòng)畫對(duì)比如圖16所示，可見模擬計(jì)算結(jié)果與臺(tái)車試驗(yàn)中假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)基本一致。安全帶13ms點(diǎn)爆開始預(yù)緊，氣囊18ms點(diǎn)爆，模擬中PAB 氣囊與假人頭部在55ms開始接觸。

圖10 安全帶帶力Fig.1 0 Seat belt force

圖11 頭部X向、合成加速度仿真試驗(yàn)對(duì)比Fig.1 1 Head Acc X、Acc resultant comparison

圖12 頸部剪切力Fx、張力Fz仿真試驗(yàn)對(duì)比Fig.1 2 Neck upper force Fx、Fz comparison

圖13 胸部傷害仿真試驗(yàn)對(duì)比Fig.1 3 Chest injury data comparison

圖14 骨盆傷害仿真試驗(yàn)對(duì)比Fig.1 4 Pelvis injury data comparison

圖15 大腿壓縮力、膝滑移仿真試驗(yàn)對(duì)比Fig.1 5 Femur force Z and Knee slider defelction data comparison

3.3 試驗(yàn)與模擬得分對(duì)比

由C-NCAP2018年版評(píng)分規(guī)則，主要從頭部、頸部、胸部、大腿、小腿5個(gè)方面對(duì)該SUV臺(tái)車和約束系統(tǒng)模型進(jìn)行評(píng)分對(duì)比。其中小腿部位評(píng)分采用試驗(yàn)值，滿分為16分，結(jié)果顯示：該SUV正碰臺(tái)車副駕試驗(yàn)得分為14.21分，約束系統(tǒng)模擬計(jì)算得分為14.616分，具體各部位分值對(duì)比如表2所示。頭部、頸部、大腿部試驗(yàn)與模擬均為滿分，試驗(yàn)中胸部壓縮變形量比模擬計(jì)算結(jié)果大。模擬評(píng)分結(jié)果與試驗(yàn)分值基本一致。

圖16 仿真與試驗(yàn)動(dòng)畫對(duì)比Fig.1 6Animation comparison between simulation and test

4 結(jié) 論

本文基于某SUV正碰臺(tái)車試驗(yàn)，搭建約束系統(tǒng)有限元模型。介紹了臺(tái)車試驗(yàn)中的注意事項(xiàng)，約束系統(tǒng)有限元模型的組成，研究了假人定位及預(yù)模擬、座椅穿透消除、安全帶、白車身、氣囊等子系統(tǒng)模型的建立方法。

表2 試驗(yàn)與仿真各部位C-NCAP(2018)得分對(duì)比Tab.2 C-NCAP(2018)score comparison between test and simulation

從假人各考察部位傷害曲線、假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和C-NCAP2018年版評(píng)價(jià)規(guī)則評(píng)分3個(gè)方面，對(duì)比了模型計(jì)算結(jié)果與臺(tái)車試驗(yàn)中假人的表現(xiàn)。驗(yàn)證了該SUV有限元模型的有效性，為后續(xù)約束系統(tǒng)優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。