基于ANSYS/LS-DYNA輪椅車碰撞仿真測試研究

李耀東，王志明，唐志遠

(1. 上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 200233； 2. 上海大學 精密機械工程系，上海 200072)

0 引言

已于2015年7月1日起實施的國家標準《輪椅車 第19部分：可作機動車座位的輪式移動裝置》GB/T 18029.19-2014等同于國際標準ISO 7176-19:2008，標準中對輪椅車乘坐者保護系統的座椅部分做出說明。輪椅有效的穩固性需要機動車的系固系統和輪椅車的安全系統相結合。標準要求將輪椅車正面朝前放置在碰撞滑車中，并放置合適尺寸的ATD(擬人實驗裝置 anthropomorphic test device)。按照防撞性能的要求，通過WTORS(輪椅車系固和乘坐者安全限位系統wheelchair tie-down and occupant-restraint system)將輪椅車進行固定并對ATD進行限位。碰撞滑車受到加減速沖量的影響，其可以實現48 km/h的縱向速度變化，該沖量可以用加速度相對時間曲線圖中的包絡圖體現。可用高速攝影或其他測試設備對測試中和測試結束后的輪椅以及在動態負載條件下的輪椅車錨式帶型安全限位系統分別進行評估和測量。為了檢測輪椅車碰撞過程中的系固強度和安全性能，研制一種符合標準的輪椅車碰撞測試設備的意義重大。設備的關鍵是由于吸能部件的作用使輪椅車碰撞后的加速度曲線能滿足標準的要求。下面對輪椅車的總體與吸能部件的設計做一下敘述。

1 輪椅車沖擊試驗機的總體設計

依據對碰撞標準分析可以得出：將ATD固定于測試輪椅車上，輪椅車通過WTORS系統系固在一個剛性平臺上，剛性平臺沿著指定的直線方向以一個規定速度(48 km/h)碰撞到壁障上，碰撞過程的減速度波形必須滿足標準要求。

要使試驗機達到規定速度(48 km/h)，需要動力牽引與傳動系統。本文中動力牽引與傳動系統使用直流電機通過摩擦繩摩擦傳動帶動平臺加速到規定速度。系統整體布置如圖1所示。方案設計好后，需確定鋼絲繩的走線布置，確保鋼絲繩摩擦傳動能順利進行。該碰撞試驗系統的機械結構部分主要包括：導軌、碰撞平臺及輪椅車、水平限位裝置、高度限位裝置等。

1—導軌；2—碰撞平臺及輪椅車；3—水平限位裝置； 4—高度限位裝置；5—直流電機及轉鼓；6—電動缸張緊裝置； 7—碰撞壁障；8—手動張緊裝置。 圖1 系統整體布置方式

碰撞臺車在碰撞前瞬間速度須達到(48±2)km/h。為了確保減速過程的加速度波形滿足標準的要求，碰撞減速裝置臺車端部的薄壁吸能管，碰撞后能有效地模擬臺車減速的過程。利用仿真試驗可以方便地研究各類參數對碰撞加速度波形的影響，仿真結果對實際碰撞試驗要求的達成有較大的參考意義。

2 基于ANSYS/LS-DYNA的碰撞波形的仿真過程

根據標準，碰撞試驗所需的加速度/減速度的要求是，減速過程中減速度a>20g，時間>15ms，a>15g，時間>40ms，減速持續過程≥75ms。仿真分析的目的在于為實車碰撞試驗使用的圓柱殼規格參數、數量、布置形式等作一個初步判斷，仿真分析的結果可用于實車的實際初始布置方案，再通過實驗來驗證仿真分析的有效性。仿真過程第1步要定義單元類型及材料屬性，輪椅車碰撞試驗是通過焊接到臺車上的鋼管塑性變形來吸能的，鋼管的材料為Q235。在ANSYS/LS-DYNA中將其定義為分段線性彈塑性材料(piece-wise linear)[1]。第2步要對被分析對象進行網格劃分，由于剛體在仿真計算中不產生變形，故兩個剛體的網格劃分采用默認體網格劃分映射網絡即可[2-3]。劃分殼單元網格時，手動設置網格長度尺寸為0.005，再通過面劃分映射網格。第3步要定義接觸面及約束，根據運行特性將殼單元底部距離剛性平臺最近的節點建立成一個Component，再通過約束中的extra-node-set將其添加到剛體單元上后即可模擬出實際的連接效果[3-4]。第4步是加載與求解。國家標準要求剛性平臺碰撞前的速度為48 km/h，將碰撞平臺及輪椅車添加一個初速度即可。最后保存成K文件輸出到LS-DYNA Solver求解即可。設置完成后，運行就可以得到結果。下面對仿真結果進行分析，由于篇幅有限，只列了85 ms終止時的應力圖及整個過程的加速度變化圖，如圖2、圖3所示。從圖2可以看出，仿真結果幾乎可以滿足標準中的減速度要求，但是從仿真過程應力圖可以看出，在減速的最后階段，吸能管壓縮變形嚴重，材料進入破壞模式后，仿真效果不佳，特別是碰撞后期，結果存在著很大的不確定性，故改為4根吸能管，這樣每根管的吸能量減小，變形也會減小，仿真結果也更可靠。

圖2 85 ms終止時刻應力圖

圖3 初始方案剛體平臺的加速度波形

改變吸能管布局，增加1根長300mm的吸能管后，仿真試驗其他參數不變，分析碰撞加速度波形的變化。圖4為增加1根管后碰撞減速結束狀態時的等效應力圖。圖5為仿真加速度波形。

圖4 4根吸能管時的碰撞結束時刻應力圖

圖5 4根吸能管時的碰撞加速度波形

從應力圖中可以看出，當增加1根管后，由于吸能管的數量增多，而碰撞初始能量沒變化，吸能能力增強，吸能結束狀態時吸能管的變形程度比3根吸能管時要小很多。考慮應變率的影響，采用4根管的仿真結果將會比3根管與實際情況更相符，故最終仿真模型采用4根管。

3 輪椅車沖擊試驗驗證

上述仿真結果的有效性最終需要通過試驗來驗證，在某研究機構的碰撞試驗室進行了臺車的碰撞試驗，試驗室及設備如圖6所示。臺車加上配重后達到需要的1 000kg，吸能管焊接在臺車最前端，由于吸能管壁厚較薄，為了防止損害壁障表面以及平穩受力，在吸能管碰撞前端焊接了一塊薄鋼板。臺車碰撞初始速度設置為(48±2)km/h，即碰撞前瞬間臺車要保持該速度，整個碰撞試驗流程如標準要求所定。

圖6 實驗設備圖

經過以上各類仿真試驗后，綜合考慮管的數量、壁厚、長度、布置方式，多次試驗后確定了吸能管的合理分配布置方式。最后采用4根吸能管，參數如下：圓管1，長度為700mm，外徑114mm，壁厚1.2mm；圓管2，長度為500mm，外徑114mm，壁厚1.5mm；圓管3，長度為400mm，外徑114mm，壁厚1.5mm；圓管4，長度為350mm，外徑114mm，壁厚1.2mm。碰撞各個階段的應力云圖如圖7所示，碰撞平臺減速度波形如圖 8所示。

圖7 碰撞各階段的應力云圖

圖8為最終方案的仿真加速度波形曲線圖，對于國標規定的加速度要求(a>20g持續15ms，a>15g持續40ms，Δt>75ms)，仿真結果都能滿足要求。與此同時，加速度增大的過程較平穩，相對沖擊較小，吸能管能較好地發揮緩沖吸能效果；在加速過程后段，加速度突變也不明顯，理論上看總體仿真效果不錯，據此進行實際臺車的碰撞試驗。

圖8 最終仿真剛體平臺的加速度波形

圖9所示為碰撞臺車以48km/h 的初始速度與剛性壁障碰撞后，臺車的仿真加速度曲線與實車碰撞曲線的對比情況。從圖中可以看出，對于國標規定的加速度要求，

上升階段的臺車仿真加速度與實車加速度曲線的走勢大體一致，且都能滿足標準的要求，擬合效果較好，后段對波形的整體趨勢影響不大。由此可知，臺車仿真試驗比較可靠，能夠有效再現實車正面碰撞的加速度曲線波形。仿真分析過程不能考慮局部破壞對模型剛度的弱化作用，這是造成臺車碰撞仿真與臺車實際碰撞試驗加速度曲線出現偏差的主要原因。

圖9 臺車仿真與實車試驗的加速度波形對比圖

4 結語

按照輪椅車碰撞試驗的國家標準，對輪椅車碰撞試驗進行總體設計。重點說明牽引機構(達到48km/h的碰撞速度)的設計，同時對臺車碰撞緩沖裝置進行初步設計；采用ANSYS/LS-DYNA進行了仿真與優化，最后用實車碰撞試驗驗證仿真結果。試驗表明：仿真研究很好地優化了吸能結構，為達到標準要求的減速度提供了堅實的理論保障，實施后整個設備穩定、可靠，符合標準規定，對檢測行業非標設備的研發有重大意義。