基于LS-DYNA正面臺(tái)車(chē)試驗(yàn)的有限元仿真

王玉超 亓向翠 楊榮山 許 妮

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院）

1 前言

目前，對(duì)正面臺(tái)車(chē)的仿真主要采用多體動(dòng)力學(xué)Madymo軟件[1，2]。 Madymo軟件建模簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高，但其中座椅剛度、地板剛度和IP剛度等輸入?yún)?shù)必須通過(guò)試驗(yàn)才能得到。為克服Madymo軟件臺(tái)車(chē)建模的缺點(diǎn)，本文利用LS-DYNA軟件建立了臺(tái)車(chē)有限元模型，參照臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行了相關(guān)性分析，通過(guò)對(duì)比仿真與試驗(yàn)的C-NCAP假人評(píng)分部位的曲線和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，表明在LS-DYNA環(huán)境下建立的臺(tái)車(chē)有限元模型能夠真實(shí)地反映試驗(yàn)狀態(tài)，為乘員約束系統(tǒng)的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

2 有限元仿真模型

乘員約束系統(tǒng)的臺(tái)車(chē)有限元模型如圖1所示。該模型包括部分乘員艙白車(chē)身、轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向盤(pán)、座椅、儀表板、假人、氣囊和安全帶等共326260個(gè)單元，其中殼單元193087個(gè)，實(shí)體單元131173個(gè)，一維單元700個(gè)。

2.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)

為減少運(yùn)算時(shí)間，在y=0處截取1/2車(chē)身結(jié)構(gòu)，只保留影響假人姿態(tài)的結(jié)構(gòu)零件（如地板、前圍、加速踏板等），并將座椅后部的地板設(shè)置為剛體，用來(lái)輸入臺(tái)車(chē)碰撞的加速度曲線。為使臺(tái)車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定，剛體地板一直延伸到前圍。儀表板只保留了影響假人傷害值的零件，刪去了空調(diào)風(fēng)道、儀表盤(pán)、雨刮蓋板等。因風(fēng)擋玻璃幾乎不變形，所以設(shè)為剛體。地毯和擱腳板采用實(shí)體單元模擬，采用*MAT_FU_CHANG_FOAM材料模型，賦予泡沫屬性。

2.2 轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向盤(pán)

采用球鉸或萬(wàn)向鉸模擬萬(wàn)向節(jié)；采用圓柱鉸模擬下轉(zhuǎn)向管柱的運(yùn)動(dòng)關(guān)系；采用移動(dòng)鉸和彈簧單元模擬上轉(zhuǎn)向管柱的壓潰。模擬示意如圖2所示。

上轉(zhuǎn)向管柱的彈簧主要用于模擬轉(zhuǎn)向管柱在碰撞過(guò)程中的壓潰力，輸入試驗(yàn)的壓潰曲線，如圖3所示。特別注意，在關(guān)鍵字*ELEMENT_DISCRETE中，S項(xiàng)的含義為scale factor on forces，必須設(shè)置為1.0。轉(zhuǎn)向盤(pán)通過(guò)展開(kāi)的氣囊間接與假人胸部接觸，對(duì)假人胸部的傷害影響較敏感，盡管在臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中轉(zhuǎn)向盤(pán)變形微小，也不能以剛體處理，應(yīng)該賦予真實(shí)的材料。

2.3 座椅

座椅分為3層，上層為shell單元，設(shè)置與假人接觸；中層為泡沫實(shí)體單元；下層為shell單元，當(dāng)假人壓縮座椅時(shí)起支撐作用。在primer軟件中，采用seatsquash命令模擬假人壓縮座椅的過(guò)程，能夠?qū)⒓偃说腍點(diǎn)壓到正確位置，達(dá)到與試驗(yàn)假人較一致的姿態(tài)。為縮短運(yùn)算時(shí)間，刪去了座椅后背，如圖4所示。為了在運(yùn)算過(guò)程中不出現(xiàn)負(fù)體積，座椅的泡沫實(shí)體單元采用四面體。

2.4 假人

采用 FTSS （First Technology Safety Systems）公司的HybridⅢ50th男性假人，它適用于100%全正面碰撞和40%偏置碰撞，裝備有頭部加速度計(jì)、胸部加速度計(jì)、骨盆加速度計(jì)、頸部上部力計(jì)、頸部下部力計(jì)、胸部脊骨力計(jì)、腰部脊骨力計(jì)、大腿骨力計(jì)、膝關(guān)節(jié)力計(jì)、小腿上脛骨力計(jì)、小腿下脛骨力計(jì)、胸部位移傳感器和膝蓋位移傳感器，與試驗(yàn)假人具有良好的仿真度。

假人定位按照試驗(yàn)假人的定位要求，其定位參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 假人定位參數(shù)

2.5 氣囊

氣囊在展開(kāi)過(guò)程中最容易出現(xiàn)程序崩潰，所以應(yīng)做到以下幾點(diǎn):

a.氣囊應(yīng)采用*AIRBAG_WANG_NEFSKE_JETTING模擬，因其具有氣體溫度、氣體質(zhì)量流、排氣孔面積等輸入項(xiàng)，能夠較好地反映氣囊的試驗(yàn)性能。其中JETTING能夠定義氣流方向，且可有效展開(kāi)氣囊。*AIRBAG_WANG_NEFSKE_JETTING必須配以*AIRBAG_REFERENCE_GEOMETRY才能正常模擬氣囊展開(kāi)過(guò)程。

b.氣囊在未展開(kāi)前并沒(méi)有變形，所以必須設(shè)置*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC中的D2R項(xiàng)將氣囊處理成剛體；達(dá)到氣囊點(diǎn)火時(shí)刻后，設(shè)置*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC中的R2D項(xiàng)再將氣囊處理成變形體。

c.將氣囊自身接觸的摩擦因數(shù)以及氣囊與氣囊盒接觸的摩擦因數(shù)均設(shè)置為0。

2.6 安全帶

安全帶采用一維和二維單元混合建模，其中與假人接觸的部分采用二維單元，不接觸部分采用一維單元。因有的安全帶有預(yù)緊功能，因此肩帶的一維單元總長(zhǎng)度大于安全帶的預(yù)緊長(zhǎng)度，以避免二維單元滑入滑環(huán)時(shí)程序崩潰。

安全帶一維單元模型采用*MAT_SEATBELT關(guān)鍵字模擬，其中的LMIN（最小長(zhǎng)度）項(xiàng)需要設(shè)置，推薦值為單元長(zhǎng)度的1/10；LLCID （織帶的加載曲線）項(xiàng)和ULCID（織帶的卸載曲線）項(xiàng)需要從安全帶的拉伸試驗(yàn)中獲得。某安全帶織物剛度的加載和卸載的力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖5。

安全帶二維單元模型采用*MAT_ELASTIC或*MAT_FABRIC模擬，需要輸入彈性模量、密度和泊松比。

2.7 卷收器

采用*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTOR模擬卷收器，并輸入力與位移關(guān)系的加載和卸載曲線，如圖6所示。其中，加載曲線的初始拉力應(yīng)大于零；卸載曲線的初始拉力應(yīng)等于零，且單調(diào)上升。

2.8 預(yù)緊器

采用*ELEMENT_SEATBELT_PRETENSIONER模擬預(yù)緊器，LS-DYNA提供了7種類(lèi)型的預(yù)緊器，每種類(lèi)型的預(yù)緊器都有不同的使用條件，應(yīng)按照已知條件選擇合適的預(yù)緊器。如某預(yù)緊器已知的限力值為1800 N，因此采用力—時(shí)間預(yù)緊器模擬預(yù)緊過(guò)程。

2.9 邊界條件

在臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中，必須輸入整車(chē)碰撞試驗(yàn)中B柱下端的x向加速度曲線。某B柱下端的加速度曲線如圖7所示，采用*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION將x向加速度曲線賦給剛體地板。

2.10 接觸

在臺(tái)車(chē)模型中需要定義以下接觸:假人自身接觸、假人與座椅接觸、假人與安全帶接觸、假人與IP接觸、假人與加速踏板和前圍的接觸、假人與氣囊接觸、氣囊與轉(zhuǎn)向盤(pán)與風(fēng)擋玻璃的接觸、氣囊自身接觸、結(jié)構(gòu)自身接觸、安全帶帶扣與座椅接觸、安全帶與座椅接觸等。接觸主要采用*AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE和*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE模擬，因?yàn)锳UTOMATIC接觸方式是從殼單元的兩邊進(jìn)行接觸檢測(cè)，較適合各種復(fù)雜的接觸行為[3]。

對(duì)假人傷害值和姿態(tài)較敏感的接觸為假人手臂與儀表板、假人腳與加速踏板、假人腳與歇腳板、假人與座椅接觸等。表2為經(jīng)多次仿真后確定的各主要接觸的摩擦因數(shù)。

表2 各主要接觸的摩擦因數(shù)

3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 假人C-NCAP評(píng)分部位的曲線對(duì)比

圖8～圖16為仿真與試驗(yàn)的假人C-NCAP評(píng)分部位的曲線對(duì)比。其中，頭部合成加速度、髖部合成加速度及胸部傷害值的仿真值與試驗(yàn)值非常接近；頸部傷害值對(duì)比曲線的趨勢(shì)較一致，誤差較大，但遠(yuǎn)低于C-NCAP規(guī)定的高性能限值；大腿壓縮力累積對(duì)比曲線較接近；左膝蓋滑動(dòng)位移的仿真值為0.1 mm，試驗(yàn)值為0.2 mm；右膝蓋滑動(dòng)位移的仿真值為0.07 mm，試驗(yàn)值為0，絕對(duì)值較小，且遠(yuǎn)低于CNCAP的高性能限值6 mm；小腿壓縮力的對(duì)比曲線和TI值的對(duì)比曲線均較一致，其中，左小腿的誤差控制在15%內(nèi)，相關(guān)性較好，右小腿由于受到油門(mén)踏板的影響而使其運(yùn)動(dòng)具有不確定性，即使相同的臺(tái)車(chē)試驗(yàn)誤差也會(huì)較大；安全帶力的對(duì)比曲線也較吻合。

表3為仿真與試驗(yàn)的假人C-NCAP得分對(duì)比結(jié)果。由表3可知，仿真值與試驗(yàn)值的誤差為2%，較真實(shí)地反映了試驗(yàn)狀態(tài)。

表3 仿真與試驗(yàn)的假人C-NCAP得分對(duì)比

3.2 假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)比

圖17為試驗(yàn)和仿真中假人在不同時(shí)刻的姿態(tài)對(duì)比。從圖17可看出，第56 ms時(shí)假人頭部開(kāi)始接觸氣囊；第76 ms時(shí)假人胸部加速度達(dá)到最大值；仿真假人與試驗(yàn)假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)較一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

以國(guó)產(chǎn)某車(chē)型的臺(tái)車(chē)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，在LS-DYNA環(huán)境中建立了臺(tái)車(chē)的有限元仿真模型，并以臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中假人評(píng)分部位的曲線和假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)為目標(biāo)，重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)向管柱、氣囊、安全帶、預(yù)緊器、卷收器的建模關(guān)鍵技術(shù)以及接觸摩擦因數(shù)的設(shè)置進(jìn)行了研究。通過(guò)大量的臺(tái)車(chē)模擬試驗(yàn)，假人C-NCAP評(píng)分部位的曲線誤差控制在15%內(nèi)，假人C-NCAP得分誤差控制在2%內(nèi)，證明了該臺(tái)車(chē)有限元仿真模型能夠真實(shí)有效地模擬臺(tái)車(chē)試驗(yàn)。

1 曲洪亮，李德才，錢(qián)國(guó)強(qiáng).基于MADYMO的乘員正面碰撞側(cè)約束系統(tǒng)模型的建立.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，35（8）:85～89.

2 王燦軍，管迪.基于臺(tái)車(chē)試驗(yàn)方法的某微型轎車(chē)乘員約束系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì).汽車(chē)技術(shù)，2009（11）:38～41.

3 趙海歐.LS-DYNA動(dòng)力分析指南.北京:兵器工業(yè)出版社，2006.