基于MADYMO的正面碰撞駕駛員側約束系統仿真分析

田國紅，齊登科，孫立國，王吉成

（遼寧工業大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州121000）

生活中最常見的交通事故之一是100%正面碰撞，且汽車正面碰撞事故造成的死亡人數也是最多的，因此汽車正面碰撞中駕駛員側和乘員側傷害值的研究是被動安全性研究的主要研究內容。目前各主要汽車生產國制定了嚴格的碰撞安全法規，我國也在2000年實施了“關于正面碰撞乘員保護的設計規劃（CMVDR294）”。除了各個國家制定的嚴格法規，各大汽車生產廠商也制定了行業的標準NCAP（新車評價標準），我國于2006年由中國汽車技術研究中心正式建立了C-NCAP。

汽車碰撞安全研究的最終目的是要在發生碰撞事故時保護乘員安全，約束系統是汽車碰撞乘員保護的重要裝置。本文是通過某車型實車正面碰撞試驗數據，并結合MADYMO軟建立約束系統模型并進行求解，在經過仿真數據分析，驗證模型的有效性，為后續的汽車約束系統優化改進提供支持。

1 模型建立

本文采用MADYMO軟件建立汽車前碰撞乘員約束系統仿真分析模型，包括駕駛室有限元模型、安全帶模型、安全氣囊有限元模型和HybridⅢ橢球體假人模型。為了較真實仿真汽車正碰，駕駛室模型是根據車輛實際尺寸來構建的有限元模型，由地板、儀表板、風窗玻璃、轉向柱、轉向盤、踏板和座椅等組成，另外還增加了左側部分部件；安全帶模型采用多剛體和有限元結合的方法模擬，模型中還包括卷收器、限力器和預緊器，根據實際情況定義限力器的大小和預緊器的預緊時間以及與假人之間的接觸等；假人模型采用50百分位的HybridⅢ模型，假人以正常姿態坐于駕駛室中；安全氣囊采用有限元模型和均勻壓力算法展開。

初始模型的安全帶限力器限力值為3.5kN，安全帶預緊器的預緊長度為110mm；安全氣囊直徑650mm，拉帶210mm，泄氣空直徑為25mm，體積約48L。建立的數學模型如圖1所示。

圖1 正面碰撞MADYMO模型

通過真實汽車的正面碰撞獲得B柱的加速度曲線，正面碰撞一般把實車的B柱減速度曲線作為仿真模型中的脈沖函數如圖2所示。

圖2 B柱下端減速度曲線

2 正面碰撞試驗方法

《GB11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護》規定了車輛的正面碰撞時前排乘員保護的技術要求和試驗方法。要求試驗車輛在每個前排外側座椅上安放一個HybridⅢ技術要求且滿足相應調整要求的假人，用以測量前排人員受傷害情況。以一定速度撞擊由鋼筋混泥土制成的壁障，壁障前表面應鉛垂，其法線應與車輛直線行駛方向成0°夾角，且壁障表面應覆以2cm厚、狀態良好的膠合板。在碰撞瞬間速度應為50-2km/h（試驗速度不高于50km/h）。圖3所示為正面剛性壁碰撞示意圖。

圖3 正面剛性壁碰撞示意圖

將傳感器安裝在需要測量加速度、變形量等數據的地方采集數據，通過了解側碰假人各傳感器的安裝位置，并結合試驗錄像和試驗數據，可以對假人在試驗中的運動形態態進行分析，得出假人的傷害情況。

3 仿真結果分析

對仿真模型進行求解計算，從結果文件中輸出假人頭部加速度、頸部力和力矩、胸部加速度、胸部壓縮量及駕駛員安全帶力和大腿受力等主要數據和真實碰撞數據對比，仿真與試驗輸出結果如圖4a～4e所示。

由圖4對比發現，仿真結果在趨勢和峰值出現的時刻基本上都與試驗結果相符。假人頭部傷害值HIC為680，和試驗值的660幾乎吻合；頸部損力、胸部加速度、胸部壓縮量與試驗值具有較好的吻合度度，大腿受力的仿真值出現一個較大峰值，可能原因為前圍板侵入量大造成的?？傮w來看，仿真模型是有效性的，可用于進一步的仿真優化。

另外對上面的數據分析發現此車型在正面碰撞中各個部位的得分中假人頭部、頸部、大腿、胸部加速度及胸部黏性響應都符合損傷標準，說明實車試驗和仿真模型對假人的傷害程度都沒有超過規定的范圍。

圖4 仿真與試驗輸出結果

4 結語

一個良好的MADYMO模型能如實地反映整個碰撞的物理過程和假人的響應情況，本文以某實車碰撞試驗為基礎，結合軟件MADYMO建立約束系統仿真模型并進行求解，通過分析對比仿真結果和試驗數據，MADYMO模型的計算結果的變化趨勢與實驗結果基本吻合，得出此仿真模型的有效性和約束系統對假人具有一定的保護作用。在碰撞過程中，假人身體各部位自下而上與車體以及約束系統逐步發生接觸，力和加速度信號的起始時刻是對碰撞過程的直接反映。同時，利用MADYMO軟件仿真是重要的設計手段，減少了加速度滑臺實驗次數，大大降低了實驗成本和提高了研發周期。為進一步進行安全氣囊及安全帶的后續優化的研發而進一步降低乘員傷害指，具有指導意義。

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