基于模塊化的約束系統高精度建模方法研究

胡遠志，潘 華，凡沙沙，劉 西，羅覃月，黃 杰

(1.重慶理工大學， 重慶 400054； 2.上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西 柳州 545007)

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基于模塊化的約束系統高精度建模方法研究

胡遠志1，潘 華1，凡沙沙2，劉 西1，羅覃月2，黃 杰1

(1.重慶理工大學， 重慶 400054； 2.上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西 柳州 545007)

為了提高汽車有限元乘員約束系統的建模效率、仿真精度及模型可替換性，提出了一種基于模塊化的約束系統建模方法。基于安全氣囊、方向盤、轉向管柱、座椅、儀表板等零部件沖擊試驗，建立了某車的有限元約束系統子模塊的INCLUDE文件。通過直接調用這些子模塊INCLUDE文件，建立簡化的約束系統模型。對比計算機仿真輸出與正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗獲得的假人傷害數據，結果表明：通過驗證的模塊化子模型組建簡化的約束系統模型可以獲得高精度的仿真結果。從而驗證了該方法的可行性。

模塊化；INCLUDE文件；正面碰撞；約束系統；建模方法

約束系統的開發主要是利用MADYMO軟件，采用多剛體系統動力學的方法，具有建模效率高、計算時間短的特點，但是該方法不能直觀地模擬碰撞過程中車內乘員與車體結構特征的詳細響應特性。隨著計算機技術的飛速發展和非線性有限元理論研究的成熟，有限元法已經逐漸應用到汽車乘員約束系統仿真分析中，有著取代多體系統動力學方法的趨勢。唐亮、周青等[1]利用有限元法對乘員下潛傾向的準則進行了研究，提出了LBOP(腰帶在骨盆上的相對位置)和IMFR(髂骨所受力矩與力的比值)兩個準則；艾軍[2]利用有限元法建立了副駕駛員側的約束系統有限元模型，并利用試驗設計的方法對其進行了參數優化；王志濤等[3]利用有限元法對某車在正面碰撞中的乘員約束系統進行了仿真分析與試驗驗證，結果表明：應用有限元法進行約束系統仿真分析能夠比較真實地反映出碰撞試驗的結果，具有廣泛的推廣價值和工程意義。

本文引入模塊化的思想，基于汽車乘員約束系統的零部件試驗和整車正面碰撞試驗，建立有限元約束系統各子模塊的INCLUDE文件，以此組建簡化的高精度約束系統仿真模型，解決有限元約束系統仿真模型的高精度與計算效率相矛盾以及約束系統子模型可替換性的問題。

1 有限元約束系統子模型的建立與驗證

汽車乘員約束系統主要包括儀表板、安全氣囊、轉向管柱、座椅、安全帶以及風擋玻璃等[4]，其幾何特性和性能特性是有限元約束系統仿真分析所關注的焦點。

1.1 儀表內飾子模型的建立與驗證

在汽車碰撞過程中，膝蓋和小腿會與儀表內飾發生接觸，所以汽車所裝配的儀表內飾應當具有合適的硬度和柔軟性，以便吸收碰撞過程中的沖擊能量，降低車內乘員腿部的傷害。

為了提高有限元仿真過程中乘員腿部傷害仿真的精度，基于碰撞過程中車內乘員腿部的響應情況，在儀表內飾駕駛員側和乘員側選取了一些典型的參考點進行了儀表板動態沖擊試驗，即以一定的速度垂直沖擊護膝板，繪制出相應的載荷與位移的關系曲線，以便對儀表板有限元子模型進行驗證。保留儀表板內飾中的主要受力件以簡化儀表板子模型，并將沖擊點附近加強筋等細化，建立儀表板動態沖擊試驗的仿真模型，如圖1所示。單獨建立沖擊塊與儀表板的接觸控制卡片，將soft設定為1，在0.1～0.35范圍內調節摩擦因數FS、FD，使得仿真結果與試驗中儀表內飾響應加速度曲線的一致性較好，如圖2所示。以上結果說明：簡化的儀表板模型是經過試驗驗證的獨立模塊(子模型)，可以保存為一個有限元軟件LS-DYNA的INCLUDE文件用于后續的乘員安全仿真。

圖1 儀表板動態沖擊試驗與仿真模型

圖2 儀表內飾響應加速度曲線

1.2 安全氣囊子模型的建立與驗證

安全氣囊主要由氣袋、氣體發生器等組成[4]。目前，均壓法因計算效率高、數據穩定而在工程上得到應用[5]。然而顆粒法可以準確模擬氣囊展開階段氣流的高速運動，可保證其與方向盤、擋風玻璃等的接觸響應過程與整車試驗一致，故本文采用顆粒法模擬。根據所給圖紙畫好氣囊幾何外形圖并進行網格離散，在Primer軟件中將氣囊有限元模型折疊好。在關鍵字*AIRBAG_PARTICLE中設置氣體發生器的性能參數以模擬安全氣囊的充氣特性。氣袋織布采用LS-DYNA中的*MAT_34材料模擬。為了保證仿真精度，需要在氣袋材料卡片中定義氣孔的泄氣系數X2和織布的泄氣率曲線FAC，并設定氣囊自接觸的接觸厚度SST至少為10倍的織布厚度，同時對安全氣囊子模型進行動態沖擊特性的驗證(見圖3)。通過調節氣孔泄氣系數和織布泄氣率函數曲線，使仿真與試驗中的安全氣囊特性相符。將氣囊模型保存為一個有限元軟件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后續的乘員安全仿真。

圖3 安全氣囊動態特性驗證

1.3 轉向系統子模型的建立與驗證

由于在正面碰撞過程中駕駛員的胸部可能會接觸到方向盤，為了增加駕駛員的生存空間，轎車幾乎都配置了壓潰式轉向管柱。對于乘員約束系統仿真分析，轉向系統的有限元模型只需簡化為方向盤和轉向管柱即可，轉向管柱簡化為內外套筒，其壓潰特性用滑移柱鉸和具有實際轉向管柱的壓潰力-位移關系一致的曲線來模擬[6]。由于駕駛員側的接觸關系比較復雜，為了提高仿真精度，需進行方向盤的靜態加載試驗(分別在方向盤的6點鐘方向和12點鐘方向施加載荷，繪制出力-位移關系曲線，見圖4和圖5)和轉向管柱的靜態加載試驗(將轉向管柱固定，在轉向管柱上端軸向施加載荷，繪制出壓潰力-位移關系曲線，見圖6、7)、動態沖擊試驗(參考GB11557—2011進行試驗[7]，見圖8)，以便驗證轉向系統子模型的有效性。通過先6點鐘方向再12點鐘方向對標、靜態壓潰試驗曲線作為非線性彈簧的剛度曲線以及將靜態壓潰曲線按一定的系數縮放等，分別使得仿真與試驗中的方向盤靜態剛度特性、轉向管柱靜態壓潰特性與動態壓潰特性一致性較好(見圖5、圖7、圖9)。將轉向系統模型保存為一個有限元軟件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后續的乘員安全仿真。

圖4 方向盤靜態加載試驗與仿真模型

1.4 座椅子模型的建立與驗證

汽車座椅是汽車的重要組成部分，其性能的好壞直接影響著車內乘員的安全。座椅一般由金屬骨架和泡沫組成。在正面碰撞過程中，座椅會存在下潛和前翻的風險，這對車內乘員的傷害有較大的影響。而泡沫具有典型的非線性力學特性，目前還沒有一種準確的本構模型來較好地模擬其力學響應,故在一般情況下僅對座椅表面賦予一定的運動關系來近似模擬[6]。基于此，座椅有限元子模型采用殼單元和實體單元分別模擬座椅骨架和坐墊泡沫，為了更加真實地模擬乘員與座椅的相對運動關系，利用強制位移法進行坐墊壓縮，同時為了提高計算效率，只保留靠背骨架、坐墊泡沫和防下潛裝置等主要傳力件。

圖5 方向盤靜態剛度對比

圖6 轉向管柱靜態壓潰試驗與仿真模型

圖7 轉向管柱靜態壓潰特性對比

圖8 轉向管柱動態擊試驗與仿真模型

圖9 轉向管柱動態壓潰特性對比

為了提高乘員與座椅運動關系的仿真精度，對座椅整體進行了動態加載試驗(分別在坐墊的前、中、后位置以一定的速度垂直加載載荷到5 kN和10 kN，見圖10)，以驗證座椅子模型的有效性。通過調節泡沫材料中的KOCN、DAMP等關鍵字，使得仿真和試驗中的座椅整體剛度特性一致性較好(見圖11)。將座椅模型保存為一個有限元軟件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后續的乘員安全仿真。

圖10 座椅動態加載試驗與仿真模型

1.5 安全帶子模型的建立

安全帶采用1D單元與2D單元混合建模(見圖12)，其中與假人接觸的部分采用2D單元，在腰帶下固定點處建立彈簧單元以模擬安全帶松弛量和下固定點剛度特性。1D單元和2D單元材料分別用*MAT_SEATBELT，*MAT_ELASTIC關鍵字模擬。用*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTOR、*ELEMENT_ SEATBELT_ PRETENSIONER單元來分別模擬卷收器的卷收功能和預緊功能；用時間觸發傳感器來控制卷收器的限力和預緊器的預緊作用時刻，最終將安全帶模型保存為一個有限元軟件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后續的乘員安全仿真。

1.6 有限元假人模型

根據C-NCAP的規定，同時為了提高仿真精度，將50百分位的有限元商用假人模型按照該車試驗時的試驗假人狀態調整好姿態(見圖13)，利用Hypermesh保存為一個有限元軟件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后續的乘員安全仿真。

圖11 座椅動態剛度對比

圖12 安全帶子模型

圖13 有限元商用假人模型

2 乘員保護建模與驗證

在有限元軟件中，利用*INCLUDE關鍵字分別調用經過驗證的儀表內飾、安全氣囊、轉向系統、座椅、安全帶、車地板與風擋玻璃、有限元商用假人等子模型，為了提高計算效率，采用分區域剛度法來保證護膝板同等剛度的前提下，進一步簡化儀表板(見圖14)，座椅骨架與滑軌直接用Rigid單元連接起來(見圖14)。賦予假人試驗所測得的B柱下端X向加速度脈沖及重力場，設置好假人與安全氣囊、座椅、儀表板、安全帶，安全氣囊和風擋玻璃等的接觸特性，得到簡化的乘員保護的滑車模型(駕駛員側與乘員側分別見圖14(a)(b))。

圖14 有限元約束系統簡化模型

為了獲得更高精度的有限元約束系統仿真模型，需要對經過驗證的子模塊組成的有限元乘員保護滑車模型進行微調。按照正面碰撞過程中乘員與內飾的接觸順序為由下肢到頭部，故有限元約束系統模型的驗證順序遵循“由下至上”的原則[8]，但實際驗證順序為先卷收器出口力、腰帶力、肩帶力、髖部加速度，接著驗證大腿力、胸部加速度與壓縮量、頸部力、頭部加速度。因為保證了安全帶力和髖部加速度就能夠保證假人胸部和頭部響應的正確性[8]。經過不斷調節假人與內飾的接觸特性和摩擦因數，有限元仿真輸出的假人傷害數據和試驗測得的有著良好的吻合度(見圖15、圖16)。

圖15 駕駛員側假人損傷對比

圖16 乘員側假人損傷對比

根據以上假人關鍵部位的傷害對比可以知道:駕駛員側和乘員側的卷收器出口力在加載階段與試驗基本完全吻合。在卸載階段與試驗有一定的偏差，這是因為采取了線性卸載來簡化卷收器的卸載特性，從而導致了安全帶肩帶力在卸載階段與試驗有較大的差異。駕駛員側和乘員側的安全帶腰帶力、骨盆X向加速度均與試驗吻合度很好，骨盆Z向加速度較試驗提前，原因是為了避免座椅泡沫在計算過程中不穩定，將每個泡沫實體單元都進行了包殼處理，泡沫整體剛度偏大。但是二者的骨盆合成加速度、大腿力與試驗吻合度良好，因此假人的基本運動姿態受到的影響很小。駕駛員側與乘員側的胸部壓縮量和頭部X向加速度較試驗偏大，頸部張力趨勢與試驗吻合，但是峰值相差較遠，頭部加速度較試驗吻合度較差，原因是顆粒法在模擬安全氣囊的展開過程中數據穩定性較差，與試驗展開狀態存在較大差異。但是模型的整體吻合度達到了80%以上，完全達到了工程上的高精度模型的要求，可以作為后期工作的基礎模型。

3 結束語

針對目前汽車有限元乘員約束系統模型存在的計算效率低、建模復雜和可替換性差等問題，提出了一種基于模塊化思想的有限元約束系統建模方法，該方法能在40核的戴爾高性能工作站上8 h左右即完成有限元約束系統模型的計算，相比完整滑車有限元模型，大大提高了其仿真效率。以某車型為研究對象，分模塊建立了安全氣囊、儀表內飾、轉向系統和座椅等的簡化子模型并驗證了其有效性，實現了車型改進時的約束系統模型的可替換性。基于此搭建了汽車有限元簡化滑車模型，對比了正面碰撞所測得的假人傷害數據。結果表明：該種約束系統的建模方法可以獲得高精度的有限元約束系統仿真模型，為汽車企業有限元約束系統的開發提供了新思路。

[1] 唐亮，劉晉浩，程朋樂，等.乘員下潛傾向判斷準則的研究[J].汽車工程，2014，36(6)：694-698.

[2] 艾軍.基于正面碰撞副駕駛員防護的乘員約束系統優化研究[D].長沙：湖南大學，2011.

[3] 王志濤，喬鑫，孔繁華.正面碰撞中的乘員約束系統仿真分析與驗證[J].汽車與安全，2014(2)：100-107.

[4] 胡遠志，梁永福，蔣成約，等.人體有限元模型THUMS用于正面碰撞乘員損傷研究[J].汽車安全與節能學報，2015，4(6):379-383.

[5] 施盧丹，顏先華.駕駛員安全氣囊有限元模型建立及對標分析[J].公路與汽運，2015(4):10-13.

[6] 胡遠志，曾必強，謝書港.基于 LS-DYNA 和Hyperworks 的汽車安全仿真與分析[M].北京:清華大學出版社,2011:189-197.

[7] 全國汽車標準化技術委員會.GB 11557—2011 防止汽車轉向機構對駕駛員傷害的規定[S].

[8] 張學榮，劉學軍，蘇清祖.轎車乘員約束系統的試驗驗證及參數優化[J].中國機械工程，2008,19(10)：1254-1257.

(責任編輯 劉 舸)

High Precision Modeling method of Restraint System Based on Modularization

HU Yuanzhi1， PAN Hua1， FAN Shasha2， LIU Xi1， LUO Qinyue2， HUANG Jie1

(1.Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China；2.SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd.， Liuzhou 545007， China)

In order to improve the efficiency, accuracy and replaceability of finite element modeling of occupant restraint system, the accuracy of the simulation model and the replace ability, this paper proposed a high precision modeling method based on modularization. The restraint system of sub-module were built with finite element in INCLUDE files, and it was validated with component tests of airbag, steering wheel, steering column, seat, instrument panel and other parts. The restraint system model was established by directly called these sub-module INCLUDE files. Through comparing the simulation output with the test data of a certain 100% overlap frontal crash dummy injury data, it showed that the simulation results had a high accuracy with the verification of sub-module, and this modeling method was feasible.

modularization；INCLUDE file；frontal crash；restraint system；modeling method

2017-02-20

國家自然科學基金資助項目(51405050)；2015年重慶市重點產業共性關鍵技術創新專項(cstc2015zdcy-ztzx60010)；2015年重慶市基礎與前沿研究計劃資助項目 (cstc2015jcyjA00048)；2015年重慶市高等教育教學改革研究資助項目(152032)；2013年重慶市科技人才培養計劃(cstc2013kjrc-qnrc60002)；2012年汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室開放課題資助項目(2012KLMT08)

胡遠志(1977—)，男，博士，教授，巴渝學者，主要從事汽車主被動安全研究，E-mail:yuanzhihu@cqut.edu.cn；通訊作者 劉西(1977—)，女，博士，副教授，主要從事汽車主被動安全、人機工程研究，E-mail：liuxi@cqut.edu.cn。

胡遠志，潘華，凡沙沙，等.基于模塊化的約束系統高精度建模方法研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(7):1-11.

format：HU Yuanzhi，PAN Hua，FAN Shasha，et al.High Precision Modeling method of Restraint System Based on Modularization[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):1-11.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.001

U467.3

A

1674-8425(2017)07-0001-11