基于某SUV正碰臺車試驗的有限元建模仿真研究

馬健勝，郭樹文，鄭艷婷，卜曉兵

(中國汽車技術研究中心有限公司 天津300300)

0 引 言

隨著消費者安全意識的提高，汽車被動安全越來越受到重視，中國新車評價規程C-NCAP星級開發也逐漸成為車企、車型開發的重要目標。正面剛性壁障碰撞試驗是星級開發的重要組成部分，在《C-NCAP管理規則(2018年版)》評價規則[1]中，正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗滿分為20分，占到總分數的1/5。

C-NCAP評分評級主要是依據碰撞假人試驗各評分部位傷害值計算，約束系統開發是實現乘員保護的重要手段[2]。約束系統開發內容包括匹配安全帶、安全氣囊、座椅、壓潰式轉向管柱的性能，目的是減小由于車輛一次碰撞導致的乘員與車體的二次碰撞，使其達到乘員保護開發目標。

整車試驗準備周期長，成本高。約束系統開發一般是通過計算機仿真模擬與臺車試驗來確定、驗證匹配方案，最后在整車摸底試驗中驗證約束系統性能。

本文基于某SUV的臺車正碰模擬試驗，建立乘員側約束系統有限元模型，用LS-DYNA求解器進行計算。從假人各部位傷害曲線、C-NCAP(2018年版)各部位得分和假人運動姿態3個方面，對比分析了有限元模型計算結果與臺車試驗測量值，驗證了該有限元模型的有效性，為后續SUV約束系統優化提供基礎。

1 臺車試驗

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

該試驗中，臺車試驗波形采用整車摸底試驗中左B柱下加速度傳感器采集的X向加速度，作為臺車試驗的輸入。臺車試驗按照整車試驗中假人H點與假人姿態擺放假人，座椅和假人盡量復現整車摸底試驗中的狀態(圖1)。氣囊和安全帶預緊的點爆時間與整車摸底試驗一致。試驗主要需要注意以下幾個方面：假人擺放姿態，試驗前測量、攝像、拍照，試驗后測量。

試驗前，用3D坐標儀記錄假人頭部質心位置、肩關節、膝關節、腳跟與地毯接觸點等關鍵點的位置坐標，并記錄掃描假人擺放的輪廓線，臺車試驗中的坐標系以白車身車門鎖扣上螺絲釘的位置為坐標原點。使用3D測量裝置記錄假人和座椅的精確位置并直接轉換為位置信息保存到計算機中。記錄的位置信息盡量詳細，以在計算機中精確復現所有假人活動關節和座椅。記錄所有相關零件的狀態，包括座椅姿態，轉向管柱角度、上下調整位置、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；錨點位置。在臺車兩側和滑車車頂各放置一個隨車攝像機，以記錄假人運動姿態和氣囊展開狀態。

圖1 臺車試驗前坐椅和假人狀態圖Fig.1 Status before sled test

試驗前測量記錄假人所有的部件位置姿態，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。試驗后最重要的過程是立即記錄那些可能會因為試驗程序而消失的試驗狀態，比如假人姿態、安全帶狀態等。保留試驗后的所有部件，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，比如座椅結構、氣囊泄氣孔大小等。試驗中安全帶和氣囊采用外部控制點火的方式，安全帶和氣囊的配置和點爆時間如表1所示。

表1 臺車試驗約束系統參數Tab.1 Parameters of restraint system

2 有限元模型建立

2.1 約束系統有限元模型組成

約束系統有限元模型主要由各個子系統構成，子系統分別設置節點編號范圍，設置各個子系統之間的連接。子系統與滑臺試驗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、轉向管柱、三踏板、地毯、IP橫梁等。完整的約束系統如圖2所示。

圖2 約束系統模型組成Fig.2 Composition of restraint system

模型各個子系統采用include方式進行管理，include系統中還包括其他非實際模塊中的模型，主要包括：參數系統文件、鏈接文件、接觸文件、工況控制文件，邊界條件文件。

各個include文件要保證子系統ID具有唯一性，各個子系統的ID不能沖突。每個include文件都應該有相應的ID范圍。約束系統各個子系統之間用rigid patch剛性片進行連接。下面就對各個子系統分別做說明。

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。臺車試驗中測量的假人坐標以車門鎖扣上螺絲釘的位置為原點，整車模型中的坐標以前輪中心線中點為原點，將試驗中測量的關節坐標轉換為整車坐標。用primer軟件將假人模型按照機械運動關系擺放到H點位置并調整軀干和四肢的姿態，使頭部、肩部、膝部、腳跟與地毯交點等關鍵位置坐標與試驗中擺放的位置坐標一致，以使有限元假人擺放姿態與試驗中假人姿態盡量一致。假人擺放過程中，左右大腿、腰、胸部、頭頸的擺放位置參數變化會造成假人自身網格的穿透，因此調整假人以上部位后，需要首先進行假人預模擬計算。假人擺放好位置后，用假人自帶的pre-simulation進行假人預模擬計算，消除假人由于擺放姿態造成的自身網格穿透。假人預模擬前后對比如圖3所示，用假人預模擬計算輸出的dynain結果，替換原來假人的節點坐標。

圖3 假人預模擬前后對比Fig.3 Status comparison of pre/post-simulation for dummy

2.3 座椅模型

假人在安置于H點位置后一定會與座椅泡沫有穿透，因此需要將該穿透移除。本文采用DYNA計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行剛性化，加強制位移使假人剛性皮膚運動到H點指定位置，這就使座椅有了變形。輸出計算結果的dynain文件，替換原來座椅模型中的坐標點，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計算的方式具有以下優點：座椅中的桿系框架也可以計算出變形，不僅是座椅發泡變形；不但與實際變形模式更加吻合，而且可以計算出發泡初始應力。缺點是計算時間較長。

2.4 安全帶模型

安全帶建模是約束系統建模的難點與重點，安全帶也是在碰撞試驗中保護乘員的最關鍵部件之一。本文采用三點式安全帶，具有預緊和限力功能。安全帶預緊功能，可以在車輛碰撞開始時，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過高，過高會導致胸壓增大[3]。

安全帶建模使用primer軟件的seatbelt功能，定義安全帶、滑環、卷收器的有限元模型，可以設置實現安全帶的限力、預緊等功能[4]。

安全帶貼合假人的過程也在primer軟件中實現。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、假人胸部、鎖扣、假人腹部、固定點位置；定義安全帶上特殊位置的屬性，比如卷收器、滑環、固定點；貼合安全帶；定義安全帶的part和材料屬性[5]；對建立的卷收器、滑環等屬性進行修正，使安全帶限力、預緊曲線賦予正確；設置安全帶和假人、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。在計算過程中，不能出現安全帶過度扭曲等不符合試驗現象的情況，這樣才能保證腰帶力、肩帶力計算的準確性。

圖5 安全帶模型Fig.5 FE model of seatbelt

2.5 白車身模型

臺車模型不需要從零開始建立白車身，本文中從整車結構耐撞性模型中提取從A柱到B柱之間的模型(圖6)，對白車身進行鋼化。

正碰滑車約束系統的邊界條件施加比較簡單，使用BOUNDARY PRESCRIBED MOTION在白車身剛體上施加X向的邊界條件，與臺車試驗輸入波形保持一致。

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。

剛柔轉換功能在約束系統中主要應用于氣囊，在氣囊未點爆前將其轉換為剛形體，并將接觸關閉，以減少接觸計算時間，并保持氣囊不會隨意運動。

氣囊模型的對標質量對保證約束系統模型的準確性非常重要。氣囊試驗主要包括Tank試驗、氣囊靜態點爆、氣囊動態沖擊試驗。Tank試驗即壓力容器試驗，是發生器在密閉容器中起爆，以此來確定有限元氣囊模型中發生器的質量流與溫度流的準確性。調整發生器模型的質量流、溫度流、氣體成分占比，使模擬的p-t(壓力-時間曲線)曲線與Tank試驗采集的p-t曲線一致。在經過Tank試驗對標好發生器的參數后，對氣囊進行靜態點爆與動態沖擊試驗(圖7)，調整織布泄氣性、排氣孔的定義，來使模型模擬與試驗沖擊頭的加速度曲線一致。由此氣囊對標完成，裝配到約束系統模型中進行計算。氣囊模型完全展開狀態如圖8所示。

由此，該SUV約束系統模型已經搭建完成，如圖9所示。

圖7 氣囊動態沖擊試驗Fig.7 Airbag dynamic impact test

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

圖9 SUV約束系統模型Fig.9 Restraint system model of a SUV

3 模型對標

3.1 傷害曲線試驗與模擬對比

根據《C-NCAP管理規則(2018年版)》，正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗共20分，其中前排假人最高分數為16分，評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對標過程中，首先調整安全帶的限力曲線、預緊曲線、延伸率曲線，使安全帶帶力表現與試驗帶力傳感器采集的曲線表現一致(圖10)。約束系統有限元模型計算結果與臺車試驗各部位的傷害曲線對比，如圖11～圖15所示，其中實線為臺車試驗測量曲線，虛線為有限元模型計算曲線。由假人各部位傷害曲線對比可見，仿真曲線與試驗曲線峰值時刻與峰值大小基本吻合，吻合度在可接受的范圍內，證明了該有限元約束系統模型DYNA計算結果的可靠性。

3.2 運動姿態對比

分別截取0、40、80、100ms不同時刻下模擬計算結果與試驗假人的運動姿態，動畫對比如圖16所示，可見模擬計算結果與臺車試驗中假人運動姿態基本一致。安全帶13ms點爆開始預緊，氣囊18ms點爆，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對比Fig.1 1 Head Acc X、Acc resultant comparison

圖12 頸部剪切力Fx、張力Fz仿真試驗對比Fig.1 2 Neck upper force Fx、Fz comparison

圖13 胸部傷害仿真試驗對比Fig.1 3 Chest injury data comparison

圖14 骨盆傷害仿真試驗對比Fig.1 4 Pelvis injury data comparison

圖15 大腿壓縮力、膝滑移仿真試驗對比Fig.1 5 Femur force Z and Knee slider defelction data comparison

3.3 試驗與模擬得分對比

由C-NCAP2018年版評分規則，主要從頭部、頸部、胸部、大腿、小腿5個方面對該SUV臺車和約束系統模型進行評分對比。其中小腿部位評分采用試驗值，滿分為16分，結果顯示：該SUV正碰臺車副駕試驗得分為14.21分，約束系統模擬計算得分為14.616分，具體各部位分值對比如表2所示。頭部、頸部、大腿部試驗與模擬均為滿分，試驗中胸部壓縮變形量比模擬計算結果大。模擬評分結果與試驗分值基本一致。

圖16 仿真與試驗動畫對比Fig.1 6Animation comparison between simulation and test

4 結 論

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

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

從假人各考察部位傷害曲線、假人運動姿態和C-NCAP2018年版評價規則評分3個方面，對比了模型計算結果與臺車試驗中假人的表現。驗證了該SUV有限元模型的有效性，為后續約束系統優化提供了基礎。