基于ANSYS/LS-DYNA輪椅車(chē)碰撞仿真測(cè)試研究

李耀東，王志明，唐志遠(yuǎn)

(1. 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200233； 2. 上海大學(xué) 精密機(jī)械工程系，上海 200072)

0 引言

已于2015年7月1日起實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《輪椅車(chē) 第19部分：可作機(jī)動(dòng)車(chē)座位的輪式移動(dòng)裝置》GB/T 18029.19-2014等同于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7176-19:2008，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)輪椅車(chē)乘坐者保護(hù)系統(tǒng)的座椅部分做出說(shuō)明。輪椅有效的穩(wěn)固性需要機(jī)動(dòng)車(chē)的系固系統(tǒng)和輪椅車(chē)的安全系統(tǒng)相結(jié)合。標(biāo)準(zhǔn)要求將輪椅車(chē)正面朝前放置在碰撞滑車(chē)中，并放置合適尺寸的ATD(擬人實(shí)驗(yàn)裝置 anthropomorphic test device)。按照防撞性能的要求，通過(guò)WTORS(輪椅車(chē)系固和乘坐者安全限位系統(tǒng)wheelchair tie-down and occupant-restraint system)將輪椅車(chē)進(jìn)行固定并對(duì)ATD進(jìn)行限位。碰撞滑車(chē)受到加減速?zèng)_量的影響，其可以實(shí)現(xiàn)48 km/h的縱向速度變化，該沖量可以用加速度相對(duì)時(shí)間曲線圖中的包絡(luò)圖體現(xiàn)。可用高速攝影或其他測(cè)試設(shè)備對(duì)測(cè)試中和測(cè)試結(jié)束后的輪椅以及在動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下的輪椅車(chē)錨式帶型安全限位系統(tǒng)分別進(jìn)行評(píng)估和測(cè)量。為了檢測(cè)輪椅車(chē)碰撞過(guò)程中的系固強(qiáng)度和安全性能，研制一種符合標(biāo)準(zhǔn)的輪椅車(chē)碰撞測(cè)試設(shè)備的意義重大。設(shè)備的關(guān)鍵是由于吸能部件的作用使輪椅車(chē)碰撞后的加速度曲線能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。下面對(duì)輪椅車(chē)的總體與吸能部件的設(shè)計(jì)做一下敘述。

1 輪椅車(chē)沖擊試驗(yàn)機(jī)的總體設(shè)計(jì)

依據(jù)對(duì)碰撞標(biāo)準(zhǔn)分析可以得出：將ATD固定于測(cè)試輪椅車(chē)上，輪椅車(chē)通過(guò)WTORS系統(tǒng)系固在一個(gè)剛性平臺(tái)上，剛性平臺(tái)沿著指定的直線方向以一個(gè)規(guī)定速度(48 km/h)碰撞到壁障上，碰撞過(guò)程的減速度波形必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

要使試驗(yàn)機(jī)達(dá)到規(guī)定速度(48 km/h)，需要?jiǎng)恿恳c傳動(dòng)系統(tǒng)。本文中動(dòng)力牽引與傳動(dòng)系統(tǒng)使用直流電機(jī)通過(guò)摩擦繩摩擦傳動(dòng)帶動(dòng)平臺(tái)加速到規(guī)定速度。系統(tǒng)整體布置如圖1所示。方案設(shè)計(jì)好后，需確定鋼絲繩的走線布置，確保鋼絲繩摩擦傳動(dòng)能順利進(jìn)行。該碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要包括：導(dǎo)軌、碰撞平臺(tái)及輪椅車(chē)、水平限位裝置、高度限位裝置等。

1—導(dǎo)軌；2—碰撞平臺(tái)及輪椅車(chē)；3—水平限位裝置； 4—高度限位裝置；5—直流電機(jī)及轉(zhuǎn)鼓；6—電動(dòng)缸張緊裝置； 7—碰撞壁障；8—手動(dòng)張緊裝置。 圖1 系統(tǒng)整體布置方式

碰撞臺(tái)車(chē)在碰撞前瞬間速度須達(dá)到(48±2)km/h。為了確保減速過(guò)程的加速度波形滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，碰撞減速裝置臺(tái)車(chē)端部的薄壁吸能管，碰撞后能有效地模擬臺(tái)車(chē)減速的過(guò)程。利用仿真試驗(yàn)可以方便地研究各類(lèi)參數(shù)對(duì)碰撞加速度波形的影響，仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際碰撞試驗(yàn)要求的達(dá)成有較大的參考意義。

2 基于ANSYS/LS-DYNA的碰撞波形的仿真過(guò)程

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，碰撞試驗(yàn)所需的加速度/減速度的要求是，減速過(guò)程中減速度a>20g，時(shí)間>15ms，a>15g，時(shí)間>40ms，減速持續(xù)過(guò)程≥75ms。仿真分析的目的在于為實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)使用的圓柱殼規(guī)格參數(shù)、數(shù)量、布置形式等作一個(gè)初步判斷，仿真分析的結(jié)果可用于實(shí)車(chē)的實(shí)際初始布置方案，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證仿真分析的有效性。仿真過(guò)程第1步要定義單元類(lèi)型及材料屬性，輪椅車(chē)碰撞試驗(yàn)是通過(guò)焊接到臺(tái)車(chē)上的鋼管塑性變形來(lái)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(duì)被分析對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于剛體在仿真計(jì)算中不產(chǎn)生變形，故兩個(gè)剛體的網(wǎng)格劃分采用默認(rèn)體網(wǎng)格劃分映射網(wǎng)絡(luò)即可[2-3]。劃分殼單元網(wǎng)格時(shí)，手動(dòng)設(shè)置網(wǎng)格長(zhǎng)度尺寸為0.005，再通過(guò)面劃分映射網(wǎng)格。第3步要定義接觸面及約束，根據(jù)運(yùn)行特性將殼單元底部距離剛性平臺(tái)最近的節(jié)點(diǎn)建立成一個(gè)Component，再通過(guò)約束中的extra-node-set將其添加到剛體單元上后即可模擬出實(shí)際的連接效果[3-4]。第4步是加載與求解。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求剛性平臺(tái)碰撞前的速度為48 km/h，將碰撞平臺(tái)及輪椅車(chē)添加一個(gè)初速度即可。最后保存成K文件輸出到LS-DYNA Solver求解即可。設(shè)置完成后，運(yùn)行就可以得到結(jié)果。下面對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，由于篇幅有限，只列了85 ms終止時(shí)的應(yīng)力圖及整個(gè)過(guò)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(jié)果幾乎可以滿足標(biāo)準(zhǔn)中的減速度要求，但是從仿真過(guò)程應(yīng)力圖可以看出，在減速的最后階段，吸能管壓縮變形嚴(yán)重，材料進(jìn)入破壞模式后，仿真效果不佳，特別是碰撞后期，結(jié)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(huì)減小，仿真結(jié)果也更可靠。

圖2 85 ms終止時(shí)刻應(yīng)力圖

圖3 初始方案剛體平臺(tái)的加速度波形

改變吸能管布局，增加1根長(zhǎng)300mm的吸能管后，仿真試驗(yàn)其他參數(shù)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(jié)束狀態(tài)時(shí)的等效應(yīng)力圖。圖5為仿真加速度波形。

圖4 4根吸能管時(shí)的碰撞結(jié)束時(shí)刻應(yīng)力圖

圖5 4根吸能管時(shí)的碰撞加速度波形

從應(yīng)力圖中可以看出，當(dāng)增加1根管后，由于吸能管的數(shù)量增多，而碰撞初始能量沒(méi)變化，吸能能力增強(qiáng)，吸能結(jié)束狀態(tài)時(shí)吸能管的變形程度比3根吸能管時(shí)要小很多。考慮應(yīng)變率的影響，采用4根管的仿真結(jié)果將會(huì)比3根管與實(shí)際情況更相符，故最終仿真模型采用4根管。

3 輪椅車(chē)沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證

上述仿真結(jié)果的有效性最終需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，在某研究機(jī)構(gòu)的碰撞試驗(yàn)室進(jìn)行了臺(tái)車(chē)的碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)室及設(shè)備如圖6所示。臺(tái)車(chē)加上配重后達(dá)到需要的1 000kg，吸能管焊接在臺(tái)車(chē)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(wěn)受力，在吸能管碰撞前端焊接了一塊薄鋼板。臺(tái)車(chē)碰撞初始速度設(shè)置為(48±2)km/h，即碰撞前瞬間臺(tái)車(chē)要保持該速度，整個(gè)碰撞試驗(yàn)流程如標(biāo)準(zhǔn)要求所定。

圖6 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

經(jīng)過(guò)以上各類(lèi)仿真試驗(yàn)后，綜合考慮管的數(shù)量、壁厚、長(zhǎng)度、布置方式，多次試驗(yàn)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(shù)如下：圓管1，長(zhǎng)度為700mm，外徑114mm，壁厚1.2mm；圓管2，長(zhǎng)度為500mm，外徑114mm，壁厚1.5mm；圓管3，長(zhǎng)度為400mm，外徑114mm，壁厚1.5mm；圓管4，長(zhǎng)度為350mm，外徑114mm，壁厚1.2mm。碰撞各個(gè)階段的應(yīng)力云圖如圖7所示，碰撞平臺(tái)減速度波形如圖 8所示。

圖7 碰撞各階段的應(yīng)力云圖

圖8為最終方案的仿真加速度波形曲線圖，對(duì)于國(guó)標(biāo)規(guī)定的加速度要求(a>20g持續(xù)15ms，a>15g持續(xù)40ms，Δt>75ms)，仿真結(jié)果都能滿足要求。與此同時(shí)，加速度增大的過(guò)程較平穩(wěn)，相對(duì)沖擊較小，吸能管能較好地發(fā)揮緩沖吸能效果；在加速過(guò)程后段，加速度突變也不明顯，理論上看總體仿真效果不錯(cuò)，據(jù)此進(jìn)行實(shí)際臺(tái)車(chē)的碰撞試驗(yàn)。

圖8 最終仿真剛體平臺(tái)的加速度波形

圖9所示為碰撞臺(tái)車(chē)以48km/h 的初始速度與剛性壁障碰撞后，臺(tái)車(chē)的仿真加速度曲線與實(shí)車(chē)碰撞曲線的對(duì)比情況。從圖中可以看出，對(duì)于國(guó)標(biāo)規(guī)定的加速度要求，

上升階段的臺(tái)車(chē)仿真加速度與實(shí)車(chē)加速度曲線的走勢(shì)大體一致，且都能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，擬合效果較好，后段對(duì)波形的整體趨勢(shì)影響不大。由此可知，臺(tái)車(chē)仿真試驗(yàn)比較可靠，能夠有效再現(xiàn)實(shí)車(chē)正面碰撞的加速度曲線波形。仿真分析過(guò)程不能考慮局部破壞對(duì)模型剛度的弱化作用，這是造成臺(tái)車(chē)碰撞仿真與臺(tái)車(chē)實(shí)際碰撞試驗(yàn)加速度曲線出現(xiàn)偏差的主要原因。

圖9 臺(tái)車(chē)仿真與實(shí)車(chē)試驗(yàn)的加速度波形對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

按照輪椅車(chē)碰撞試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)輪椅車(chē)碰撞試驗(yàn)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。重點(diǎn)說(shuō)明牽引機(jī)構(gòu)(達(dá)到48km/h的碰撞速度)的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)臺(tái)車(chē)碰撞緩沖裝置進(jìn)行初步設(shè)計(jì)；采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行了仿真與優(yōu)化，最后用實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果。試驗(yàn)表明：仿真研究很好地優(yōu)化了吸能結(jié)構(gòu)，為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的減速度提供了堅(jiān)實(shí)的理論保障，實(shí)施后整個(gè)設(shè)備穩(wěn)定、可靠，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)檢測(cè)行業(yè)非標(biāo)設(shè)備的研發(fā)有重大意義。