基于模块化的约束系统高精度建模方法研究

胡远志，潘 华，凡沙沙，刘 西，罗覃月，黄 杰

(1.重庆理工大学， 重庆 400054； 2.上汽通用五菱汽车股份有限公司， 广西 柳州 545007)



基于模块化的约束系统高精度建模方法研究

胡远志1，潘 华1，凡沙沙2，刘 西1，罗覃月2，黄 杰1

(1.重庆理工大学， 重庆 400054； 2.上汽通用五菱汽车股份有限公司， 广西 柳州 545007)

为了提高汽车有限元乘员约束系统的建模效率、仿真精度及模型可替换性，提出了一种基于模块化的约束系统建模方法。基于安全气囊、方向盘、转向管柱、座椅、仪表板等零部件冲击试验，建立了某车的有限元约束系统子模块的INCLUDE文件。通过直接调用这些子模块INCLUDE文件，建立简化的约束系统模型。对比计算机仿真输出与正面100%重叠刚性壁障碰撞试验获得的假人伤害数据，结果表明：通过验证的模块化子模型组建简化的约束系统模型可以获得高精度的仿真结果。从而验证了该方法的可行性。

模块化；INCLUDE文件；正面碰撞；约束系统；建模方法

约束系统的开发主要是利用MADYMO软件，采用多刚体系统动力学的方法，具有建模效率高、计算时间短的特点，但是该方法不能直观地模拟碰撞过程中车内乘员与车体结构特征的详细响应特性。随着计算机技术的飞速发展和非线性有限元理论研究的成熟，有限元法已经逐渐应用到汽车乘员约束系统仿真分析中，有着取代多体系统动力学方法的趋势。唐亮、周青等[1]利用有限元法对乘员下潜倾向的准则进行了研究，提出了LBOP(腰带在骨盆上的相对位置)和IMFR(髂骨所受力矩与力的比值)两个准则；艾军[2]利用有限元法建立了副驾驶员侧的约束系统有限元模型，并利用试验设计的方法对其进行了参数优化；王志涛等[3]利用有限元法对某车在正面碰撞中的乘员约束系统进行了仿真分析与试验验证，结果表明：应用有限元法进行约束系统仿真分析能够比较真实地反映出碰撞试验的结果，具有广泛的推广价值和工程意义。

本文引入模块化的思想，基于汽车乘员约束系统的零部件试验和整车正面碰撞试验，建立有限元约束系统各子模块的INCLUDE文件，以此组建简化的高精度约束系统仿真模型，解决有限元约束系统仿真模型的高精度与计算效率相矛盾以及约束系统子模型可替换性的问题。

1 有限元约束系统子模型的建立与验证

汽车乘员约束系统主要包括仪表板、安全气囊、转向管柱、座椅、安全带以及风挡玻璃等[4]，其几何特性和性能特性是有限元约束系统仿真分析所关注的焦点。

1.1 仪表内饰子模型的建立与验证

在汽车碰撞过程中，膝盖和小腿会与仪表内饰发生接触，所以汽车所装配的仪表内饰应当具有合适的硬度和柔软性，以便吸收碰撞过程中的冲击能量，降低车内乘员腿部的伤害。

为了提高有限元仿真过程中乘员腿部伤害仿真的精度，基于碰撞过程中车内乘员腿部的响应情况，在仪表内饰驾驶员侧和乘员侧选取了一些典型的参考点进行了仪表板动态冲击试验，即以一定的速度垂直冲击护膝板，绘制出相应的载荷与位移的关系曲线，以便对仪表板有限元子模型进行验证。保留仪表板内饰中的主要受力件以简化仪表板子模型，并将冲击点附近加强筋等细化，建立仪表板动态冲击试验的仿真模型，如图1所示。单独建立冲击块与仪表板的接触控制卡片，将soft设定为1，在0.1～0.35范围内调节摩擦因数FS、FD，使得仿真结果与试验中仪表内饰响应加速度曲线的一致性较好，如图2所示。以上结果说明：简化的仪表板模型是经过试验验证的独立模块(子模型)，可以保存为一个有限元软件LS-DYNA的INCLUDE文件用于后续的乘员安全仿真。

图1 仪表板动态冲击试验与仿真模型

图2 仪表内饰响应加速度曲线

1.2 安全气囊子模型的建立与验证

安全气囊主要由气袋、气体发生器等组成[4]。目前，均压法因计算效率高、数据稳定而在工程上得到应用[5]。然而颗粒法可以准确模拟气囊展开阶段气流的高速运动，可保证其与方向盘、挡风玻璃等的接触响应过程与整车试验一致，故本文采用颗粒法模拟。根据所给图纸画好气囊几何外形图并进行网格离散，在Primer软件中将气囊有限元模型折叠好。在关键字*AIRBAG_PARTICLE中设置气体发生器的性能参数以模拟安全气囊的充气特性。气袋织布采用LS-DYNA中的*MAT_34材料模拟。为了保证仿真精度，需要在气袋材料卡片中定义气孔的泄气系数X2和织布的泄气率曲线FAC，并设定气囊自接触的接触厚度SST至少为10倍的织布厚度，同时对安全气囊子模型进行动态冲击特性的验证(见图3)。通过调节气孔泄气系数和织布泄气率函数曲线，使仿真与试验中的安全气囊特性相符。将气囊模型保存为一个有限元软件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后续的乘员安全仿真。

图3 安全气囊动态特性验证

1.3 转向系统子模型的建立与验证

由于在正面碰撞过程中驾驶员的胸部可能会接触到方向盘，为了增加驾驶员的生存空间，轿车几乎都配置了压溃式转向管柱。对于乘员约束系统仿真分析，转向系统的有限元模型只需简化为方向盘和转向管柱即可，转向管柱简化为内外套筒，其压溃特性用滑移柱铰和具有实际转向管柱的压溃力-位移关系一致的曲线来模拟[6]。由于驾驶员侧的接触关系比较复杂，为了提高仿真精度，需进行方向盘的静态加载试验(分别在方向盘的6点钟方向和12点钟方向施加载荷，绘制出力-位移关系曲线，见图4和图5)和转向管柱的静态加载试验(将转向管柱固定，在转向管柱上端轴向施加载荷，绘制出压溃力-位移关系曲线，见图6、7)、动态冲击试验(参考GB11557—2011进行试验[7]，见图8)，以便验证转向系统子模型的有效性。通过先6点钟方向再12点钟方向对标、静态压溃试验曲线作为非线性弹簧的刚度曲线以及将静态压溃曲线按一定的系数缩放等，分别使得仿真与试验中的方向盘静态刚度特性、转向管柱静态压溃特性与动态压溃特性一致性较好(见图5、图7、图9)。将转向系统模型保存为一个有限元软件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后续的乘员安全仿真。

图4 方向盘静态加载试验与仿真模型

1.4 座椅子模型的建立与验证

汽车座椅是汽车的重要组成部分，其性能的好坏直接影响着车内乘员的安全。座椅一般由金属骨架和泡沫组成。在正面碰撞过程中，座椅会存在下潜和前翻的风险，这对车内乘员的伤害有较大的影响。而泡沫具有典型的非线性力学特性，目前还没有一种准确的本构模型来较好地模拟其力学响应,故在一般情况下仅对座椅表面赋予一定的运动关系来近似模拟[6]。基于此，座椅有限元子模型采用壳单元和实体单元分别模拟座椅骨架和坐垫泡沫，为了更加真实地模拟乘员与座椅的相对运动关系，利用强制位移法进行坐垫压缩，同时为了提高计算效率，只保留靠背骨架、坐垫泡沫和防下潜装置等主要传力件。

图5 方向盘静态刚度对比

图6 转向管柱静态压溃试验与仿真模型

图7 转向管柱静态压溃特性对比

图8 转向管柱动态击试验与仿真模型

图9 转向管柱动态压溃特性对比

为了提高乘员与座椅运动关系的仿真精度，对座椅整体进行了动态加载试验(分别在坐垫的前、中、后位置以一定的速度垂直加载载荷到5 kN和10 kN，见图10)，以验证座椅子模型的有效性。通过调节泡沫材料中的KOCN、DAMP等关键字，使得仿真和试验中的座椅整体刚度特性一致性较好(见图11)。将座椅模型保存为一个有限元软件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后续的乘员安全仿真。

图10 座椅动态加载试验与仿真模型

1.5 安全带子模型的建立

安全带采用1D单元与2D单元混合建模(见图12)，其中与假人接触的部分采用2D单元，在腰带下固定点处建立弹簧单元以模拟安全带松弛量和下固定点刚度特性。1D单元和2D单元材料分别用*MAT_SEATBELT，*MAT_ELASTIC关键字模拟。用*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTOR、*ELEMENT_ SEATBELT_ PRETENSIONER单元来分别模拟卷收器的卷收功能和预紧功能；用时间触发传感器来控制卷收器的限力和预紧器的预紧作用时刻，最终将安全带模型保存为一个有限元软件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后续的乘员安全仿真。

1.6 有限元假人模型

根据C-NCAP的规定，同时为了提高仿真精度，将50百分位的有限元商用假人模型按照该车试验时的试验假人状态调整好姿态(见图13)，利用Hypermesh保存为一个有限元软件LS-DYNA的INCLUDE文件(子模型)，用于后续的乘员安全仿真。

图11 座椅动态刚度对比

图12 安全带子模型

图13 有限元商用假人模型

2 乘员保护建模与验证

在有限元软件中，利用*INCLUDE关键字分别调用经过验证的仪表内饰、安全气囊、转向系统、座椅、安全带、车地板与风挡玻璃、有限元商用假人等子模型，为了提高计算效率，采用分区域刚度法来保证护膝板同等刚度的前提下，进一步简化仪表板(见图14)，座椅骨架与滑轨直接用Rigid单元连接起来(见图14)。赋予假人试验所测得的B柱下端X向加速度脉冲及重力场，设置好假人与安全气囊、座椅、仪表板、安全带，安全气囊和风挡玻璃等的接触特性，得到简化的乘员保护的滑车模型(驾驶员侧与乘员侧分别见图14(a)(b))。

图14 有限元约束系统简化模型

为了获得更高精度的有限元约束系统仿真模型，需要对经过验证的子模块组成的有限元乘员保护滑车模型进行微调。按照正面碰撞过程中乘员与内饰的接触顺序为由下肢到头部，故有限元约束系统模型的验证顺序遵循“由下至上”的原则[8]，但实际验证顺序为先卷收器出口力、腰带力、肩带力、髋部加速度，接着验证大腿力、胸部加速度与压缩量、颈部力、头部加速度。因为保证了安全带力和髋部加速度就能够保证假人胸部和头部响应的正确性[8]。经过不断调节假人与内饰的接触特性和摩擦因数，有限元仿真输出的假人伤害数据和试验测得的有着良好的吻合度(见图15、图16)。

图15 驾驶员侧假人损伤对比

图16 乘员侧假人损伤对比

根据以上假人关键部位的伤害对比可以知道:驾驶员侧和乘员侧的卷收器出口力在加载阶段与试验基本完全吻合。在卸载阶段与试验有一定的偏差，这是因为采取了线性卸载来简化卷收器的卸载特性，从而导致了安全带肩带力在卸载阶段与试验有较大的差异。驾驶员侧和乘员侧的安全带腰带力、骨盆X向加速度均与试验吻合度很好，骨盆Z向加速度较试验提前，原因是为了避免座椅泡沫在计算过程中不稳定，将每个泡沫实体单元都进行了包壳处理，泡沫整体刚度偏大。但是二者的骨盆合成加速度、大腿力与试验吻合度良好，因此假人的基本运动姿态受到的影响很小。驾驶员侧与乘员侧的胸部压缩量和头部X向加速度较试验偏大，颈部张力趋势与试验吻合，但是峰值相差较远，头部加速度较试验吻合度较差，原因是颗粒法在模拟安全气囊的展开过程中数据稳定性较差，与试验展开状态存在较大差异。但是模型的整体吻合度达到了80%以上，完全达到了工程上的高精度模型的要求，可以作为后期工作的基础模型。

3 结束语

针对目前汽车有限元乘员约束系统模型存在的计算效率低、建模复杂和可替换性差等问题，提出了一种基于模块化思想的有限元约束系统建模方法，该方法能在40核的戴尔高性能工作站上8 h左右即完成有限元约束系统模型的计算，相比完整滑车有限元模型，大大提高了其仿真效率。以某车型为研究对象，分模块建立了安全气囊、仪表内饰、转向系统和座椅等的简化子模型并验证了其有效性，实现了车型改进时的约束系统模型的可替换性。基于此搭建了汽车有限元简化滑车模型，对比了正面碰撞所测得的假人伤害数据。结果表明：该种约束系统的建模方法可以获得高精度的有限元约束系统仿真模型，为汽车企业有限元约束系统的开发提供了新思路。

[1] 唐亮，刘晋浩，程朋乐，等.乘员下潜倾向判断准则的研究[J].汽车工程，2014，36(6)：694-698.

[2] 艾军.基于正面碰撞副驾驶员防护的乘员约束系统优化研究[D].长沙：湖南大学，2011.

[3] 王志涛，乔鑫，孔繁华.正面碰撞中的乘员约束系统仿真分析与验证[J].汽车与安全，2014(2)：100-107.

[4] 胡远志，梁永福，蒋成约，等.人体有限元模型THUMS用于正面碰撞乘员损伤研究[J].汽车安全与节能学报，2015，4(6):379-383.

[5] 施卢丹，颜先华.驾驶员安全气囊有限元模型建立及对标分析[J].公路与汽运，2015(4):10-13.

[6] 胡远志，曾必强，谢书港.基于 LS-DYNA 和Hyperworks 的汽车安全仿真与分析[M].北京:清华大学出版社,2011:189-197.

[7] 全国汽车标准化技术委员会.GB 11557—2011 防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定[S].

[8] 张学荣，刘学军，苏清祖.轿车乘员约束系统的试验验证及参数优化[J].中国机械工程，2008,19(10)：1254-1257.

(责任编辑 刘 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

国家自然科学基金资助项目(51405050)；2015年重庆市重点产业共性关键技术创新专项(cstc2015zdcy-ztzx60010)；2015年重庆市基础与前沿研究计划资助项目 (cstc2015jcyjA00048)；2015年重庆市高等教育教学改革研究资助项目(152032)；2013年重庆市科技人才培养计划(cstc2013kjrc-qnrc60002)；2012年汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室开放课题资助项目(2012KLMT08)

胡远志(1977—)，男，博士，教授，巴渝学者，主要从事汽车主被动安全研究，E-mail:yuanzhihu@cqut.edu.cn；通讯作者 刘西(1977—)，女，博士，副教授，主要从事汽车主被动安全、人机工程研究，E-mail：liuxi@cqut.edu.cn。

胡远志，潘华，凡沙沙，等.基于模块化的约束系统高精度建模方法研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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