應用MADYMO進行新型約束系統部件的開發

2013-06-22 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

來源:CAD/CAM與制造業信息化
關鍵字:MADYMO 充氣氣墊 OOP 仿真模型

安全帶和安全氣囊在乘用車上的廣泛普及,極大的減小了交通事故中乘員的傷亡,降低了乘員的傷害指數。然而,在離位(OOP)狀況下,安全氣囊的展開往往可能對乘員,特別是兒童和小身材女性造成傷害。安全帶由于其帶體較窄,與人體的接觸面積較小,在沒有限力裝置的情況下,極易造成人體體表淤傷甚至胸骨骨折。本文提出了一種可充氣式氣墊,經折疊后可縫制在安全帶肩帶上,當碰撞發生后,這個氣墊充氣并展開,在安全氣囊與安全帶之間形成額外的保護:1、由于氣墊充氣后具有一定的厚度,因此在碰撞發生后早期即可與展開的安全氣囊發生接觸,直接對乘員身體起到緩沖吸能的作用。2、氣墊展開后幾乎可以覆蓋乘員的整個上軀體,使原來安全帶帶體對乘員的局部載荷分散到乘員的整個上軀體上。3、可以降低安全氣囊的觸發能量,減小對離位乘員的傷害。本文研究了某微型客車和轎車兩種情況,其中該微型客車未安裝安全氣囊,轎車安裝了安全氣囊,兩種車的乘員約束系統動力學仿真模型都是應用MADYMO 軟件建立的,并且都經過了試車碰撞試驗驗證,本文在此基礎上,分別討論了在以上兩款車上新型約束裝置的保護作用。

仿真模型的建立

新型約束部件結構描述

安全帶織帶材料為滌綸長絲,寬度為50mm 左右,厚度為1.1~1.2mm。氣墊是由兩片邊長為340mm的正方形織物縫合起來,并與安全帶腰帶縫合。正方形織物的四角需導圓,避免展開時劃傷人體。縫制時,正方形氣墊的對角線與安全帶長邊方向重合,充氣氣墊不設泄氣孔,不設拉帶。

新型約束部件模型建立

根據原型設計,并參考兩種車型的安全帶幾何數據建立起此部件的CAD 模型,而后在有限元軟件中進行網格劃分。安全帶帶體與氣墊為一體化模型,全部采用三角形單元劃分,共有1208 個節點,3212 個三角形單元。(參見圖1)

有限元網格建好后對氣墊進行折疊,然后將單元的節點坐標和單元組成以MADYMO 文件的格式輸入,并使用一個預模擬程序來確定安全帶及折疊好的氣墊的節點在前碰乘員約束系統中的坐標。將計算出來的最后時刻的有限元模型各節點坐標代回原有的模型中進行計算,觀察有限元網格在計算中是否穩定。若不穩定,則要選取其它時刻安全帶有限元模型各節點坐標,再代入計算,直到網格穩定為止。圖2左側為經過校正的某微型客車乘員約束系統模型,右側為加裝新型約束系統部件的模型。紫色部分即為經過折疊的可充氣氣墊。

使用相同的方法,在某轎車乘員約束系統模型中也加入了該充氣氣墊,圖3 為該氣墊展開后的情形(70ms 時刻),為觀察方便,圖中隱藏了已經展開的安全氣囊。

約束效能的改進

微型客車約束系統的仿真結果對比

微型客車由于制造和使用成本低而成為一種目前特別適合我國國情的汽車產品。但由于車體結構及成本的原因,其對乘員的保護十分有限。一般的經濟型微型客車很少匹配安全氣囊,又由于轉向系的安裝角度較大,車身前部吸能結構較少,一旦發生碰撞,駕駛員頭部、胸部很可能直接與轉向盤盤緣、盤轂,車身內飾件發生二次碰撞,造成致命的傷害。

本文所用的基礎模型為某微型客車48km/h 正面碰撞乘員約束系統模型, 所用假人模型是從MADYMO 假人庫中提取的第50百分位男性假人。在此基礎上,加裝了可充氣氣墊,對比兩個模型的頭、胸部合成加速度曲線及傷害指標如下:(圖4、圖5、及表1)

由于該微型客車并未安裝安全氣囊,碰撞時假人胸部與轉向盤盤緣發生接觸,頭部打在轉向盤盤轂上,造成頭、胸部加速度曲線峰值過大。而加裝氣墊的模型顯然避免了上述問題的發生,極大的保護了乘員的安全。

轎車約束系統的仿真結果對比

該轎車約束系統模型裝有安全氣囊,與安全帶配合,對假人提供了較好的保護。在此模型基礎上,加裝了充氣氣墊,并將安全氣囊質量流動率曲線數值降低到原來的80%后,兩個模型的頭、胸部合成加速度曲線及傷害指標對比如下:(圖6、圖7、及表2)

通過假人胸部合成加速度曲線的比較可以看出,由于充氣氣墊的作用,假人在大約20ms 左右起受到額外的約束載荷作用,所以合成加速度要比原模型結果高,從吸收能量的角度,早期對能量的吸收可使后期出現的加速度峰值減小,且由于氣墊與乘員身體的接觸面積遠大于安全帶,這樣的情況并不會使乘員身體由于受到較大局部載荷而受傷。

目前,國外已經有關于飛機用可充氣式安全帶腰帶的報導,只要傳感器測到超過9G 的減速度,就對可充氣式腰帶進行充氣。本文所述充氣氣墊可以采用和安全氣囊相同的碰撞傳感器,并在ECU 判斷出發生碰撞后的最早時刻點火。氣體發生器可安放在B 柱中,用柔軟的尼龍織物導管與氣墊相連。

結論

從仿真計算結果來看,這種充氣氣墊能夠對乘員提供額外的保護,并可以通過安裝此部件來降低安全氣囊的觸發能量,以達到保護離位乘員的目的。對未安裝安全氣囊的微型客車,更能極大的保護乘員的安全。但仿真結果中也發現了此部件的一些問題,即與原仿真模型相比,假人胸部壓縮量指標并沒有顯著的提高,這可能與氣墊對胸部的加載時間有關。利用MADYMO 軟件和仿真方法,下一步可以繼續探討不同充氣氣墊形狀、不同織物泄氣率對乘員傷害指標的影響。研究可充氣氣墊對不同百分位假人及女性假人的影響。研究該裝置是否可以擴展到前排乘員及后排乘員。

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