應(yīng)用MADYMO進(jìn)行新型約束系統(tǒng)部件的開發(fā)

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

來源:CAD/CAM與制造業(yè)信息化
關(guān)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(shù)。然而,在離位(OOP)狀況下,安全氣囊的展開往往可能對(duì)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(jīng)折疊后可縫制在安全帶肩帶上,當(dāng)碰撞發(fā)生后,這個(gè)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(hù):1、由于氣墊充氣后具有一定的厚度,因此在碰撞發(fā)生后早期即可與展開的安全氣囊發(fā)生接觸,直接對(duì)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(gè)上軀體,使原來安全帶帶體對(duì)乘員的局部載荷分散到乘員的整個(gè)上軀體上。3、可以降低安全氣囊的觸發(fā)能量,減小對(duì)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(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型都是應(yīng)用MADYMO 軟件建立的,并且都經(jīng)過了試車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證,本文在此基礎(chǔ)上,分別討論了在以上兩款車上新型約束裝置的保護(hù)作用。

仿真模型的建立

新型約束部件結(jié)構(gòu)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(dǎo)圓,避免展開時(shí)劃傷人體。縫制時(shí),正方形氣墊的對(duì)角線與安全帶長邊方向重合,充氣氣墊不設(shè)泄氣孔,不設(shè)拉帶。

新型約束部件模型建立

根據(jù)原型設(shè)計(jì),并參考兩種車型的安全帶幾何數(shù)據(jù)建立起此部件的CAD 模型,而后在有限元軟件中進(jìn)行網(wǎng)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?jiǎng)澐?共有1208 個(gè)節(jié)點(diǎn),3212 個(gè)三角形單元。(參見圖1)

有限元網(wǎng)格建好后對(duì)氣墊進(jìn)行折疊,然后將單元的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元組成以MADYMO 文件的格式輸入,并使用一個(gè)預(yù)模擬程序來確定安全帶及折疊好的氣墊的節(jié)點(diǎn)在前碰乘員約束系統(tǒng)中的坐標(biāo)。將計(jì)算出來的最后時(shí)刻的有限元模型各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)代回原有的模型中進(jìn)行計(jì)算,觀察有限元網(wǎng)格在計(jì)算中是否穩(wěn)定。若不穩(wěn)定,則要選取其它時(shí)刻安全帶有限元模型各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo),再代入計(jì)算,直到網(wǎng)格穩(wěn)定為止。圖2左側(cè)為經(jīng)過校正的某微型客車乘員約束系統(tǒng)模型,右側(cè)為加裝新型約束系統(tǒng)部件的模型。紫色部分即為經(jīng)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(tǒng)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(shí)刻),為觀察方便,圖中隱藏了已經(jīng)展開的安全氣囊。

約束效能的改進(jìn)

微型客車約束系統(tǒng)的仿真結(jié)果對(duì)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(chǎn)品。但由于車體結(jié)構(gòu)及成本的原因,其對(duì)乘員的保護(hù)十分有限。一般的經(jīng)濟(jì)型微型客車很少匹配安全氣囊,又由于轉(zhuǎn)向系的安裝角度較大,車身前部吸能結(jié)構(gòu)較少,一旦發(fā)生碰撞,駕駛員頭部、胸部很可能直接與轉(zhuǎn)向盤盤緣、盤轂,車身內(nèi)飾件發(fā)生二次碰撞,造成致命的傷害。

本文所用的基礎(chǔ)模型為某微型客車48km/h 正面碰撞乘員約束系統(tǒng)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(chǔ)上,加裝了可充氣氣墊,對(duì)比兩個(gè)模型的頭、胸部合成加速度曲線及傷害指標(biāo)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(shí)假人胸部與轉(zhuǎn)向盤盤緣發(fā)生接觸,頭部打在轉(zhuǎn)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(fā)生,極大的保護(hù)了乘員的安全。

轎車約束系統(tǒng)的仿真結(jié)果對(duì)比

該轎車約束系統(tǒng)模型裝有安全氣囊,與安全帶配合,對(duì)假人提供了較好的保護(hù)。在此模型基礎(chǔ)上,加裝了充氣氣墊,并將安全氣囊質(zhì)量流動(dòng)率曲線數(shù)值降低到原來的80%后,兩個(gè)模型的頭、胸部合成加速度曲線及傷害指標(biāo)對(duì)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(jié)果高,從吸收能量的角度,早期對(duì)能量的吸收可使后期出現(xiàn)的加速度峰值減小,且由于氣墊與乘員身體的接觸面積遠(yuǎn)大于安全帶,這樣的情況并不會(huì)使乘員身體由于受到較大局部載荷而受傷。

目前,國外已經(jīng)有關(guān)于飛機(jī)用可充氣式安全帶腰帶的報(bào)導(dǎo),只要傳感器測(cè)到超過9G 的減速度,就對(duì)可充氣式腰帶進(jìn)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(fā)生碰撞后的最早時(shí)刻點(diǎn)火。氣體發(fā)生器可安放在B 柱中,用柔軟的尼龍織物導(dǎo)管與氣墊相連。

結(jié)論

從仿真計(jì)算結(jié)果來看,這種充氣氣墊能夠?qū)Τ藛T提供額外的保護(hù),并可以通過安裝此部件來降低安全氣囊的觸發(fā)能量,以達(dá)到保護(hù)離位乘員的目的。對(duì)未安裝安全氣囊的微型客車,更能極大的保護(hù)乘員的安全。但仿真結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)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(biāo)并沒有顯著的提高,這可能與氣墊對(duì)胸部的加載時(shí)間有關(guān)。利用MADYMO 軟件和仿真方法,下一步可以繼續(xù)探討不同充氣氣墊形狀、不同織物泄氣率對(duì)乘員傷害指標(biāo)的影響。研究可充氣氣墊對(duì)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(kuò)展到前排乘員及后排乘員。

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