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MADYMO安全带建模及正面碰撞应用 |
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作者：TNO 张学荣 刘学军 |
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摘要
本文详细介绍MADYMO 安全带及正面碰撞模型的建模流程；并利用此模型， 从乘员运动姿态、头胸部伤害响应值、和ride-down 效率等方面，对比不同安全带预紧器模型对乘员的保护作用。计算结果表明，利用预紧器消除安全带的初始松弛量，可显著提高乘员的Ride-down 效率，并有效降低人体损伤值；在预紧量相同的情况下，锁扣预紧器的ridedown能量效率优于卷收器预紧器。在实际的工程应用中，利用MADYMO 模拟可有效匹配约束系统的设计参数，实现稳健可靠的乘员保护性能。
简介
在汽车碰撞事故中，安全带系统是最重要的乘员保护装置[1]。为达到更高的安全性能，例如NCAP星级， 安全带预紧器 (pre-tensioner) 和限力器(load limiter)等装置得到广泛应用[2,3]。
预紧器的工作原理是在碰撞初始时刻，通过卷收器(retractor)或锁扣(buckle)消除安全带的松弛量，减少乘员相对车体的初始自由行程，从而提高乘员的ride-down 效率，降低人体伤害值。在乘员相对车体运动过程中，卷收器内的限力装置 (load limiter)通过释放出一定量的安全带的织物使安全带的力维持在限制的水平，从而限定安全带的作用力，减轻胸部载荷。
本文首先介绍MADYMO 建模的一般流程，包括车体建模、假人定位、安全带定位，以及不同预紧器和限力器的建模方法。然后利用此模型，对比不同预紧器对乘员运动姿态、ride-down 效率、和损伤值的影响。
MADYMO 建模
车体模型 (VEHICLE MODEL)
如图1 所示， 根据驾驶舱总布置的几何参数(Interior Layout) 建立MADYMO 车体模型，包括： 地板 (floor and toe board) 、防火墙(firewall)、加速踏板 (pedal) 、座椅 (seat)、仪表板(instrument panel)、转向系统(steering wheel and column)、前挡风玻璃 (windshield)、车顶 (roof) 等基本构件。
图1 车体基本模型
假人定位 (DUMMY POSITIONING)
MADYMO Dummy 的准确定位对模拟结果至关重要。通常采用两种假人定位方法：直接输入试验前物理假人的定位参数的测量值（如图2）；在预模拟 (Pre-simulation)中，对假人仅施加重力场的作用，使假人与座椅等部件相互作用下达到静力平衡状态(如图3)。在实际应用中，通常将两种方法组合使用。
图2 物理假人定位参数的测量值
图3 MADYMO 假人定位
安全带模型及定位 (SEATBELT POSITIONING)
根据卷收器 (Retractor)、导向槽 (Guide)、高度调节器 （Height Adjuster）、D 环 (D-Ring)、带扣(Buckle)、锚点 (Anchor) 等定位参数确定安全带模型的织带走向及连接关系。织带 (Webbing)可由多体安全带 (MB belt) 或多体与有限元混合 （MB+FEbelt）建模。MB+FE 安全带可以模拟安全带在假人身体表面的滑动, 并且可以通过使用正交各向异性摩擦系数模拟安全带织物陷入假人身体表面的嵌入效应 (belt pocking)，具体内容可参考文献[6]的Figure 2.14。本文模型采用MB+FE 安全带。
通过预模拟 (Pre-simulation)确定FE 安全带节点坐标的过程称为FE 安全带定位 (Belt positioning)。首先将Dummy positioning 之后的假人的所有joint的初始状态设置为 LOCK ； 然后根据肩带(Shoulder belt)和腰带 (Lap belt)的几何尺寸建立两条平直的mesh，并通过MB belt 将其末端分别与D-Ring、Buckle、Anchor 点连接，如图4所示；在D-Ring/Buckle/Anchor 处MB 安全带的末端向后施加一个较小的拉力（约10 牛顿，避免FE belt 产生过大初始变形），使FE mesh 向后移动；在接触力和摩擦力的作用下，FE Belt 与假人表面贴合，并最终达到力学平衡 (收敛条件为FE mesh 的动能 - kinetic energy 足够小)，如图5 所示。
预紧器建模 (BELT PRETENSIONER)
在MADYMO 中，可用两种方法定义卷收器预紧器(retractor pre-tensioner)特性[5]：
BELT_PRETENSIONER.FORCE_PAYOUT – 可定义卷轴惯量 (SPOOL_INERTIA) 、卷轴半径(SPOOL_RADIUS)、及织带的FORCE_PAYOUT_FUNC，从而可以模拟卷收器高速回转时的动力学平衡过程。
BELT_PRETENSIONER.PAYIN_TIME – 直接定义织带回转量与作用时间的关系(PAYIN_TIME_FUNC)，不考虑织带实际受力和卷轴的惯量效应。
在本文中使用PAYIN_TIME 方法定义卷收器预紧器特性，如下图所示。
图6 预紧器PAYIN_TIME 曲线
带扣预紧器(buckle pretensioner)是通过一个初始锁定的JOINT.TRANSLATIONAL 定义的，其预紧特性通过定义铰刚度特性 (Joint characteristics)实现， 具体建模方法可参考文献[6] 中的a_frontalel.xml 实例。
在卷收器与带扣双级预紧器 (retractor+buckle
pretensioner)中，两部分的预紧量各占一半，在本例中，分别为40mm。
限力器建模 (BELT LOADLIMITER)
在MADYMO 中， 提供标准的限力器关键字BELT_LOAD_LIMITER，通过定义LOAD_LIMIT_PAIR 可模拟单级或多级限力器，详细内容请参考文献 [5]。
完成以上步骤后，加入安全气囊模块和碰撞减速度波形(图7), 完整的MADYMO 模型如图8 所示。
图7 碰撞减速度波形 (crash pulse)
图8 完成后的基本模型
安全带预紧器的效能分析
图9-12 为使用不同预紧器模型时，假人运动到最前位置的情况 
RIDE-DOWN 能量效率分析
乘员的动能量密度e 可分解成 Ride-down 能量密度erd和约束系统能量密度ers[4]：
其中：
xv ：车辆在惯性坐标系中的位移；
xo ：乘员在惯性坐标系中的位移
xo/v ：乘员与车辆之间的相对位移；
 ：乘员的减速度（一般取乘员胸部减速度）
vo为车辆的碰撞初速度。
针对不同预紧器模型时，Ride-down 和约束系统能量密度变化曲线和Ride-down 效率如图13、14 所示。可知，锁扣预紧器的ride-down 效率最高，达到 68.6%。Ride-down 的效率高，表明约束系统与车身变形特性(crash pulse)的匹配较好，使约束系统变形所吸收的能量小，降低约束系统作用在人体上的载荷。大量实车碰撞试验结果表明，Ridedown效率达到50%以上，达到NCAP 五星级的概率为80%左右。
图13 Ride-down 和约束系统能量密度变化曲线
图14 四种模型的Ride-down 效率对比
乘员响应分析
图15、16 所示为胸部与头部加速度时间历程。有预紧器的模型相对于没有预紧器的模型，胸部和头部加速度峰值有显著减低。
图15 四种模型的胸部X 方向的加速度对比
图16 四种模型的头部X 方向的加速度对比
从曲线的起始部分也可以得出有预紧器的模型大大缩短了约束系统起作用的时间，减少了约束系统的松弛量。从图15 可以看出，在总的预紧器预紧量相同的前提下，带扣预紧器的效果最为明显。
衡量乘员保护效果可以通过人体伤害值来分析，最常用的是头部HIC36 和胸部累计3 毫秒加速度最大值T3MS。把无预紧器模型的人体伤害值进行归一化处理，如图17 所示，采用预紧器能够使HIC36 和T3MS 降低15-25%。
图17 不同预紧器模型对损伤值的影响
结论
安全带预紧器可显著提高安全带系统的效能(Ridedown效率提高10-15%)，使HIC36 和T3MS 损伤指数降低15-25%左右。在总预紧量相同的情况下，锁扣预紧器的ride-down 效率最高。今后将对双级预紧器(Dual-presentioner)的保护效果进行深入的研究。
MADYMO 是一个高效可靠的设计工具，提供成熟的约束系统建模手段，可用于对比不同设计参数对乘员保护性能的影响，可显著降低开发费用和周期；应用MADYMO DOE 和Stochastic 等分析方法，可提高约束系统的稳健性和可靠性。
参考文献
1. NHTSA, Traffic safety facts 2004 - Occupant protection, USA, 2004
2. Teru Iyota, Toshihiro Ishikawa, The effect of occupant protection by controlling airbag and
seatbelt, ESV2005
3. Clute, G., Potentials of adaptive load limitation presentation and system validation of the adaptive load limiter, ESV2001
4. Matthew Huang ， Vehicle crash mechanics, Dearborn, Michigan, USA, 2002
5. TNO MADYMO BV, MADYMO 6.2.2 Reference Manual, the Netherlands, 2005
6. TNO MADYMO BV, Application Manual, the Netherlands, 2005
联络方式
作者：张学荣
电话：021-58358036
Email：xuerong.zhang@tass-safe.com(end)
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(11/10/2006) |
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