中文侧面碰撞建模手册-TNOAutomotiveCh

TNOAutomotiveChinaVersion1.02005-05-013MADYMO侧面碰撞应用注：本文依据于MADYMOR6.2.1Applications.pdf手册的第三章SideImpactApplication，并补充试验验证结果。图3.1USLINCAP的整车侧撞分析模型3.1引言在世界范围内，有多种不同的测试程序来评估在侧面碰撞中车辆对乘员的保护性能。例如，美国应用的是修定后的FMVSS201法规（立柱侧面碰撞）、FMVSS214法规（可变型障碍壁侧面碰撞MDB）及LINCAP消费者测试规程等。最近美国高速公路安全保险协会（IIHS）引入一个全新而具有挑战性的侧面碰撞测试规程，以评估SUV对小个女性乘员的在侧面碰撞中的伤害。在世界上其它大多数地区，侧面碰撞评估测试程序都与欧洲ECER95法规和欧洲新车评估程序（Euro-NCAP）相同或相似。所有这些测试程序不但在障碍壁类型、碰撞速度与角度上的规定不同，而且使用的碰撞假人类型也不尽相同。表3.1简要总结了当今国际上采用的侧面碰撞测试程序。在侧面碰撞载荷情况下，乘员损伤是由于乘员近距离与侵入的车辆结构直接发生接触而导致，给车辆安全设计提出了独特的挑战。在乘员安全设计优化的过程中，虚拟试验是一种颇具价值且节省开支的设计工具。MADYMO提供了全系列且经过严格验证的侧撞假人和障碍壁模型，以便于在侧撞虚拟试验中应用。关于侧面碰撞假人与障碍壁模型的详细信息可以查阅MADYMOModel手册。TNOAutomotiveChinaVersion1.02005-05-01表3.1目前国际上采用的各种侧面碰撞试验方法测试规程障碍壁类型障碍壁质量撞击速度撞击角度碰撞假人FMVSS201Rigidpole18mph90°SID-HIIIFMVSS214MDB1370kg33.5mph63°USDoT-SIDUSLINCAPMDB1370kg38.5mph63°USDoT-SIDIIHS-SUVMDB1500kg30mph90°SID-IIsECER95MDB950kg50km/h90°EuroSID-1EuroNCAPMDB950kg50km/h90°ES-23.2侧面碰撞建模方法在侧面碰撞的安全设计和优化中，根据不同的设计阶段可以采用不同的模型和建模方法。设计阶段可分为：概念设计(ConceptDesign)；子结构(sub-structure)或部件细化设计、评估与优化；整车模型的安全设计验证(FVA–FullVehicleAnalysis)。MADYMO针对每一个设计阶段都提供了不同的侧面碰撞建模方法。3.2.1概念模型－确定优选设计方案结合多体侧撞假人模型，MADYMO多体求解器非常适合于概念设计建模开发阶段。这种建模方法可以快速建模，并且CPU计算时间短，计算结果具备很高的预测性，可以在概念设计阶段进行大量设计方案的对比，确保设计方案的合理性和有效性。3.2.2子结构/部件细化模型－设计优化子结构分析的优势在于可以避免整车结构分析的复杂性，而集中在关键部件的优化设计。通常而言，子结构的baseline模型是从原始整车baseline模型(FVA)中导出，因此其载荷条件也直接由原始FVA模型的模拟结果确定。子结构模型兼备建模细节和计算效率的优势，因此特别适合于对乘员约束系统的分析和优化。图3.2说明如何从原始FVA模型建立子结构模型。TNOAutomotiveChinaVersion1.02005-05-01图3.2从FVA模型和计算结果中确定子结构模型及载荷情况建立子结构(sub-strcutre)模型侧面碰撞子结构模型包括整车(FVA)模型中的一些能直接影响乘员载荷传递的部件。碰撞障碍壁、立柱或车辆自身不包括在子结构模型中。当仅分析驾驶员时，子结构模型应至少包括驾驶员侧车门、车门内饰件和座椅，以及侧面碰撞保护装置，如安全气囊、髋部推动块(pelvispusherblocks)等。取决于约束系统的配置和工程分析人员对计算效率和精度的权衡，诸如A、B柱、门槛梁、车顶纵梁（特别在有帘式气囊时）、车辆地板、车顶等结构也可能需要包括进去。当然，如果需要分析后排乘员，子结构模型中就需要考虑更多的结构件。在原始FVA有限元模型中删除冗余的部件，就得到了子结构模型的网格。施加载荷条件在MADYMO侧面碰撞子结构模型中，载荷条件可以通过规定结构运动（PSM–PrescribedStructureMotion）的方法来加载，通过xml输入文件中的MOTION.STRUCT_DISP定义。子结构模型中部件的运动可以由节点位移来描述，包括车辆刚体运动和结构的变形两方面。但是，子结构模型不能评估由于设计更新所导致的PSM区域变形的影响。换句话说，对PSM边界的选择决定了对子结构模型的设计空间。因此，需要谨慎的定义PSM区域和自由变形区之间的边界。通过模拟FVA模型的两种“极端”载荷情况，可以来检查PSM边界定义的有效性。例如，在模拟IIHSSUV障碍壁侧撞时，一种情况没有假人，而另一种情况则加入了假人和车门内较硬的髋部推动块(pelvispusherblock)。图3.3的结果说明了在以上的碰撞载荷中，假人和髋部推动块对车门外板变形的影响并不明显。因而，车门外板变形可以包括在子结构模型的PSM之中。这也意味着整车FVA模拟时，没必要加入假人和约束系统也可以导出车门外板的PSM载荷条件。TNOAutomotiveChinaVersion1.02005-05-01图3.3车门外板节点（门上的红点）位移（加入了假人和髋部推动块的FVA模拟结果-黑色虚线；和没有假人的FVA模拟结果－灰色实线）。如图3.2所示，FVA模拟结果中可以得到每一个侧撞载荷点的PSM载荷条件。在MADYMO整车FVA有限元xml模型文件中，可以使用OUTPUT_MOTION_STRUCT自动生成PSMINCLUDE文件。当然，也可以用后处理软件(MadyPost或HyperMesh)从整车FVA有限元计算结果中提取(如MADYMOKN3或LS-DYNAD3PLOT文件)。在得到子结构模型和相关PSMINCLUDE文件后，就可以进行部件的设计优化了。如果整车FVA模型的网格没有变化，可以直接更新PSMINCLUDE文件来考虑FVA模型的更新。如果FVA模型网格修改在子结构模型的范围之内，那么子结构模型也同样需要更新网格。3.2.3完整系统建模－设计验证在安全设计优化结束后，就可以应用更新的FVA模型对新设计方案进行验证了。用于设计验证的FVA模型一般包括：整车结构、经优化的车辆内饰和约束系统、碰撞假人和障碍壁（刚性立柱或可变形移动障碍壁MDB）。此时，需要利用非常细致的有限元模型，才能够评价结构设计改动对车身和乘员保护的影响。为了便于FVA模拟，MADYMO提供了全系列经过严格验证的有限元侧撞假人和障碍壁模型。这些工具可以用于MADYMO独立模拟，也可与其它有限元程序耦合计算。MADYMOModel手册中详细介绍侧撞假人和障碍壁模型。TNOAutomotiveChinaVersion1.02005-05-013.3子结构建模应用(Substructuremodelingapplication)该章节主要介绍一个针对侧面碰撞的PSM示例，相关的模型输入文件可以在MADYMO的安装光盘里或如下的安装路径里找到：installationdirectory/share/appl/3d/a_sipsm.xmlinstallationdirectory/share/appl/3d/a_sipsm_seatmotion.incinstallationdirectory/share/appl/3d/a_sipsm_vehiclemotion.inc后缀为xml的文件是模型输入文件，两个后缀为inc的文件是PSM包含文件，包括座椅和车辆各部件节点的‘位移－时间’历程。此子结构模型如图3.4所示。图3.4由图3.1FVA模型建立的子结构模型，USDoT-SID有限元假人由椭球假人替代。此示例用于说明MADYMO侧撞子结构模型的一般建模方法和流程，并不代表所示车型的真实侧撞安全性能。模型包含了车辆侧面结构的一部分、司机侧车门结构和内饰、座椅以及假人，但不包括如安全带和气囊之类的约束系统。以此例为baseline模型，加入保护装置（如气囊、安全带等），可以评估在LINCAP侧面碰撞中这些保护装置对减少乘员损伤风险的有效性。此子结构模型由图3.1所示的FVA模型中导出。相关的PSM载荷条件也可由FVA模型的USLINCAP侧撞模拟中确定。在FVA模型中，使用有限元USDoT-SID模型；在子结构模型中，则使用多体椭球假人模型，这样处理是为提高子结构模型计算效率，更适合于优化设计。关于USDoT-SID假人模型的信息可以在MADYMOModel手册里找到。在此子结构模型中，除置空的SYSTEM.REF_SPACE外，包括两个SYSTEM.MODEL：USDoTSID_lhs（lhs–lefthandside左侧假人模型）和Vehicle_Side_Struture(描述车体结构部件、车门结构和内饰以及座椅)。如果FVA模型是用其它有限元解程序求解，车辆有限元模型部件的节点坐标单位应该用SCALING将mm转换到m。车体和座椅模型将在下面章节中详细的介绍。TNOAutomotiveChinaVersion1.02005-05-013.3.1车体模型车体模型中包含从A柱到C柱、从门槛到顶盖纵梁之间的侧撞结构部件。为了便于前处理，在FVA模型中把子结构模型的边界放置在FE部件边界上。所有部件、单元属性和材料模型都由FVA模型中导出。所有的车辆部件均可由ELEMENT.QUAD4、PROPERTY.SHELL4和MATERIAL.ISOPLA建模。被撞车辆外侧面板是整个模型中最大的部分。其他的结构性车辆部件包括A、B柱结构、顶盖纵梁和一些组成车门结构总成的部件。图3.5子结构模型的分解视图（PSM施加在蓝色部分和红色区域的节点上）子结构模型的分解视图如图3.5所示，车门总成包括车门内外车面板、防撞杆、门铰链、门销、腰部加强件和车窗框架。除去车门结构部件外，车门内饰板（doortrim）也包含在模型之中。车门内饰板附着在车门内板上，使用RIGID_ELEMENTS建立连接。3.3.2座椅模型与原始FVA模型一致，在此子结构模型中只包含由座椅骨架(frame)，不包括座垫和靠背。如果FVA模型包含这些部件，也应该包含在子结构模型中。座椅骨架模型包括带有升降装置的基座(seatbase)、座板(seatpan)、靠背骨架、靠背与基座的连接件。所有这些部件用ELEMENT.QUAD4、PROPERTY.SHELL4和MATERIAL.ISOPLA建模。座椅的不同部位使用RIGID_ELEMENTS连接。座椅模型如图3.6所示。TNOAutomotiveChinaVersion1.02005-05-01图3.6子结构模型中的座椅部件及选定的PSM边界（PSM施加在红色区域的节点上）3.3.3PSM载荷条件代表USLINCAP载荷情况的PSM载荷条件施加在子结构模型上，如图3.5所示，PSM的部件显示为蓝色，包括车身侧围板和车门板、顶盖纵梁和A柱上部。图3.5中显示为透明的绿色和黄色代表可自由变形的区域，包括B柱、车门加强结构、内门板件和车门内饰。此外，所有的座椅部件也保持可自由变形状态。除去载荷条件的应用外，PSM也应用在自由变形部件与PSM部件的连接上。在FVA模型中，诸如车门内外板之类的结构部件通过焊点相互连接。然而，SPOTWELD和RIGID_ELEMENT不能施加在规定了PSM的节点之上。因此，可自由变形部件依靠PSM连接在基于PSM部件的边缘上。图3.5中，PSM规定的边缘在可变型的绿色部件上显示为红色网格。为将座椅模型固定在车辆模型中，PSM同样施加在座椅升降器的底部边缘。由于将座椅升降器底边缘通过PSM连接，可以模拟由于地板变形而导致的座椅