9-座椅鞭打仿真分析应用研究

Altair2013技术大会论文集-1-座椅鞭打仿真分析应用研究ResearchandApplicationinWhiplashSimulationAnalysis凡沙沙罗覃月（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心柳州545007）摘要：本文针对C-NCAP低速后碰撞颈部保护试验（以下简称“鞭打试验”）的相关规程，运用RADIOSSBlock110为求解器，对某车驾驶员座椅进行了仿真分析和试验。通过仿真结果与试验对标，发现座椅靠背刚度和头枕刚度，对结果有很大的影响。因此，针对仿真模型进行了对标优化。对标后的仿真结果和试验匹配得较好。之后，在对标优化后的模型基础上，针对座椅做了优化改进方案。关键字：RADIOSS对标鞭打优化仿真分析Abstract:AccordingtothewhiplashteststandardinC-NCAP,weranthedriverseatsimulationanalysisusingRADIOSSBlock110andcomparedthesimulationresultswithexperimentresults.Whenwedidthecorrelationanalysisbetweensimulationandtest,wefoundthatthestiffnessofseatbackandheadresthaveasignificanteffectontheresult.Soweoptimizedthesimulationmodelaccordingtothephysicaltest.Andthecorrelationresultsmatchthetestwonderfully.Andthen,weofferedseveralproposalsabouttheseat,basedontheoptimizedFEmodel.Keywords:RADIOSS,CorrelationAnalysis,Whiplash,Optimization,Simulation1引言随着中国汽车工业的高速发展，交通事故数量也伴随着有所增长。其中，追尾事故的数量增长迅猛。根据这一特点，2012年新发布的C-NCAP中增加了低速后碰撞颈部保护试验[1]。由于人的颈部具有挥鞭效应。在后碰过程中，力从座椅靠背传递到人体下半端颈部，通过挥鞭效应，成级数倍放大并传递到头部。在情节恶劣的交通事故中，会导致高位截瘫、植物人等严重的后果，给驾乘人员的生活带来毁灭性的灾难。因而，对新车进行鞭打试验显得尤为重要。通过对座椅的合理设计，减轻挥鞭效应对人体造成的伤害。一个良好的座椅不仅体现在其优越的舒适性，安全性能也是不可或缺的。本文根据2012年最新发布的C-NCAP要求，使用BioRIDII型假人（RADIOSS版本），对某款座椅进行了仿真分析。通过对标分析，找出了座椅存在的问题，并进行了改进，使得假人得分有了很大的提高。准确的仿真模型，能给研发工作带来事半功倍的效果。2鞭打仿真分析有限元模型座椅鞭打分析模型采用HyperWorks11.0为分析软件，其中HyperMesh以及HyperCrash为前处理软件，RADIOSSBlock110为求解器，HyperView为后处理软件。分析模型包括：驾驶员座椅，刚性地板，安全带，BioRIDII型假人（RADIOSS版本）。图1所示为鞭打试验图片，图2所示为鞭打试验仿真分析的有限元模型。Altair2013技术大会论文集-2-图1鞭打试验图2鞭打分析有限元模型示意图2.1网格划分模型共分为两个部分，即座椅和假人。本文所用模型中，座椅单元数为143788，节点数为104436。座椅骨架用壳单元模拟，平均尺寸为5mm。发泡用四面体模拟，平均尺寸为15mm。其中，头枕发泡适当细化，平均尺寸为10mm。其他部件根据其力学特性，分别用BEAM单元、SPRING2N单元模拟。2.2材料和属性座椅骨架为金属材料，采用材料类型M36_PLAS_TAB。头枕、靠背及坐垫为泡沫材料，采用材料类型M38_VISC_TAB。织布材料采用M19_FABRI。BEAM单元采用M2_PLAS_JOHNS_ZERIL的材料类型。壳单元采用P1_SHELL单元属性，厚度方向积分点数为5。实体单元采用P14_SOLID单元属性。BEAM单元属性为P3_BEAM,需根据实心杆件的直径建立beamsection。2.3连接设置1)创建缝焊连接采用两节点式RigidBody来模拟座椅上的缝焊连接2)创建螺栓连接采用刚性单元RigidBody来模拟螺栓连接，其主节点位于孔的中心，将螺母（或垫片）区域内被连接件上的所有节点作为从节点，6个自由度全部被约束。3)创建转动铰链连接采用SPRING2N(属性为P13_SPR_BEAM)模拟座椅上能够相对转动的两个部件间的连接，并将属性中的转动刚度值设为0或适当的值。在可变形体上建立铰链一般使用RigidBody连接垫片范围内的节点，然后在中间建立SPRING2N单元模拟插销。在座椅的高度调节机构及靠背角度调节机构中，需使用SPRING2N单元来模拟部件间的相对转动关系。由于鞭打试验时调角器侧处于锁止状态，通过单独对调角器进行试验获得调角器的刚度曲线并赋给调角器处的SPRING2N单元，能够较准确的模拟鞭打试验过程中调角器的变形所引起的靠背转动。Altair2013技术大会论文集-3-2.4边界条件1)约束施加约束与试验保持一致。试验中座椅被固定在地板上，地板沿X轴方向移动，故仿真中应约束地板除X方向以外的5个自由度。通过RigidBody将地板变为刚性，约束施加在主节点上。如图3所示图3施加约束示意图2)加载先使用刚性假人对泡沫进行预加载；然后开始加载强制加速度曲线。加载曲线见图4。图4台架试验加载曲线（加速度）Altair2013技术大会论文集-4-3对标分析与模型优化针对试验所用的座椅建立有限元模型，在建立对标模型时，通过调整以下因素来获得较准确的模型：1)调整假人的位置，确保与试验时的状态一致；2)调整加载曲线，确保与试验时的加载曲线一致；3)通过零部件试验获得坐垫泡沫、靠背泡沫及头枕泡沫的应力应变曲线；4)通过零部件试验获得调角器的刚度曲线；5)调整靠背上弹簧及钢丝的材料3.1鞭打试验过程与仿真动画对比图5所示为试验录像与仿真动画的对比图。鞭打试验过程中假人头部与头枕的接触时刻为108.5ms，分离时刻为199.1ms。在仿真分析中假人头部与头枕的接触时刻为105ms，分离时刻为185ms。试验过程中座椅靠背的动态张角为20.2°，仿真动画中靠背的动态张角为20.06°，试验与仿真匹配的较好。0ms105ms136ms185ms图5试验录像与仿真动画的对比3.2试验与仿真结果的假人伤害值对比通过输出假人的头部加速度和胸部T1加速度计算出颈部伤害指数（NIC），通过另一组传感器输出颈部载荷和扭矩。依据C-NCAP评分细则计算出座椅鞭打试验的得分，试验结果得分如表1所示，仿真结果得分如表2所示。表1鞭打试验假人伤害值及得分Altair2013技术大会论文集-5-表2对标模型计算得到假人伤害值及得分4座椅优化方案分析发现，由于试验使用的座椅为单调角器座椅，即在试验过程中靠背左侧为锁止状态，右侧为非锁止状态，因此靠背右侧的动态张角远大于左侧，经测量左侧约为10°，右侧为20.2°。为避免座椅靠背发生上述扭转变形，采用双调角器，优化后的模型计算得到假人伤害值及得分如表3所示。优化后假人头部与头枕的接触时刻为63ms，与单调角器座椅相比有明显的提前，靠背动态张角为11.5°，也较之前有明显的改善。表3双调角器座椅模型计算得到假人伤害值及得分在双调角器的基础上，为降低NIC值，需降低假人头部相对于胸部向后运动的趋势，即降低假人胸部的的X向加速度，增加头部的X向加速度，有以下优化方式：1、减小头后间隙，令头枕更早的接触到假人头部；2、增加头枕刚度，除了增加头枕发泡的硬度外，头枕骨架在发泡体中的位置应尽量靠前（在不影响舒适性的前提下），通过优化头枕骨架的结构与材料使其在试验中避免发生弹性变形。3、降低靠背刚度，可通过降低靠背发泡材料的硬度，增加靠背宽度的方式，使假人在试验过程中能够更多的侵入到座椅靠背中。采用上述优化方案后，计算得到假人伤害值及得分如表4所示，假人头部与头枕的接触时刻为53ms，靠背动态张角为8°，假人各项指标得分均有提升，座椅的安全性得到改善。Altair2013技术大会论文集-6-表4优化后模型计算得到假人伤害值及得分5结论1)通过仿真与对标分析发现：单调角器座椅在试验过程中靠背会发生扭转，导致靠背动态张角大，头枕接触时刻晚，双调角器座椅能够避免靠背的扭转变形。2)经过仿真优化，使得假人头部与头枕的接触时刻明显提前，靠背动态张角得到有效控制，假人各项指标得分均有提升，座椅的安全性得到改善。3)优化结果表明：减小头后间隙，增加头枕刚度，降低座椅的靠背刚度，有利于降低假人的伤害值。致谢：本文在写作过程中，得到了澳汰尔公司工程咨询部李登的支持，在此表示感谢。6参考文献[1]C-NCAP（中国新车评价规程）管理规定（2012版）