做座MADYMO正面碰撞模型开发与验证

MADYMO正面碰撞模型开发与验证

摘要

应用MADYMO 模型进行虚拟试验或数值仿真是乘员约束系统开发流程中重要的工具。为得到可靠的模型和计算结果，必需遵循规范的建模和验证流程。本文通过一个实例详细介绍MADYMO 正面碰撞模型的建模及验证方法和需要注意的事项。模型的响应与US NCAP 试验结果吻合良好，包括腰带与肩带力、大腿力，以及髋部、胸部和头部的加速度响应。ADVISER 客观模型质量评估的结果表明，该模型质量的整体分数达到86.5%，因此可用于进一步DOE 和随机分析，以优化并实现约束系统的稳健性设计。

简介

在乘员约束系统开发中，MADYMO 模拟仿真是重要的分析设计手段，可用于预测不同设计方案的保护效果，显著减少物理试验次数，提高约束系统在不同载荷工况(load cases)下的稳健性。然而，MADYMO 模型的预测能力取决于该模型是否能够真实反映假人与车内部件和约束系统相互作用的物理碰撞过程。

本文通过一个US NCAP 实例详细介绍MADYMO正面碰撞模型的建模及验证方法和需要注意的事项，并利用ADVISER 对模型质量进行评估。

正面碰撞建模

如图1 所示， MADYMO 正撞模型包括车体(vehicle)，乘员(occupant) 和约束系统 (restraints)

等构成。

图1 建模的系统框架

车体系并加入到混凝土当中统

车体系统包括：地板、防火墙、风挡、顶棚、仪表板、方向盘和座椅。也可以将仪表板、方向盘和座椅作为独立的子系统来建立模型，这样可以方便利用MADYMO/Exchange 实现模块数据库管理和替换。

车体系统的原点设置在前桥中心点，其余部件可根据此原点精确定位。一般可利用车内空间(interior layout)的CAD 设计图或FE 模型准确建模。本文模型利用整车FE 模型。

根据碰撞试验结果或工程经验，在车体结构可能发生变形的部位定义运动铰，以模拟相关的结构变形。例如: 地板(floor)和防火墙(firewall)或footwell连接处。如果在模拟中不需要考虑结构变形侵入，将此铰的初始状态设置为LOCK 即可。

约束系统

约束系统包括安全带和安全气囊。安全带织物可用多体或多体-FE 混合建模。如果安全带在假人身体表面存在明显的滑动，则需要使用多体-FE 混合安全带建模。本文的模型采用多体安全带。安全带的定义还包括卷收器、限力器和预紧器，根据实际情况定义限力器的大小和预紧器的预紧时间。

利用MADYMO/Folder 工具方便地生成并折叠DAB 安全气囊格。通过调整CDEX 系数可模拟不同排气孔(vent hole)尺寸对气囊性能的影响，而不必改变mesh。对于正常坐姿 (in-position)的乘员，使用均衡压力算法(uniform pressure)即可满足要求；而对于离位乘员(out-of-position)，则需要使用Gasflow 算法精确模拟气囊展开过程中与乘员的相互作用。本文中采用uniform pressure 算法。

座椅模型

座椅模型的接触特性直接影响假人髋部的运动响应。一般需要根据零部件试验获取座垫 (cushion)刚度和摩擦系数、座盆 (seat pan)及防下潜结构(anti-submarine)的刚度等参数。本模型中的座椅特性通过试验获得。

转向系统模型

方向盘及转向柱的吸能特性可拆卸不当会造成摆锤力矩及冲击中心位置产生变化；通过零部件试验获取。在本次试验中，由于安全气囊的缓冲保护作用，方向盘及转向柱均未发生明显变形，因此在模型中未针对此车型专门进行零部件试验，而直接采用generic 的转向系统模型。

假人模型及定位

MADYMO 提供丰富的假人模型库，可方便地通过INCLUDE 语句的直接调用。假人的精确定位避免机器短路造成人员伤害对模拟结果至关重要，可根据试验前的测量值或presimulation实现 [2]。

接触定义

在正面碰撞中，主要的接触有：假人鞋与地板/防火墙、假人髋部与座椅、膝盖与膝垫、假人与安全气囊等。如果使用的是有限元安全带，则要定义安全带与假人之间的接触。

加速度场

将试验中测得的B 柱下端的加速度信号和重力场施加在MADYMO 模型上，完整模型如图2 所示。

图2 正面碰撞模型

模型验证

MADYMO 模型验证遵循“从下至上”的原则，即先下肢、髋部、胸部，最后头部响应；力与加速度信号应满足“起始时刻、形状、峰值、峰值时刻及脉宽”等基本特征，如图3 所示：

图3 模型验证流程

验证结果

图 是MADYMO 模型响应与US NCAP 碰撞试验结果的对比。

ADVISER 评估结果

利用ADVISER 工具[3,4]，可以得出模型质量的客观量化的评估分数，如表1 所示。表1 ADVISER 模型质量评估结果

讨论

良好的MADYMO 模型应该如实反映整个碰撞的物理过程。在碰撞过程中，假人身体各部位自下往上与车体/约束系统逐步发生接触，力和加速度信号的起始时刻是对碰撞过程的直接反映。为保证接触时刻正确，车内空间 (interior layout)和假人的定位是关键，否则无法如实反映实际的碰撞过程。因此应详实准确记录碰撞前假人的定位参数。从模型的验证结果（图）可以看出，模拟过程中已经基本反映了实际碰撞的物理过程。

其次，需要保证大腿受力、髋部x-和z-向的加速度。保证髋部的加速度的正确性，就能确定假人的基本运动，以确保胸部和头部响应正确。髋部的x-和z-向加速度受大腿力、腰带力、座垫刚度和摩擦力的影响。膝垫、座椅和安全带的零部件试验结果可提高髋部响应的准确性。

胸部x-向加速度主要受肩带力和安全气囊的影响，胸部z-向加速度受坐垫和安全气囊的影响较大。头部的加速度主要受安全气囊的影响。在做验证的时候，注意各因素之间影响关系，才能建立较好的模型。

由于本模型中使用多体安全带模型，无法模拟安全带在假人身体表面的滑动，导致肩带受力上升沿与实测结果存在比较明显的差异，这个问题可通过使用Facet Q 假人模型和有限元安全带解决。

另外，在100ms 之后试验车存在明显的前倾 (pitch)运动，而在本文模型没有考虑这个因素，导致髋部、胸部和头部100ms 之后的响应存在差异。经过验证的MADYMO 模型可以用于参数灵敏度分析、约束系统的优化、碰撞波形优化、Ride-down效率分析等。

参考文献

1. MADYMO Theory Manual.

2. MADYMO Applications Manual.

3. ADVISER Reference Guide.

4. AD不断延伸产业链VISER User’s Guide.

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作者：朱航彬

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