基于MADYMO的正面碰撞驾驶员侧约束系统仿真分析

田国红，齐登科，孙立国，王吉成

（辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州121000）

生活中最常见的交通事故之一是100%正面碰撞，且汽车正面碰撞事故造成的死亡人数也是最多的，因此汽车正面碰撞中驾驶员侧和乘员侧伤害值的研究是被动安全性研究的主要研究内容。目前各主要汽车生产国制定了严格的碰撞安全法规，我国也在2000年实施了“关于正面碰撞乘员保护的设计规划（CMVDR294）”。除了各个国家制定的严格法规，各大汽车生产厂商也制定了行业的标准NCAP（新车评价标准），我国于2006年由中国汽车技术研究中心正式建立了C-NCAP。

汽车碰撞安全研究的最终目的是要在发生碰撞事故时保护乘员安全，约束系统是汽车碰撞乘员保护的重要装置。本文是通过某车型实车正面碰撞试验数据，并结合MADYMO软建立约束系统模型并进行求解，在经过仿真数据分析，验证模型的有效性，为后续的汽车约束系统优化改进提供支持。

1 模型建立

本文采用MADYMO软件建立汽车前碰撞乘员约束系统仿真分析模型，包括驾驶室有限元模型、安全带模型、安全气囊有限元模型和HybridⅢ椭球体假人模型。为了较真实仿真汽车正碰，驾驶室模型是根据车辆实际尺寸来构建的有限元模型，由地板、仪表板、风窗玻璃、转向柱、转向盘、踏板和座椅等组成，另外还增加了左侧部分部件；安全带模型采用多刚体和有限元结合的方法模拟，模型中还包括卷收器、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以及与假人之间的接触等；假人模型采用50百分位的HybridⅢ模型，假人以正常姿态坐于驾驶室中；安全气囊采用有限元模型和均匀压力算法展开。

初始模型的安全带限力器限力值为3.5kN，安全带预紧器的预紧长度为110mm；安全气囊直径650mm，拉带210mm，泄气空直径为25mm，体积约48L。建立的数学模型如图1所示。

图1 正面碰撞MADYMO模型

通过真实汽车的正面碰撞获得B柱的加速度曲线，正面碰撞一般把实车的B柱减速度曲线作为仿真模型中的脉冲函数如图2所示。

图2 B柱下端减速度曲线

2 正面碰撞试验方法

《GB11551-2003乘用车正面碰撞的乘员保护》规定了车辆的正面碰撞时前排乘员保护的技术要求和试验方法。要求试验车辆在每个前排外侧座椅上安放一个HybridⅢ技术要求且满足相应调整要求的假人，用以测量前排人员受伤害情况。以一定速度撞击由钢筋混泥土制成的壁障，壁障前表面应铅垂，其法线应与车辆直线行驶方向成0°夹角，且壁障表面应覆以2cm厚、状态良好的胶合板。在碰撞瞬间速度应为50-2km/h（试验速度不高于50km/h）。图3所示为正面刚性壁碰撞示意图。

图3 正面刚性壁碰撞示意图

将传感器安装在需要测量加速度、变形量等数据的地方采集数据，通过了解侧碰假人各传感器的安装位置，并结合试验录像和试验数据，可以对假人在试验中的运动形态态进行分析，得出假人的伤害情况。

3 仿真结果分析

对仿真模型进行求解计算，从结果文件中输出假人头部加速度、颈部力和力矩、胸部加速度、胸部压缩量及驾驶员安全带力和大腿受力等主要数据和真实碰撞数据对比，仿真与试验输出结果如图4a～4e所示。

由图4对比发现，仿真结果在趋势和峰值出现的时刻基本上都与试验结果相符。假人头部伤害值HIC为680，和试验值的660几乎吻合；颈部损力、胸部加速度、胸部压缩量与试验值具有较好的吻合度度，大腿受力的仿真值出现一个较大峰值，可能原因为前围板侵入量大造成的。总体来看，仿真模型是有效性的，可用于进一步的仿真优化。

另外对上面的数据分析发现此车型在正面碰撞中各个部位的得分中假人头部、颈部、大腿、胸部加速度及胸部黏性响应都符合损伤标准，说明实车试验和仿真模型对假人的伤害程度都没有超过规定的范围。

图4 仿真与试验输出结果

4 结语

一个良好的MADYMO模型能如实地反映整个碰撞的物理过程和假人的响应情况，本文以某实车碰撞试验为基础，结合软件MADYMO建立约束系统仿真模型并进行求解，通过分析对比仿真结果和试验数据，MADYMO模型的计算结果的变化趋势与实验结果基本吻合，得出此仿真模型的有效性和约束系统对假人具有一定的保护作用。在碰撞过程中，假人身体各部位自下而上与车体以及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。同时，利用MADYMO软件仿真是重要的设计手段，减少了加速度滑台实验次数，大大降低了实验成本和提高了研发周期。为进一步进行安全气囊及安全带的后续优化的研发而进一步降低乘员伤害指，具有指导意义。

［1］胡远志，曾必强，谢书港．基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［2］黄存军，黄世霖.MADYMO软件在乘员约束系统建模中的应用［J］．汽车技术，1998，（10）：5-7．

［3］曲洪亮，李德才，钱国强．基于MADYMO的乘员正面碰撞侧约束系统模型的建立［J］．东北林业大学学报，2007，（35）：85-89．

［4］钱国强，韩忠浩，杜亮．正面碰撞乘员侧约束系统模型的建立与验证［J］．机械设计与制造，2007，（11）：82-83．