基于某SUV正碰台车试验的有限元建模仿真研究

马健胜，郭树文，郑艳婷，卜晓兵

(中国汽车技术研究中心有限公司 天津300300)

0 引 言

随着消费者安全意识的提高，汽车被动安全越来越受到重视，中国新车评价规程C-NCAP星级开发也逐渐成为车企、车型开发的重要目标。正面刚性壁障碰撞试验是星级开发的重要组成部分，在《C-NCAP管理规则(2018年版)》评价规则[1]中，正面100%重叠刚性壁障碰撞试验满分为20分，占到总分数的1/5。

C-NCAP评分评级主要是依据碰撞假人试验各评分部位伤害值计算，约束系统开发是实现乘员保护的重要手段[2]。约束系统开发内容包括匹配安全带、安全气囊、座椅、压溃式转向管柱的性能，目的是减小由于车辆一次碰撞导致的乘员与车体的二次碰撞，使其达到乘员保护开发目标。

整车试验准备周期长，成本高。约束系统开发一般是通过计算机仿真模拟与台车试验来确定、验证匹配方案，最后在整车摸底试验中验证约束系统性能。

本文基于某SUV的台车正碰模拟试验，建立乘员侧约束系统有限元模型，用LS-DYNA求解器进行计算。从假人各部位伤害曲线、C-NCAP(2018年版)各部位得分和假人运动姿态3个方面，对比分析了有限元模型计算结果与台车试验测量值，验证了该有限元模型的有效性，为后续SUV约束系统优化提供基础。

1 台车试验

该正碰台车试验用来模拟C-NCAP 2018版整车正面100%重叠刚性壁障碰撞试验，相比于整车碰撞试验，具有成本低、周期短的特点，是约束系统开发阶段广泛采用的试验手段。

该试验中，台车试验波形采用整车摸底试验中左B柱下加速度传感器采集的X向加速度，作为台车试验的输入。台车试验按照整车试验中假人H点与假人姿态摆放假人，座椅和假人尽量复现整车摸底试验中的状态(图1)。气囊和安全带预紧的点爆时间与整车摸底试验一致。试验主要需要注意以下几个方面：假人摆放姿态，试验前测量、摄像、拍照，试验后测量。

试验前，用3D坐标仪记录假人头部质心位置、肩关节、膝关节、脚跟与地毯接触点等关键点的位置坐标，并记录扫描假人摆放的轮廓线，台车试验中的坐标系以白车身车门锁扣上螺丝钉的位置为坐标原点。使用3D测量装置记录假人和座椅的精确位置并直接转换为位置信息保存到计算机中。记录的位置信息尽量详细，以在计算机中精确复现所有假人活动关节和座椅。记录所有相关零件的状态，包括座椅姿态，转向管柱角度、上下调整位置、外覆盖件和方向盘等。

注意安全带带力传感器放置位置，卷收器上方、肩部、锁扣两侧；锚点位置。在台车两侧和滑车车顶各放置一个随车摄像机，以记录假人运动姿态和气囊展开状态。

图1 台车试验前坐椅和假人状态图Fig.1 Status before sled test

试验前测量记录假人所有的部件位置姿态，包括手、脚、假人后背与座椅靠背之间距离，大腿与坐垫间距等。试验后最重要的过程是立即记录那些可能会因为试验程序而消失的试验状态，比如假人姿态、安全带状态等。保留试验后的所有部件，包括座椅、仪表板等。特别注意或者找出与CAE模型中并不一致的零部件，比如座椅结构、气囊泄气孔大小等。试验中安全带和气囊采用外部控制点火的方式，安全带和气囊的配置和点爆时间如表1所示。

表1 台车试验约束系统参数Tab.1 Parameters of restraint system

2 有限元模型建立

2.1 约束系统有限元模型组成

约束系统有限元模型主要由各个子系统构成，子系统分别设置节点编号范围，设置各个子系统之间的连接。子系统与滑台试验中使用到的零部件相同。主要包括：白车身、气囊、安全带、假人、座椅、转向管柱、三踏板、地毯、IP横梁等。完整的约束系统如图2所示。

图2 约束系统模型组成Fig.2 Composition of restraint system

模型各个子系统采用include方式进行管理，include系统中还包括其他非实际模块中的模型，主要包括：参数系统文件、链接文件、接触文件、工况控制文件，边界条件文件。

各个include文件要保证子系统ID具有唯一性，各个子系统的ID不能冲突。每个include文件都应该有相应的ID范围。约束系统各个子系统之间用rigid patch刚性片进行连接。下面就对各个子系统分别做说明。

2.2 假人定位

本文模拟中有限元假人采用首美50百分位hybrid III假人。台车试验中测量的假人坐标以车门锁扣上螺丝钉的位置为原点，整车模型中的坐标以前轮中心线中点为原点，将试验中测量的关节坐标转换为整车坐标。用primer软件将假人模型按照机械运动关系摆放到H点位置并调整躯干和四肢的姿态，使头部、肩部、膝部、脚跟与地毯交点等关键位置坐标与试验中摆放的位置坐标一致，以使有限元假人摆放姿态与试验中假人姿态尽量一致。假人摆放过程中，左右大腿、腰、胸部、头颈的摆放位置参数变化会造成假人自身网格的穿透，因此调整假人以上部位后，需要首先进行假人预模拟计算。假人摆放好位置后，用假人自带的pre-simulation进行假人预模拟计算，消除假人由于摆放姿态造成的自身网格穿透。假人预模拟前后对比如图3所示，用假人预模拟计算输出的dynain结果，替换原来假人的节点坐标。

图3 假人预模拟前后对比Fig.3 Status comparison of pre/post-simulation for dummy

2.3 座椅模型

假人在安置于H点位置后一定会与座椅泡沫有穿透，因此需要将该穿透移除。本文采用DYNA计算的方法消除假人与座椅之间的穿透。提取假人的皮肤并进行刚性化，加强制位移使假人刚性皮肤运动到H点指定位置，这就使座椅有了变形。输出计算结果的dynain文件，替换原来座椅模型中的坐标点，就消除了假人与座椅之间的初始穿透，如图4所示。

图4 消除假人与座椅的穿透Fig.4 Eliminate penetration between dummy and seat

相比于用primer软件压座椅，DYNA计算的方式具有以下优点：座椅中的杆系框架也可以计算出变形，不仅是座椅发泡变形；不但与实际变形模式更加吻合，而且可以计算出发泡初始应力。缺点是计算时间较长。

2.4 安全带模型

安全带建模是约束系统建模的难点与重点，安全带也是在碰撞试验中保护乘员的最关键部件之一。本文采用三点式安全带，具有预紧和限力功能。安全带预紧功能，可以在车辆碰撞开始时，提前收紧安全带，消除乘员和安全带之间的间隙。安全带限力功能是防止安全带带力表现过高，过高会导致胸压增大[3]。

安全带建模使用primer软件的seatbelt功能，定义安全带、滑环、卷收器的有限元模型，可以设置实现安全带的限力、预紧等功能[4]。

安全带贴合假人的过程也在primer软件中实现。依次定义安全带名称，定义安全带需要接触的假人和座椅部分；定义安全带的路径，一般是从卷收器开始，B柱滑环、假人胸部、锁扣、假人腹部、固定点位置；定义安全带上特殊位置的属性，比如卷收器、滑环、固定点；贴合安全带；定义安全带的part和材料属性[5]；对建立的卷收器、滑环等属性进行修正，使安全带限力、预紧曲线赋予正确；设置安全带和假人、座椅之间的接触。本文中全部使用2D单元建立安全带，建立好的安全带模型如图5所示。在计算过程中，不能出现安全带过度扭曲等不符合试验现象的情况，这样才能保证腰带力、肩带力计算的准确性。

图5 安全带模型Fig.5 FE model of seatbelt

2.5 白车身模型

台车模型不需要从零开始建立白车身，本文中从整车结构耐撞性模型中提取从A柱到B柱之间的模型(图6)，对白车身进行钢化。

正碰滑车约束系统的边界条件施加比较简单，使用BOUNDARY PRESCRIBED MOTION在白车身刚体上施加X向的边界条件，与台车试验输入波形保持一致。

图6 白车身模型Fig.6 FE model of BIW

2.6 气囊模型

本文使用的气囊关键字为*AIRBAG HYBRID，此模型为控制体积法建立，可以模拟气囊完全展开后的过程中，气囊和假人之间的相互作用。

刚柔转换功能在约束系统中主要应用于气囊，在气囊未点爆前将其转换为刚形体，并将接触关闭，以减少接触计算时间，并保持气囊不会随意运动。

气囊模型的对标质量对保证约束系统模型的准确性非常重要。气囊试验主要包括Tank试验、气囊静态点爆、气囊动态冲击试验。Tank试验即压力容器试验，是发生器在密闭容器中起爆，以此来确定有限元气囊模型中发生器的质量流与温度流的准确性。调整发生器模型的质量流、温度流、气体成分占比，使模拟的p-t(压力-时间曲线)曲线与Tank试验采集的p-t曲线一致。在经过Tank试验对标好发生器的参数后，对气囊进行静态点爆与动态冲击试验(图7)，调整织布泄气性、排气孔的定义，来使模型模拟与试验冲击头的加速度曲线一致。由此气囊对标完成，装配到约束系统模型中进行计算。气囊模型完全展开状态如图8所示。

由此，该SUV约束系统模型已经搭建完成，如图9所示。

图7 气囊动态冲击试验Fig.7 Airbag dynamic impact test

图8 气囊模型展开状态Fig.8 Status of airbag full of gas

图9 SUV约束系统模型Fig.9 Restraint system model of a SUV

3 模型对标

3.1 伤害曲线试验与模拟对比

根据《C-NCAP管理规则(2018年版)》，正面100%重叠刚性壁障碰撞试验共20分，其中前排假人最高分数为16分，评分部位及各部位满分为：头部(5分)、颈部(2分)、胸部(5分)、大腿部(2分)和小腿部(2分)。

在有限元模型与试验对标过程中，首先调整安全带的限力曲线、预紧曲线、延伸率曲线，使安全带带力表现与试验带力传感器采集的曲线表现一致(图10)。约束系统有限元模型计算结果与台车试验各部位的伤害曲线对比，如图11～图15所示，其中实线为台车试验测量曲线，虚线为有限元模型计算曲线。由假人各部位伤害曲线对比可见，仿真曲线与试验曲线峰值时刻与峰值大小基本吻合，吻合度在可接受的范围内，证明了该有限元约束系统模型DYNA计算结果的可靠性。

3.2 运动姿态对比

分别截取0、40、80、100ms不同时刻下模拟计算结果与试验假人的运动姿态，动画对比如图16所示，可见模拟计算结果与台车试验中假人运动姿态基本一致。安全带13ms点爆开始预紧，气囊18ms点爆，模拟中PAB 气囊与假人头部在55ms开始接触。

图10 安全带带力Fig.1 0 Seat belt force

图11 头部X向、合成加速度仿真试验对比Fig.1 1 Head Acc X、Acc resultant comparison

图12 颈部剪切力Fx、张力Fz仿真试验对比Fig.1 2 Neck upper force Fx、Fz comparison

图13 胸部伤害仿真试验对比Fig.1 3 Chest injury data comparison

图14 骨盆伤害仿真试验对比Fig.1 4 Pelvis injury data comparison

图15 大腿压缩力、膝滑移仿真试验对比Fig.1 5 Femur force Z and Knee slider defelction data comparison

3.3 试验与模拟得分对比

由C-NCAP2018年版评分规则，主要从头部、颈部、胸部、大腿、小腿5个方面对该SUV台车和约束系统模型进行评分对比。其中小腿部位评分采用试验值，满分为16分，结果显示：该SUV正碰台车副驾试验得分为14.21分，约束系统模拟计算得分为14.616分，具体各部位分值对比如表2所示。头部、颈部、大腿部试验与模拟均为满分，试验中胸部压缩变形量比模拟计算结果大。模拟评分结果与试验分值基本一致。

图16 仿真与试验动画对比Fig.1 6Animation comparison between simulation and test

4 结 论

本文基于某SUV正碰台车试验，搭建约束系统有限元模型。介绍了台车试验中的注意事项，约束系统有限元模型的组成，研究了假人定位及预模拟、座椅穿透消除、安全带、白车身、气囊等子系统模型的建立方法。

表2 试验与仿真各部位C-NCAP(2018)得分对比Tab.2 C-NCAP(2018)score comparison between test and simulation

从假人各考察部位伤害曲线、假人运动姿态和C-NCAP2018年版评价规则评分3个方面，对比了模型计算结果与台车试验中假人的表现。验证了该SUV有限元模型的有效性，为后续约束系统优化提供了基础。