乘員約束的案例
輕型客車乘員約束系統的模擬計算
輕型客車乘員約束系統的模擬計算
宋正超 張金換 孔凡忠
清華大學汽車工程系，汽車安全與節能國家重點實驗室
摘要：在輕型客車正面碰撞過程中，乘員容易受到嚴重的傷害，優化其乘員約束系統可以得到較好的保護效果。利用有限元軟件PAM-CRASH建立了飽含座椅、安全帶、儀表板及轉向系統在內的某輕型客車乘員約束系統的分析模型，并通過試驗驗證了模型的有效性。在大量數值計算的基礎上，運用試驗設計方法，得到優化設計方案。經過優化匹配，乘員的頭部傷害指標HIC降低了51%，并滿足了中國汽車正面碰撞安全法規的要求。實車試驗也很好地驗證了改進的效果。該研究方法可以推廣應用于其他車型乘員約束系統的優化設計。
關鍵詞：輕型客車，乘員約束系統，模擬計算，優化設計
內容簡介：
1 乘員約束系統模型的建立及驗證
1.1 模型的建立
1.2 模型的驗證
2 乘員約束系統的優化
2.1 敏感性分析
2.2 全因子試驗
3 結論
輕型客車乘員約束系統的模擬計算.pdf
展開 乘員約束系統碰撞仿真
1正面碰撞前排乘員約束系統介紹
隨著車輛的使用，車內乘員安全性最先被關注。要保證乘員的安全不但要靠車身吸收碰撞能量和保持乘員艙的完整性，更重要的是還要使用約束系統來對乘員進行減速緩沖。乘員約束系統仿真就是將乘員約束系統的基本特性添加到乘員及約束系統的模型中，對模型進行加載仿真計算，最終求得假人不同位置的傷害值，然后根據假人的傷害值對車輛的安全情況進行評價。
約束系統包括座椅、安全帶，氣囊三個主要部件，它們均為安全裝置，其功能則是通過約束乘員降低乘員與內飾接觸和受傷的風險，是降低乘員傷亡風險的第二道防線。其中安全帶是最有效的乘員保護裝置，在碰撞中（包括緊急制動和翻滾）約束乘員，通過乘員身上最強的部位（肩和骨盆）接受約束力。氣囊為輔助安全裝置，填充乘員和方向盤、儀表板之間的空間，使乘員較為均勻的受力（相比安全帶而言），從而減少頭部轉動，保護頭部和頸部。
座椅安全帶自1950年代開始使用，通過不斷改進，現在三點式安全帶基本成為定型。氣囊從1970年代被發明，不斷改進，到1980-90年代在車上逐漸成為標配?；诮煌ㄊ鹿蕚鼋y計和分析的方法已有結論顯示，安全帶和氣囊是有效的乘員碰撞保護裝置，能降低傷亡風險。
2 一維質量彈簧系統
從機械工程控制角度來看，任何元件或系統都可以用質量、彈簧、阻尼器三個基本要素表示，建立一維質量彈簧系統分析，如圖1所示：
圖1 機械工程控制的三個基本要素
故本次碰撞根據機械工程控制的三個基本要素建立了質量-彈簧模型，如下圖2所示。其中δ為約束間隙，K為約束剛度，F為車輛前端剛度，M0為乘員質量，MV為車輛質量。
圖2 碰撞質量-彈簧模型
3乘員約束系統的建立
乘員約束系統的建立分為簡化計算模型與完全計算模型。
展開 MADYMO乘員約束系統模擬
乘員約束系統(occupant restraint systems)包括：安全氣囊，安全帶，座椅，方向盤，轉向柱和儀表板等。這些安全部件必須經過嚴格的優化整合，才能夠對駕駛員發揮最有效的保護作用。
乘員約束系統整合是一個非常復雜的優化設計過程。利用CAE仿真模擬，可以大大減少物理試驗的次數，從而降低產品開發成本和周期。
此例子為應用MADYMO軟件進行正面碰撞情況下的約束系統優化整合，用于確定安全氣囊的最佳點火時刻，氣囊容積，排氣孔大小等等參數，對于安全帶系統，則需要確定最佳的預張緊機構觸發時間，安全帶的拉伸率等設計參數。
243233-a_frontalfc_s.rar
展開 汽車碰撞模擬和乘員保護
汽車安全性有主動安全性和被動安全性之分，汽車碰撞和乘員保護屬于汽車的被動安全性范疇。
汽車碰撞安全標準中包含五個方面的內容，即：前撞，后撞，側撞，頂部壓垮（Roof crash）和側門強度（Side door strength）。
汽車碰撞是一個高成本的試驗項目，而由于試驗結果不符合要求重新對設計進行修改耗費的時間和成本更是無法估算。計算機硬件和軟件的發展，為汽車碰撞的計算機仿真模擬提供了條件。汽車碰撞的計算機仿真模擬，一般采用顯式非線性動態分析軟件（如DYNA-3D）。
碰撞仿真模擬要做到與試驗結果的完全吻合，是一項非常艱巨的工作。為了使分析模型與試驗樣車保持一致，除了白車身之外，汽車的許多系統都應包括在內。
汽車正面碰撞模擬分析分為帶乘員約束系統和不帶乘員約束系統兩種方法，碰撞分析中汽車結構模型應包括：完整的白車身，包括前后風窗；保險杠系統，包括低速吸能系統；前門（帶玻璃）；發動機、傳動系統和固定零部件；排放系統；前懸掛系統；空調和散熱器；轉向系統；儀表板固定梁；輪胎模型等。乘員約束系統包括駕駛員座椅系統，假人模型、安全帶、安全氣囊等,假人模型必須經過標定。
在不帶乘員約束系統結構碰撞方案中,考核的目標主要是轉向系統的運動(主要是指方向盤的上下、前后和左右運動位移)、腳踏板的前移量和后門檻梁（ROCKER）的速度曲線。
乘員損傷評估必須在帶乘員約束系統的模型中實現，乘員損傷評估標準主要包括頭部和胸部的加速度，腳踏板的前移量用來評價膝蓋的損傷。一輛設計優良的汽車，在乘員保護方面必須達到安全標準。
展開 
LS-DYNA整車有限元建模，整車碰撞分析 ￥200
車輛內部和約束建模整車有限元模型的開發，包括車輛內部和乘員約束系統使用 THOR 假人進行乘員安全分析。車輛 FEM 還包括駕駛員和前排乘客座椅中的人體乘員約束 (THOR) 50% 男性正面假人模型（可從弗吉尼亞大學公開獲得）的測試裝置。 使用該假人模型的仿真結果展示了左右 NHTSA 傾斜正面碰撞測試的性能。 將乘員運動學、安全帶負載和傷害標準結果與現有測試結果進行比較。附件為整車有限元模型。
整車有限元模型如下：
局部網格示意圖：
整車試驗vs仿真結果
汽車碰撞安全與輕量化研發中的若干挑戰性課題
在此基礎上，通過對乘員約束構型譜的研究，進一步得到了自適應乘員約束系統的關鍵影響參數和損傷輸出之間的關系，實現了乘員約束載荷針對乘員身材和碰撞強度可調（圖3b），可進一步使系統成為主動、被動一體化的自適應乘員約束系統，對復雜碰撞工況和中國人體特征提供有針對性的碰撞保護，為未來智能汽車環境下具有多種朝向和姿態的乘員碰撞保護提供了先期研究結果。
我們提出的滑動吸能座椅技術（圖3c）與后傾乘員的姿態控制和碰撞保護技術，不僅能有效降低尾撞工況下頸部揮鞭傷的風險，還可與氣囊及安全帶協同作用，有效控制乘員的整體運動姿態，避免乘員發生下潛運動，并在主動、被動一體化技術層面利用主動座椅控制和碰撞動能快速調整后傾乘員姿態[10-17]。
圖3 乘員碰撞響應姿態控制技術和裝置
2.3 適應多方向碰撞響應的碰撞假人技術
作為汽車碰撞安全性的人員損傷評價裝置，國際上現有的碰撞假人僅能適應單一工況，分為正面碰撞假人和側面碰撞假人。而實際道路交通事故中人體所經受的載荷多為斜向碰撞，這不僅因為實際事故工況復雜，也因為座椅安全帶對人體的加載本身就是非對稱的。為實現多工況下對人員損傷的準確評估，研發了具有高生物逼真度的多方向碰撞假人柔性胸部結構（圖4a），可以同時滿足正面碰撞、側面碰撞和斜向碰撞的響應要求，其離散式構型的設計還可滿足安全帶對胸部的局部侵入變形的響應[18]；我們還研發了行人四自由度膝關節下肢模塊（圖4b），不僅在多個碰撞方向上能更好的再現實際人車碰撞中的復雜工況，還可更加真實的表征行人下肢模塊與保險杠變形交互作用時的運動學響應[19-20]，為今后建立基于復雜工況、中國道路交通事故特性和中國人群體型特征的汽車碰撞安全評價方法、標準和法規奠定了基礎。
展開 MADYMO高級培訓課程：安全氣囊建模與實驗驗證方法
MADYMO是專業的乘員約束系統開發工程軟件，擁有強大的氣囊模擬功能。本高級培訓課程將重點講授如下內容：
1 [& l7 Y% `2 U9 n
1. 3D 乘員側氣囊折疊
2. Uniform pressure vs. Gas flow (CFD)
3. Inflator/jet 建模
4. 氣囊計算結果分析
5. 氣囊模型與試驗結果對比
等等。。。
詳情請參見附件內容。
Nov_AirbagModeling.pdf
汽車正面碰撞中駕駛員側約束系統的可靠性優化
采用MADYMO仿真分析軟件建立了某車型正面碰撞的駕駛員側約束系統仿真模型針對原始模型因假人碰撞轉向盤造成的計算結果的不連續性通過修正模型提高了乘員損傷值響應面的精度考慮了系統中存在的隨機性對安全氣囊和安全帶的主要參數進行了可靠性優化有效減小了正面剛性墻碰撞中假人的損傷值并使乘員約束系統滿足可靠性的設計要求
汽車正面碰撞中駕駛員側約束系統的可靠性優化.pdf
MADYMO高級培訓課程：安全氣囊建模與實驗驗證方法
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2. Uniform pressure vs. Gas flow (CFD)
3. Inflator/jet 建模
4. 氣囊計算結果分析
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Nov_AirbagModeling.pdf
汽車行業仿真咨詢與專業定制開發
分析內容包括：整車耐撞性分析、乘員約束系統分析、鞭打試驗、行人保護以及其他法規要求的碰撞類分析項。
整車耐撞性仿真分析（正碰、偏置碰和側碰）
鞭打試驗 乘員約束系統分析 行人保護
3、整車強度疲勞耐久性仿真分析
在整車數模設計凍結之前，綜合運用多體動力學仿真技術、有限元法和疲勞仿真分析技術搭建整車的虛擬試驗平臺對整車疲勞耐久性進行分析，而且可以對不同設計方案進行橫向對比分析，為設計部門的方案選擇提供參考和指導，可以大大縮短整車的開發周期，節約設計成本。
分析內容包括整車疲勞仿真分析、白車身強度和疲勞仿真分析、車身焊點疲勞仿真分析以及其他總成及零部件強度疲勞分析等等。
整車疲勞耐久性仿真分析
4、 整車NVH仿真分析
NVH即噪音(Noise)、振動(Vibration)、聲振粗糙度(Harshness)，通俗稱為乘坐轎車的“舒適感”。目前整車NVH性能指標已經成為衡量產品品牌價值的重要標桿。良好的NVH性能可以極大地提高產品品質和市場競爭力。
首先根據車型的市場定位，選定標桿車型和競爭車型。通過對標桿車型和競爭車型的試驗和分析，確定設計車型的NVH性能指標。制定整車的模態分布表、確定各系統總成和零部件的NVH性能指標。
分析內容主要包括：整車模態分析、聲腔模態分析、白車身模態分析、車身噪聲傳遞函數（NTF）分析、以及其他相關總成及零部件的NVH性能分析等等。
整車NVH傳遞路徑 聲腔模態分析 方向盤模態分析
5、 整車CFD仿真分析
汽車行駛時，周圍的空氣與其產生相對運動，形成對流。
展開 干貨分享（三）：方向盤管柱建模
轉向系統吸能壓潰建模研究：
1、目的：確保利用LS-DYNA建立的乘員約束系統仿真模型的準確性。
2、lEASC 的作用：在汽車碰撞事故中，通過壓潰或破壞系統的指定部件，最小化駕駛員承受的傷害。仿真建模時，需要考慮在碰撞時，轉向系統壓潰過程中，與駕駛員之間軸向與側向的作用力。
3、建模方法： 1.對轉向管柱進行詳細建模，詳細模擬轉向管柱的壓潰吸能行為；
2.考慮目前某些條件不成熟的情況，對轉向管柱某些特征進行簡化建模，盡可能準確模擬轉向 管柱的壓潰吸能行為。
4、驗證仿真模型準確性方法：參考《GB 11557-2011 轉向機構對駕駛員的傷害》建立相應的模型進行分析，并與試驗進行對標驗證。
想學習更多的知識，請聯系我們！
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MADYMO軟件介紹~
MADYMO軟件由荷蘭國家應用科技研究院TNO開發，廣泛應用于車身結構設計、安全氣囊、安全帶、座椅、儀表板、方向盤轉向柱等開發，是乘員約束系統整合及優化設計的首選工程軟件?；咎攸c如下：
1. 多剛體與有限元方法的無縫耦合，使MADYMO核心求解器具備卓越的計算效率。
2. 豐富的crash dummy模型，涵蓋Hybrid III, Euro-SID, US-DOT SID等所有目前國際通用的碰撞試驗假人。所有的假人模型都經過全面嚴格的驗證，其計算效率與精度受到廣泛贊譽，成為汽車碰撞安全性設計的工業標準。
3. 成熟高效的氣囊模擬算法，包括IMM (Initial Metric Method)和基于CFD的Gasflow模型，為精確模擬氣囊展開過程和OOP設計提供了堅實的基礎。
4. 提供最豐富的氣囊模擬手段，精確模擬多腔氣囊，多噴點、多級氣體發生器，以及氣囊織物的剪切鎖死效應等氣囊模擬的前沿熱點問題。
5. 氣囊模擬技術的發展得益于MADYMO在全球Airbag Supplier的廣泛應用，包括Autoliv, KSS, TAKATA, Delphi, Mobis, Daphimetal等等。這些氣囊供應商的技術需求，都是MADYMO技術革新的動力。
6. 豐富的實用工具，包括氣囊折疊Folder， 參數分析及優化設計的AutoDOE，模型評估和隨機分析的ADVISER等，都在國際汽車行業得到廣泛應用和贊譽。
展開 《汽車碰撞安全分析與設計》專業教材
第七章為基于PRIMER軟件的乘員約束系統分析(只更新了一部分)。
大概的目錄請見下文，了解內容詳情和詳細目錄請加VX。注：無法開發票，介意者就不要考慮了；因為無法開發票要求便宜點的，也不要考慮了；我是學生要求便宜點的，也不要考慮了，我被坑了幾次了。畢竟積累這些知識是需要大量的時間的，所以也請尊重知識付費。
紙質版定價：￥5000
購買方式：+VX：18677213804，付款后，如果有現貨則直接發貨，若無貨序打印后(約3-5天)再發貨。
有限元仿真LS-Dyna在機械行業的應用
主要行業應用如下：
1、汽車行業解決方案
·整車系統非線性動力學仿真
·整車非線性系統在真實路面行駛條件下疲勞壽命評價
·整車非線性系統在真實路面行駛條件下的NVH 評價
·汽車碰撞時乘員約束系統對乘員保護
·碰撞歷程仿真-安全車身全性評價
·輪胎涉水打滑現象仿真
·制造工藝過程仿真和工模具設計
汽車碰撞仿真分析
2、航空航天行業解決方案
·飛機部件及發動機鳥撞模擬（Bird Strike）
·發動機葉片包容性分析（Blade Containment）
·發動機異物損傷（Foreign Object Damage）
·飛機結構防碰撞性（Aircraft Crashworthiness）
·沖擊爆炸及動態載荷（Impact, Explode & Dynamic Load）
·火箭級間分離模擬（Rocket Separate Simulation）
·宇宙垃圾碰撞（Debris Impact）
·星際探測（Star Explore）
·特種復合材料設計（Special Composite Design）
·航空航天器零部件制造工藝仿真及優化（Aero-Space Vehicle Parts Manufacture）
熱氣動載荷作用下洲際導彈衛星發射井變形
3、電子產品設計行業解決方案
·跌落分析
·包裝設計
·電子封裝
·電子產品抗沖擊設計
電視機包裝物跌落分析
4、石油及海洋工程行業解決方案
·完井射孔
·液體晃動
·海洋平臺事故模擬
·海上平臺設計
5、制造業
·模具行業
·機械加工制造
·其它
齒輪嚙合 沖壓仿真分析
來源：機械工程師
展開 一套新手自學整車碰撞仿真分析的奧秘
在前排駕駛員和乘員位置分別放置一個Hybrid III型50百分位男性假人，用以測量前排人員受傷害情況。在第二排座椅最左側座位上放置一個Hybrid III型5百分位女性假人，用以測量第二排人員受傷害情況。在第二排最右側座位上放置一個兒童約束系統和一個Q系列3歲兒童假人，用以考核乘員約束系統性能及對兒童乘員的保護。
2、基于C-NCAP 2018正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗
試驗車輛40%重疊正面沖擊固定可變形吸能壁障。碰撞速度為km/h，偏置碰撞車輛與可變形壁障碰撞重疊寬度應在40%車寬±20mm的范圍內。在前排駕駛員和乘員位置分別放置一個Hybrid III型50百分位男性假人，用以測量前排人員受傷害情況。在第二排座椅最左側座位上放置一個Hybrid III型5百分位女性假人，用以測量第二排人員受傷害情況。
3、基于C-NCAP 2018可變形移動壁障側面碰撞試驗
移動臺車前端加裝可變形吸能壁障沖擊試驗車輛駕駛員側。移動壁障行駛方向與試驗車輛垂直，移動壁障中心線對準試驗車輛R點向后250mm位置，碰撞速度為km/h（試驗速度不得低于50km/h）。移動壁障的縱向中垂面與試驗車輛上通過碰撞側前排座椅R點向后250mm處的橫斷垂面之間的距離應在±25mm內。在駕駛員位置放置一個WorldSID 50th型假人,用以測量駕駛員位置受傷害情況。在第二排座椅被撞擊側放置SID-IIs（D版）假人，用以測量第二排人員受傷害情況。
圖10 整車碰撞CAE模型（正碰、偏置碰和側碰）
五、整車碰撞結果后處理
在整車碰撞仿真分析過程中，其實我們更關心的是整車碰撞仿真結果，因為只有獲得了整車碰撞仿真結果，我們才能了解我們所做的這款車的一些基本耐撞性能，才來根據整車的碰撞仿真分析目標提出合理的優化建議。
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