庞毅林智桂
(上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心柳州545007)
摘要：本文介绍了使用RADIOSS求解器的C-NCAP整车碰撞试验ODB64第二排约束系统的有限元模型的建立方法，详细讲述了安全带参数，织物材料和属性，以及车身速度载荷的施加，并通过仿真和实验数据的对比，验证了基于RADIOSS 求解器的建模的有效性，为下一步的约束系统优化奠定了基础。
关键词：RADIOSS 约束系统安全带仿真对标
Abstract:Based on the RADIOSS solver, this article researched the FEA model building method of vehicle crash test ODB64 about second row restraint system. Safety belt parameters, textile material and property, and vehicle velocity loading are detailed. Through comparison of simulation and test results, the validity of the modeling by RADIOSS solver is verified, and the foundation for next step restraint system optimization is laid.
上汽通用五菱汽车股份有限公司Key words: RADIOSS, restraint system, safe belt, correlation
1 概述
约束系统是汽车碰撞事故发生时保护乘员的重要装置。现在的乘员约束系统优化通常基于确定性的设计条件和载荷参数条件进行，其目的是提高对乘员的保护效果，使损伤降到最低水平[1]。本文使用RADIOSS 求解器针对整车碰撞试验ODB64第二排的约束系统进行建模和对标分析。RADIOSS是一个功能强大的有限元求解器，包含显式和隐式时间积分求解算法，同时支持拉格朗日、欧拉和ALE 算法，使用RADIOSS可以自由地选择采用静态或瞬态的方式实现对大应变和大位移等非线性结构、流体、流固耦合问题的仿真求解[2]。文中采用RADIOSS Block 格式的显式时间积分求解算法。第二排约束系统的建模过程基于前处理软件HyperMesh和HyperCrash, 后处理软件HyperView和HyperGraph, RADIOSS Block 100。
2 约束系统模型建立
2.1 碰撞试验ODB64
在汽车碰撞安全性能的评价法规C-NCAP中，试验车辆以64km/h的速度40%重叠正面冲击固定可变形吸能壁障，用于考察车辆中假人的损伤情况，如图1所示。
图1 偏置碰撞试验ODB64 图2 偏置碰撞试验假人
在ODB64的试验中，前排驾驶员和乘员位置分别放置一个Hybrid III 型第50 百分位男性假人，用以测量前排人员受伤害情况。在第二排座椅最左侧座位上放置一个Hybrid III 型第5 百分位女性假人，用以测量第二排人员受伤害情况，如图2所示。
2.2 约束系统仿真
汽车乘员约束系统第二排的模型主要包括：安全带、安全气囊、座椅、汽车地板等，如图3所示。本文
针对车身结构已定型的某新开发车型，由于第二排座椅没有安全气囊，这里的约束系统主要是安全带、压溃式转向柱和膝垫等。
图3 第二排约束系统仿真建模图4 边界条件和载荷施加
仿真模型中，座椅和地板固接作为边界条件，整个系统施加重力载荷，如图4所示。第二排座椅和ODB试验一样有X方向64km/h的初速度，取靠近第二排座椅的汽车C柱下传感器Y、Z方向的数值做为第二排座椅Y、Z方向的平移相对速度，旋转速度通过右C柱下X方向和Z方向的传感器数值和左C柱上Z方向和下X方向的数值计算得出。
2.3 安全带
在汽车正面碰撞事故中，尤其对第二排的乘员而言，安全带系统是最重要的乘员保护装置[3]，安全带物理模型如图5所示。为了更好的保护乘员，防止胸部伤害过大，很多车型在第二排的安全带装置中加有限力功能。
图5 安全带实物
安全带限力器的工作原理是，在乘员相对车体运动工程中，卷收器内的限力装置通过释放出一定量的安全带织物，使安全带的力维持在限定的水平，从而限定安全带对人的作用力[4]。
2.3.1 安全带装置
整车碰撞试验ODB64中第二排的安全带为卷收器带限力扭杆装置，没有预紧器，因此只有限力作用，图6为带限力扭杆的安全带装置示意图。
图6 带限力扭杆安全带实物分解
2.3.2 安全带建模
安全带是约束系统的重要组成部分。安全带的有限元建模一般包括：织带、带扣、卷收器、滑环、限力器和预紧器，各部件组合的模型如图7所示。
图7 安全带仿真模型
RADIOSS的求解方法为有限元的罚函数法，对比多刚体求解软件Madymo的MB-FE混合接触算法[5]，计算时间虽然比较长，但模拟方法更接近真实的物理情况。有限元的方法可以精确模拟碰撞工程中安全带在假人身体表面的滑动以及安全带织物陷入假人身体表面的嵌入效应[6]。
织带的建模分两部分，和人接触的部分要用2D单元建模，其它部分用1D单元建模，在滑环和带扣处的1D单元要有足够的长度才能确保安全带的合理滑动。安全带建模需要的力学特性需要做试验来获取，通过织带的拉伸试验，如图8所示，得到图9所示的有限元建模中织带的延伸率曲线。
图8 织带拉伸试验图9 织带延伸率曲线
在RADIOSS中2D织带的设置如图10所示，Function选项中输入试验得到的织带延伸率曲线。
图10 织带仿真设置
2.3.2.2 卷收器
安全带的卷收器为控制织带的拉出量，一般通过静态卷收器芯轴织带环绕拉伸试验获得的拉出力和拉出位移的曲线。当安全带卷收器里面的织带长度不一样，会影响织带的拉出量和对假人的胸部受力，即为卷收器的卷轴效应。卷收器在仿真模型中的设置如图11所示，Function 选项输入卷收器试验拉出曲线。
图11 卷收器仿真设置
安全带的限力通过限力扭杆来实现，限力器的限力级别根据胸部的肋骨变形量来调节，限力曲线的输入如图12所示。
图12 限力器仿真设置
通过调整限力和卷收器的径向刚度，对标安全带的仿真和试验结果，图13为安全带肩带力的对标，蓝为试验，红是仿真（默认）。图14为安全带腰带力的对标，对比结果，仿真和试验值基本拟合一致。
图13 安全带肩带力
图14 安全带腰带力
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