汽车低速追尾碰撞中乘员动力学响应和颈部损伤的仿真研究

汽车低速追尾碰撞中乘员动力学响应和颈部损伤的仿真研究

肖 志 杨济匡

湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082

摘要:利用M ADYM O 仿真分析软件建立了包括BioRID II 假人、座椅和安全带在内的追尾碰撞模型,研究了在追尾碰撞中,座椅特性和乘员位置对乘员动力学响应和颈部损伤的影响。仿真分析结果表明,头枕位置、靠背刚度、靠背倾角调节器特性和乘员乘坐姿势对乘员头颈部的动力学响应有很大影响,通过合理的座椅设计可以显著降低颈部损伤风险。

关键词:追尾碰撞;颈部损伤;汽车座椅;仿真

中图分类号:U 461.91 文章编号:1004)132X(2007)10)1239)05

Simulation on the Occupant Kinematics Response and

Neck Injuries During Low Speed Rear Impacts

Xiao Zhi Yang Jikuang

State Key Laboratory o f Advanced Design and Manufacturing for

V ehicle Body,H unan U niversity ,Changsha,410082

Abstract :A rear impact m odel w ith BioRID II dum my,seat and seat belt w as built using MADYM O code,and the influence o f seat pro perties and seating posture on o ccupant kinematics responses and neck injuries w as studied.The sim ulation results sho w that head restraint position,seat back cushion stiffness,r ecliner stiffness and occupant seating posture have great influence o n occupant head-neck kinematics respo nses,neck injury risks can be r educed by pro per seat desig n.

Key words :rear impact;neck injury;v ehicle seat;simulation

收稿日期:2006)03)07

基金项目:国家自然科学基金资助项目(10172033)

0 引言

汽车追尾碰撞中,约有90%的乘员损伤是颈部损伤。90%的颈部损伤发生在低速追尾碰撞中,并且大多数属于轻微伤(A IS1)级别[1]。但颈部损伤伴随着头痛、颈痛、神经痛等症状,常需要长间治疗,使患者承受巨大的痛苦,给社会带来巨大的经济损失。

最初认为颈部损伤是颈部向后过度伸展造成的,采用合适的头枕就能够避免挥鞭伤。Watan -abe 等[1]、Prasad 等[2]通过事故数据分析和追尾碰撞试验,发现即使座椅头枕位置很好,也可能会产生颈部损伤,可变形座椅对乘员颈部有较好的保护效果。Warner 等[3]指出即使是乘员位置的较小变化,也会导致追尾碰撞时乘员颈部载荷的显著增大。

本文使用M ADYM O 碰撞仿真软件,建立了追尾碰撞模型,系统分析了座椅特性、碰撞速度和乘员乘坐位置对乘员响应和颈部损伤的影响。

1追尾碰撞时乘员的运动过程

追尾碰撞时,乘员的运动响应可以分为3个

运动过程,如图1

所示。

(1)碰撞开始 (2)颈部S 形变形(3)头部与头枕接触(4)回弹运动开始 (5)回弹运动中 (6)安全带开始作用

(7)颈部向前弯曲

图1追尾碰撞中乘员的3个运动过程

1.1 回收/伸展过程

胸部被座椅靠背推动往前运动,但是此时乘员的头部由于惯性,仍然保持在初始位置。而且头部也没有旋转,上颈部脊柱向前弯曲而下颈部

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脊柱向后伸展,颈部脊柱呈S形。

由于颈部脊柱对头部的切向力,头部开始向后转动,最终整个颈部脊柱将向后伸展。上颈部脊柱从先前的向前弯曲改变为向后伸展。在S变形过程结束和上颈部脊柱向后伸展过程开始的时刻,颈部的弯曲半径最小。

当向后运动的头部接触到头枕,回收/伸展过程结束。由于头枕位置的不同,头部的转动角度变化很大,但几乎在所有的情况下都会出现S形变形。

1.2向前运动过程

头部接触头枕之后,头部相对头枕反向往前运动。由于座椅储存的能量传递到身体的各部分,乘员将产生向前的回弹运动。

头部反向运动的时刻与胸部反向运动的时刻不一定相同,因此,分析头部和胸部的相对运动变得比较复杂。如果胸部早于头部开始反向运动,将延长回收/伸展过程,加剧头/颈部的运动;如果头部早于胸部开始反向运动,将缩短回收/伸展过程。

1.3前伸/弯曲过程

因为不存在完全非弹性的座椅,乘员通常会在第3个过程相对汽车向前运动。安全带开始起作用,约束乘员向前运动。胸部受安全带约束而停止运动,而头部继续向前运动,颈部脊柱出现反S形,上颈部脊柱向后伸展而下颈部脊柱向前弯曲。与回收/伸展过程相比,由于胸腔对安全带约束力的缓冲,并且有更多的脊椎参与到弯曲和伸展运动中,因此弯曲半径较大,脊椎和椎间盘结构的受力较小。

本文的研究重点在前两个过程。

2颈部损伤机理

追尾碰撞中乘员颈部损伤的机理有多种假设,但是至今没有一种能够完全解释颈部损伤的原因。虽然这些理论在解剖学位置和损伤原因上差别很大,但它们的理论基础都是:碰撞中头部和胸部之间的运动差异导致了相邻颈椎间的相对运动。

关于颈部损伤的机理有以下几种假设:

(1)最初的假设认为颈部损伤是追尾碰撞中颈部向后过度伸展,超过人体正常生理范围造成的。后来,发现即使颈部没有过度伸展,颈部损伤也经常出现。

(2)在颈部向后的伸展运动过程中,由于脊管内容积瞬时变化很大,引起脊管内压强的瞬时变化,可能会导致脊髓神经根的损伤。

(3)在追尾碰撞中,颈椎受到剪切力和轴向力的作用,相邻颈椎上下关节突表面的相互冲撞引起的软骨面损伤。

3仿真研究

本文着重研究了座椅头枕位置、靠背特性、靠背倾角调节器(RECLINER)特性和乘员坐姿对乘员动力学响应和颈部损伤的影响。

3.1模型的建立

使用M ADYM O软件建立了追尾碰撞仿真计算模型,整个模型包括乘员、车辆、座椅和三点式安全带系统。

在现有假人模型中,BioRIDⅡ假人在追尾碰撞中的生物力学逼真度最好。因此,使用MADYM O软件假人模型库中的BioRIDⅡ椭球体模型(由48个物体组成)对乘员进行模拟。

车辆系统只定义了一个物体,该物体通过移动铰链与惯性空间连接。通过定义该移动铰链的位置自由度,车辆能够按照给定的运动方式运动,模拟车辆被追尾碰撞时的运动。

座椅系统由坐垫、靠背和头枕组成。坐垫通过移动铰链与车辆系统的Floor物体连接扭簧,靠背通过旋转铰链与坐垫连接扭簧,头枕通过旋转-移动铰链与靠背连接扭簧。铰链的约束特性通过准静态试验获得。座椅模型经过了摆锤冲击试验的验证。质量为2314kg,碰撞面直径为15214mm的圆柱形摆锤以3m/s的水平速度向后碰撞座椅靠背,摆锤中心轴在垂直方向上距离座椅H点0135m。图2所示为摆锤冲击试验和仿真得到的摆锤加速度曲线,可以看出,仿真曲线与试验曲线吻合较好,

从而验证了该座椅模型。

图2摆锤加速度曲线

安全带系统采用混合安全带模型,结合使用了标准安全带模型和膜单元有限元安全带模型。模型定义了以下接触:头枕与头部,靠背与背部、臀部,安全带与胸部、腹部,坐垫与臀部、左右大腿,地板与左右脚掌。追尾碰撞颈部损伤分析的MADYM O模型如图3所示。

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图3

追尾碰撞颈部损伤分析的MADYMO 模型

碰撞速度为17km/h,加速度峰值为90m /s 2

,持续时间为90ms,满足FMVSS 202动态测试区间的要求。碰撞加速度曲线如图4

所示。

图4车辆碰撞加速度曲线

3.2颈部损伤评价准则的选择

使用上颈部剪切力F x 、弯矩M y 、颈部损伤准

则、拉伸-伸展准则和剪切-伸展准则来评价不同座椅对颈部损伤风险的影响。

颈部损伤准则为Bostr m 提出的基于损伤机理(2)的损伤准则,其计算式为

N ic =La(t)+v 2(t)

(1)

其中,L 为人体颈部的长度,取L =012m ;a(t)为颈部上下两端的相对加速度;v (t)为颈部上下两端的相对速度。N ic 的耐受限度为15m 2/s 2。

拉伸-伸展准则由Kleinberger 等提出,其计算式为

N ij =

F z F +M y

M

(2)

其中,F z 和M y 为上颈部的轴向力和弯矩。F 和M 是用于归一化的临界值,取F =3600N 。颈部在伸展和弯曲状态下,M 分别取值为125N #m 和410N #m 。N ij 的耐受限度为1。

剪切-伸展准则由Schm itt 等提出,其计算式为

N km =

F x F c +M y

M c

(3)

其中,F x 为上颈部的剪切力,F c 和M c 是用于归一化的临界值。F c 取值为845N ;颈部在伸展和弯曲状态下,M c 取值分别为4715N #m 和8811N #m 。N k m 的耐受限度为1。3.3

研究过程

(1)研究了头枕位置对乘员动力学响应和颈

部损伤的影响。乘员为正常坐姿(no rmal seating

positio n,NSP)状态,调整头枕位置的进行仿真分析。头枕高度分为700mm (低)和800mm (高)2个等级,头与头枕的水平距离分为50mm (近)和100m m (远)2个等级,进行4次仿真计算,编号为A 1~A 4(见表1)。

表1

座椅编号

座椅编号头与头枕的水平距离(mm )100(远)50(近)头枕高度(mm)

800(高)A 1A 2750(低)

A 3

A 4

(2)以A 2为基础,分别调整靠背上部和下部的刚度,分析靠背刚度分布特性对乘员动力学响应和颈部损伤的影响。靠背上部和下部的刚度都分为大、中、小3个等级,进行8次仿真,编号为B 2~B 9(表2)。

(3)以A 2为基础,在座椅模型中增加可变形的RECLINER,在后碰撞中RECLINER 可以发

生塑性变形和吸收碰撞能量,同时使靠背向后

转动。

表2

座椅编号

座椅编号靠背上部刚度

中

小

大靠背下部刚度

中B 2B 3小B 4B 5B 6大

B 7

B 8

B 9

RECLINER 的刚度特性(转矩-角度特性)

设为线性函数,斜率分为小(4315N #m/b )、中(87N #m/b )和大(174N #m/b )3个等级,初始屈服点的转矩分为大(570N #m)、小(380N #m)2个等级,进行6次计算,编号为C 1~C 6(表3)。

表3

座椅编号

座椅编号斜率(N #m/(b ))174.087.043.5屈服点转矩(N #m )

570C 1

C 2C 3380

C 4

C 5

C 6

(4)在A 2、C 3的基础上,调整头枕的刚度。头枕的刚度分为4个等级,进行8次计算(表4)。

表4

座椅编号

座椅编号头枕刚度(N/m m )204060100基准座椅

A 2

D 1A 2D 2D 3C 3

D 4

C 3

D 5

D 6

以上的研究中,乘员处于正常坐姿状态,但是,在实际事故中,有很大比例的乘员在追尾碰撞前因为被撞车的制动、转向等处于离位坐姿(out of position,OOP )状态。因此,研究乘员在OOP 状态下的头颈部动力学响应和颈部损伤很有必要。在之前仿真的基础上,把假人躯干相对于正常坐姿向前倾斜32b ,研究OOP 乘员的响应,编号不变。

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4分析与讨论

4.1头枕位置对乘员动力学响应和颈部损伤的影响

表5所示为不同头枕位置时的颈部损伤参数结果。表5表明头枕位置对头颈部的运动响应有很大的影响。随着头与头枕之间距离的减小,头部更早的与头枕接触,头与胸部的相对转动角度迅速减小,颈部的弯矩M y 、剪切力F x 、损伤准则N ij 和N km 也大大减小。头枕的高度不够,会使头枕难以阻止头部的向后运动,使颈部的弯矩M y 、剪切力F x 、N ij 和N km 增大。同时,足够高而且靠近头部的头枕,减小了头部和胸部的运动差异,使N ic 减小。

表5

不同头枕位置时的颈部损伤参数

座椅编号F x (N )M y (N #m )N ij N km N ic (m 2/s 2)A 152135.30.381.3631.5A 234329.30.331.0324.7A 353537.80.451.2930.1A 4

419

38.0

0.42

1.43

32.1

4.2靠背刚度对乘员动力学响应和颈部损伤的影响

表6是其中4次仿真计算的结果,增大靠背

下部的刚度和减小靠背上部的刚度,颈部的转矩

M y 、剪切力F x 、颈部损伤准则值N ic 、N ij 和N km 都有减小的趋势。

表6

不同靠背刚度时的颈部损伤参数

座椅编号F x (N )M y (N #m )N ij N km N ic (m 2/s 2)B

541532.90.381.1824.1B 640238.40.421.2726.3B 8

32122.60.270.8622.5B 9

338

27.7

0.32

0.98

25.0

图5所示为座椅编号为A 2、B 6和B 8的胸部加速度曲线。B 8的胸部加速度曲线峰值最小,形状最平缓,有利于减小颈部损伤;B 6的峰值最大,持续时间最短,加速度变化最快,不利于减小颈部损伤。

图5不同靠背刚度时的胸部加速度曲线

减小靠背上部的刚度,使胸部更容易向后运动,减小了胸部加速度以及胸部与头部之间的运动差别。增大靠背下部的刚度,限制了臀部的向后

运动,增大了躯干的向后转动,使头部更早与头枕

接触。所以,减小靠背上部的刚度和增大靠背下部的刚度,有利于减小颈部损伤,但其影响比头枕位置的影响小。

4.3 REC LINER 刚度对乘员动力学响应和颈部损伤的影响

计算结果如表7所示。采用可变形RECLINER 的座椅,假人胸部加速度明显减小,颈部损伤参数值却并不一定减小,它们受RECLINER 特性的影响很大。

表7

不同REC LINER 特性时的颈部损伤参数

座椅编号F x (N )M y (N #m )N ij N km N ic (m 2/s 2)C 136314.20.210.7318.3C 22357.60.130.6416.4C 31688.50.110.4513.

9C 442217.40.260.8716.1C 524812.50.270.6418.8C 6

206

8.3

0.27

0.62

19.5

当RECLINER 屈服点转矩取380N #m ,靠背在碰撞开始阶段过于容易向后转动,使头枕远离头部,与头部的接触时间延迟,增大了颈部损伤的风险。适当增大屈服点的转矩,可以在碰撞开始阶段,即头部与头枕接触之前,减小靠背的向后转动,从而使头部与头枕更早接触,减小了颈部的损伤参数值。

当RECLINER 屈服点转矩为570N #m ,刚度特性斜率为4315N #m /b 时,颈部损伤参数值最低,既降低了胸部的加速度,又使头部较早的受到头枕的约束,获得很好的颈部损伤保护效果。而当RECLINER 屈服点转矩为380N #m ,刚度特性斜率为174N #m/b 时,颈部损伤参数值最高,对颈部的保护效果最差。

图6所示为座椅编号为C 3、C 4和A 2的胸部

图6不同RECLINER 特性时的胸部加速度曲线

加速度曲线。A 2没有使用可变形RECLINER,虽然头部与头枕在48ms 时就开始接触,但是胸部加速度峰值最大,持续时间最短。C 4使用了RECLINER ,屈服点转矩小,在碰撞开始阶段胸部加速度最小,但在碰撞后期,胸部加速度较大。C 4中头部与头枕的开始接触时间为92m s 。C 4相对于A 2,颈部损伤参数并没有明显的减小。C 3中RECLINER 的刚度特性比较合适,使胸部加速度

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峰值最小,持续时间最长,加速度波形接近矩形,使胸部受到的冲击最平缓,颈部损伤也最小。C3中头部与头枕的开始接触时间为100ms,比C4还大,但由于胸部加速度峰值比C4减小40%,使其颈部损伤参数值最小。

4.4头枕刚度对乘员动力学响应和颈部损伤的影响

从表8可以看出,不论座椅是否具有可变形的RECLINER,随着头枕刚度的增加,颈部的弯矩M y、剪切力F x、头与胸部的相对转动角度H、N ij 和N km呈现出减小的趋势。刚度较大的头枕,能够更好的支撑头部,减小颈部向后的伸展运动,从而减小颈部损伤参数。

表8不同头枕刚度时的颈部损伤参数

座椅编号F x(N)M y(N#m)N ij N km N ic(m2/s2) D135831.20.341.1226.3

A234329.30.331.0324.7

D232027.90.300.9523.1

D331226.70.300.9723.8

D419612.40.120.5115.3

C31688.50.110.4513.9

D51648.20.110.4013.7

D61497.40.100.3313.3 4.5乘员坐姿对乘员动力学响应和颈部损伤的影响分析

表9列出了OOP乘员的部分仿真结果。OOP 乘员与NSP乘员相比,仿真结果有很大不同:①OOP乘员有沿靠背向上运动的趋势,使头部可能超过头枕,造成颈部过度伸展,甚至造成头部与顶盖的碰撞;②OOP乘员的各个颈部损伤参数值都远比NSP乘员大;③当座椅没有可变形吸能的RECLINER,靠背弹性大时,OOP乘员在碰撞中会产生很大的回弹。

表9OOP乘员的颈部损伤参数

座椅编号F x(N)M y(N#m)N ij N km N ic(m2/s2) A17651101.093.2235.4

A26721181.133.2835.2

C1659970.962.8225.7

C2427710.692.0024.3

C3425600.601.7722.6

C46061361.263.2840.8

C55031231.123.1833.7

C6624940.932.7231.5

表9中,A1和A2的颈部载荷几乎一样,没有发现头枕位置对OOP乘员颈部载荷的明显影响。其主要原因是,OOP乘员的头部碰撞头枕的时间很迟,在头部碰撞头枕之前,最大的颈部载荷已经产生。这说明严重的OOP状态可以使头枕在碰撞早期失去对头部应有的约束作用,使颈部载荷极大的增加。

RECLINER的特性对OOP乘员颈部损伤的影响规律与NSP乘员一致。采用具有合适刚度特性的RECLIN ER同样可以减小OOP乘员的颈部损伤参数值。OOP乘员的颈部损伤风险远比NSP乘员大,采用可变形的RECLINER可以吸收碰撞能量,减小胸部加速度,是降低OOP乘员颈部损伤风险的一种有效方法。

5结论

在汽车低速追尾碰撞中,乘员头颈部的动力学响应受头枕位置的影响很大。通过增大头枕高度和减小头枕与头部之间的距离,可以防止颈部向后过度伸展,减小颈部的损伤参数值。

采用刚度特性合适的可变形RECLINER,能够减小胸部加速度而且使头部及时接触到头枕,减小颈部损伤参数值。

适当的靠背刚度分布和较大的头枕刚度有利于减小颈部损伤。乘员在OOP状态时的颈部损伤参数值远比NSP坐姿时的大。

本文主要研究了汽车追尾车速为17km/h时的颈部损伤,对于其他低速的追尾碰撞(被控车辆碰撞前后速度变化量小于等于25km/h),本文的结论依然成立。高速追尾碰撞下的乘员头颈部动力学响应需要另行研究。

参考文献:

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ference.Pennsylvania:So ciety o f A uto motiv e Eng-i

neer s,1991:379O390.(编辑张洋)

作者简介:肖志,男,1977年生。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室博士研究生。研究方向为汽车碰撞试验与乘员损伤防护。发表论文4篇。杨济匡,男,1948年生。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室教授、博士研究生导师。

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动力学主要仿真软件

车辆动力学主要仿真软件 I960年，美国通用汽车公司研制了动力学软件DYNA主要解决多自由度 无约束的机械系统的动力学问题，进行车辆的“质量一弹簧一阻尼”模型分析。作为第一代计算机辅助设计系统的代表，对于解决具有约束的机械系统的动力学问题，工作量依然巨大，而且没有提供求解静力学和运动学问题的简便形式。 随着多体动力学的谨生和发展，机械系统运动学和动力学软件同时得到了迅速的发展。1973年，美国密西根大学的N.Orlandeo和，研制的ADAM 软件，能够简单分析二维和三维、开环或闭环机构的运动学、动力学问题，侧重于解决复杂系统的动力学问题，并应用GEAR刚性积分算法，采用稀疏矩阵技术提高计算效率° 1977年，美国Iowa大学在，研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法并编制了DADS软件，能够顺利解决柔性体、反馈元件的空间机构运动学和动力学问题。随后，人们在机械系统动力学、运动学的分析软件中加入了一些功能模块，使其可以包含柔性体、控制器等特殊元件的机械系统。 德国航天局DLF早在20世纪70年代，Willi Kort tm教授领导的团队就开始从事MBS软件的开发，先后使用的MBS软件有Fadyna (1977)、MEDYNA1984),以及最终享誉业界的SIMPAC( 1990).随着计算机硬件和数值积分技术的迅速发展，以及欧洲航空航天事业需求的增长，DLR决定停止开发基于频域求解技术的MED YN软件，并致力于基于时域数值积分技术的发展。1985年由DLR开发的相对坐标系递归算法的SIMPACI软件问世，并很快应用到欧洲航空航天工业，掀起了多体动力学领域的一次算法革命。 同时，DLR首次在SIMPAC嗽件中将多刚体动力学和有限元分析技术结合起来，开创了多体系统动力学由多刚体向刚柔混合系统的发展。另外，由于SIMPACI算法技术的优势，成功地将控制系统和多体计算技术结合起来，发

汽车碰撞虚拟仿真

（一）研究目的 随着社会的发展，科技在飞速得更新，汽车受到越来越多的人的青睐，成为人们的代步工具。然而，随着汽车的不断增加，汽车交通事故也越来越多，如何更好地了解事故原因减少汽车事故成为了重点。由于现如今的大学生汽车事故试验实验涉及到的人身安全、汽车设备昂贵，汽车操作危险性高，实验损坏后不易修复等问题，使得学生实验操作机会很少，而且不敢深入实验，达不到预定的实验效果。通过软件仿真，就可以很好地解决这个问题。 （二）研究内容 “汽车碰撞”虚拟实验仿真汽车爆胎，汽车正碰、侧碰、追尾、汽车刹车不及时等实验。 （三）国内外研究现状及发展动态 由于计算机软、硬件的发展和汽车市场的竞争日益激烈,国际上近20年来,汽车碰撞的计算机仿真技术发展迅速。进入80年代,欧美等先进国家推出了用于汽车碰撞仿真的商业化软件包,这些功能强大的软件包在安全车身开发、事故鉴定分析、碰撞受害者保护、碰撞试验用标准假人开发和人体生物力学等研究工作中发挥了较大作用。 国内一些高校和科研机构正在积极从事汽车碰撞理论与仿真技术的研究。尽管总体上与国外相比还有很大差距,但预计不久的将来,在我国会有适于工程应用的仿真软件问世,汽车碰撞的计算机仿真技术将会有更为广泛的应用。车辆碰撞计算机仿真技术的一个主要应用方面就是交通事故的再现,辅助事故处理人员快速、高质量地进行现

场勘察、参数计算和事故分析,进而研究事故发生的原因,探求避免事故、减少损失的策略。 （四）创新点与项目特色 “汽车碰撞”虚拟实验项目是基于多媒体、仿真和虚拟现实等技术，在计算机上实现的机械操作虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。机械安全工程虚拟实验平台项目的开发、建设与应用彻底打破空间、时间限制，提高实验的效率和效果；有利于减少资源消耗与环境污染；避免真实实验和操作所带来的各种危险。 （五）技术路线、拟解决的问题及预期效果 1、“汽车碰撞”虚拟实验仿真汽车爆胎，汽车正碰、侧碰、追尾，汽车刹车不及时等实验。 重点解决以上实验的计算机虚拟仿真的软件实现，以及足够的容错、纠错能力。 2、前期工作关于有关被仿真实验项目、要求、注意事项、实验过程等都已经确定；马上要开展的工作重点在于有关开发软件的确定以及相关编程技巧的掌握与熟练。 3、预期成果与形式： 虚拟实验平台实现以下基本功能： 1.完全基于Web：分布在各地的用户只要访问特定的地址或者在实验机房进行实验。

碰撞仿真建模影响因素及模型验证

碰撞仿真建模影响因素及模型验证 刘淑丹 浙江吉利汽车研究院有限公司

碰撞仿真建模影响因素及模型验证 The Influencing Factors in Modeling of Impact Simulation and the Model Validation 刘淑丹 （浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江临海 317000） 摘要：本文利用HyperWorks软件建立了轿车的整车碰撞模型，并用LS-DYNA分析计算，研究了网格质量，材料与焊点的模拟方式、时间步长、沙漏控制、接触的定义对模拟结果的影响，同时将模拟计算结果与实际碰撞结果进行了分析对比，验证模型的可靠度。 关键词：汽车; 正面碰撞; 被动安全，Hypermesh ABSTRACT IN this paper, the front impact model is built by the software of HyperWorks and VPG, solve by LS-DYNA. Study the important factor related to simulation result, such as the element quality, simulation mode of material and spotweld，timestep, hourglass control, definition of contact interface, meanwhile, compare the analysis result with the experiment, proving the reliability of the finite element model. Keyword:motor vehicle, front crash, Passive safety, Hypermesh 1引言 随着汽车被动安全性的研究的不断深入，各种碰撞仿真前处理软件及求解器被广泛地用于汽车被动安全性的数值模拟和计算，本文利用HyperWorks软件建立了轿车的整车碰撞模型，并运用LS-DYNA软件进行数值计算，研究了各种碰撞仿真建模影响因素，并对模型进行了验证。 2 整车模型建立 碰撞有限元模型建立的准确程度直接影响到计算结果的精度，影响模型的因素有网格质量、材料与焊点的模拟方式、接触的定义、模型细节的控制等等。 2.1.1 模型建立

汽车正面碰撞仿真建模与分析作业指导书

1 主题内容和适用范围 1.1本标准规定了零部件几何模型处理的基本方法； 1.2本标准规定了零部件有限元模型的命名方法； 1.3本标准规定了白车身与底盘有限元模型的网格划分与检测的基本方法； 1.4本标准规定了白车身与底盘有限元模型的焊点、螺栓、铆钉连接的基本方法； 1.5本标准规定了汽车正面碰撞仿真分析的基本参数设置、操作流程、评价方法。 1.6本标准适用于M1类车辆正面碰撞仿真分析。 2 引用标准 2.1 CMVDR 294 —关于正面碰撞乘员保护的设计准则 2.2 GB 11557-1998—防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定 3 术语 3.1整车质量—整车整备质量+两位法定假人质量 3.2 HIC—头部性能指标 3.3 ThPC—胸部性能指标 3.4 FPC—大腿性能指标 3.5保护系统—用来约束和保护乘员内部安装件及装置 4 零部件几何模型的处理 在UG中处理白车身数模，需检查各总成内部零件的干涉和各总成之间的干涉，同时对一些缺失的面和有质量问题的面进行修补。对

于对称件，可先去掉一半。具体操作可参照样车的实际结构进行必要的几何处理（见附录-1） 5 零部件有限元模型的命名方法 模型处理好后，将各零件以iges格式分别输出，并以三维数模对应的零件号命名。 6 有限元网格划分标准 6.1 整车网格尺寸规定 6.1.1 对于B柱之前的零件，单元尺寸初步定在8-12mm，可根据零件的复杂程度适当的减小尺寸，但是决不能小于5mm，其间需考虑单元的过渡（如顶盖，地板等结构），以确保网格连续、平滑、均匀、美观；对于B柱之后的零件，可适当增大网格尺寸，初步定在20-30mm； 6.1.2 对于倒角，半径小于5mm时可删去，半径在5-10mm之间时划分一个单元，半径大于10mm时划分两个单元； 6.1.3 对于孔，半径小于5mm时可删去，半径大于5mm时应保证孔边沿上至少有4个节点； 6.1.4 对于对称件，网格划分完后镜像生成完整的网格模型。 6.2 网格检查标准

基于ADAMS的碰撞仿真分析

基于ADAMS 的碰撞仿真分析 谢最伟 吴新跃 （海军工程大学 船舶与动力工程学院，湖北 武汉 430033） 摘要摘要：：碰撞仿真是一个很复杂的问题，在ADAMS 中进行碰撞仿真涉及到很多参数的定义、模型的准确建立等问题。参数设置不准确，得出的结果便不精确，甚至会使仿真失败。本文以ADAMS 的碰撞仿真理论为基础，在综合分析碰撞参数物理意义的基础上。通过一对直齿圆柱齿轮的碰撞实例，分析了不同参数对仿真结果精度的影响，得出了对碰撞参数的设置具有参考价值的结论。 关键词关键词：：ADAMS；碰撞仿真；碰撞参数；齿轮 1 1 引引言 利用动力学仿真软件ADAMS 可以较方便地求解刚性体的碰撞问题，但计算参数的选取对计算结果的准确性有很大影响，成为人们应用ADAMS 准确、快速解决碰撞问题的难点和重点，计算参数如果设置的不够准确，在进行碰撞仿真时可能会出现穿透现象，甚至会使计算终止。从现有文献来看，人们只是对刚度、碰撞力指数及阻尼的定义进行了一些分析研究，大量计算表明，仅仅注重这几个参数是远远不够的。本文以ADAMS 的碰撞力定义方法为依据，对碰撞参数的设置进行了比较全面的分析研究，通过具体碰撞仿真实例，得出了一些如何合理进行参数设置的结论。 2 ADAMS 碰撞碰撞力的定义力的定义力的定义 在ADAMS 中有两种定义碰撞力的方法：一种是补偿法（Restitution）；另一种是冲击函数法（Impact）。相对而言，前者的参数更难准确设置，所以更多是选用后者来计算碰撞力。冲击函数法是根据impact 函数来计算两个构件之间的碰撞力，碰撞力由两个部分组成：一个是由于两个构件之间的相互切入而产生的弹性力；另一个是由于相对速度产生的阻尼力。 impact 函数的一般表达式为： 00max 0)0,,1,,()/()(0_q q q q q d q q step dt dq c q q k impact F e ≤> ?????＝（1） 式中：0q 为两个要碰撞物体的初始距离；q 为两物体碰撞过程中的实际距离； qt dq /为两个物体间距离随时间的变化率，即速度；k 为刚度系数；e 为碰撞指数；max c 为最大阻尼系数；d 为切入深度，它决定了何时阻尼力达到最大；为了防止碰撞过程中阻尼力的不连续，式中采用了step 函数，其形式为),,,,(1100h x h x x step ，按式（2）进行计算。 ≥<<≤????+=1 100 12 00 )23(x x x x x x x h a h h step （2） 式中：01h h a ?=；)/()(010x x x x ??=?。

车辆系统动力学仿真大作业(带程序)

Assignment Vehicle system dynamics simulation 学院：机电学院 专业：机械工程及自动化 姓名： 指导教师：

The model we are going to analys: The FBD of the suspension system is shown as follow:

According to the New's second Law, we can get the equation: 2 )()(221211mg z z c z z k z m --+-=???? 221212)()(z k mg z z c z z k z m w +-----=? ??? 0)()()()(222111222111=-++--+-++--+? ? ? ? ? ? ? ?w w w w z L z k z L z k z L z c z L z c z m χχχχ 0)()()()(2222111122221111=-++----++---? ? ? ? ? ? ? ?w w w w z L z L k z L z L k z L z L c z L z L c J χχχχχ d w w w w Q z L z k z L z c z m ,111111111)()(-=------? ? ? ? ?χχ d w w w w Q z L z k z L z c z m ,222222222)()(-=-+--+-? ????χχ When there is no excitation we can get the equation: 2)()(221211mg z z c z z k z m --+-=???? 2 21212)()(z k mg z z c z z k z m w +-----=? ??? Then we substitude the data into the equation, we write a procedure to simulate the system: Date: ???? ?? ??? ??==?==?===MN/m 0.10k m 25.1s/m kN 0.20MN/m 0.1m kg 3020kg 2100kg 3250w 2l c k I m m by w b

汽车碰撞模拟分析流程

汽车碰撞模拟分析流程-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

ANSYS 汽车碰撞分析流程Flow Chart of Auto Impact Analysis Prepared By 史志远 Date: Nov.1, 2004

汽车碰撞模拟分析流程 一、碰撞安全性试验介绍： 在汽车模拟分析的过程中，提高汽车碰撞安全性的目的是在汽车发生碰撞时确保乘员生存空间、缓和冲击、防止发生火灾等等。但是从碰撞事故分析中可知，汽车碰撞事故的形态也千差万别，所以对汽车碰撞安全性能的评价也必须针对不同的碰撞形态来进行。按事故统计结果，汽车碰撞事故主要可分为正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和翻车等几种类型。但随着公路条件的改善，正面碰撞和侧面碰撞形态成了交通事故中最常见的碰撞形式。 按照碰撞试验的目的区分，现在碰撞试验大体可以分为三类： 1)由政府法规要求的强制性试验：例如FMVSS208、ECE R94法规规定的正面碰撞试 验，FMVSS214、ECE R95法规规定的侧面碰撞试验等等； 2)由汽车制造厂自己制定的碰撞试验方法：例如用于提出改善汽车碰撞安全性的新 措施等等； 3)为消费者提供信息的试验：例如美国、欧洲等国家实施的新车评价程序 （NCAP）, 汽车安全法规中规定了达到政府规定的最低安全性能要求，NCAP以 更高的车速进行正面碰撞试验，以展示汽车产品的碰撞安全性能。 由于法规试验是政府强制实施的，所以，汽车碰撞试验法规是人们关注的热点。下表列出了一些美国FMVSS, 欧洲ECE的汽车被动安全性法规的试验项目。 表一 FMVSS 与 ECE 的一些汽车安全性法规

Creo原创教程(九),接触碰撞运动仿真解析,引申模具顶针顶出件运动要点

Creo原创教程（九），接触碰撞运动仿真解析，引申模具顶针顶出件运动 今天我们来讲一下接触碰撞运动的仿真（这个恐怕是坛子里对凸轮连接最详细的教程）

之前很多人pm还有在qq群问我说做模具顶出件运动怎么做， 我直接回答用凸轮连接对设置连接，启用升离，再启用重力就可以了，这样还是有很多人不太明白，其这个东西听着很简单，里面还有很多的窍门和方法 再加上一些经验，只要你看过了本教程，再加上平时多联系，相信接触碰撞这里，一般的问题都可以解决了，我们来看一下，以前的2001版本以前方针分 析里面比较简单，简单的方针都可以做到，但是到了野火版本以后，功能提升了好多，在野火中有三种特殊的连接，可以设置特殊连接后进行各种分析， 这三种连接分别为凸轮副连接，槽连接，齿轮运动副连接，今天讲的是接触碰撞的仿真，主要用到的是凸轮的链接，所以只讲凸轮，齿轮和槽连接以后再 讲。 顶针顶出件运动仿真，其实就是在顶针头部和接触的件之间建立一个凸轮连接，有人会问，顶针和件是两个平面与平面相碰，怎么建立凸轮，在凸轮连接 时，里面有一些技巧，尤其是建立曲面和选择曲面时，技巧性比较强，相信很多高手有些时候都那凸轮连接因没有选择好曲面或是没有建立好曲面，导致 仿真多次失败。 我们先看一下凸轮的链接设置

1 “凸轮1”选项卡：定义第一个凸轮 (1)“曲面/曲线”：单击箭头选取曲线或曲面定义凸轮工作面，在选取曲面时若钩选自动 选取复选框则系统自动选取与所选曲面相邻的任何曲面，凸轮与另一凸轮相互作用的 一侧由凸轮的法线方向指示。如果选取开放的曲线或曲面，会出现一个洋红色的箭头， 从相互作用的侧开始延伸，指示凸轮的法向。 选取的曲线或边是直的，“机械设计模块”会提示选取同一主体上的点、顶点、平面实 体表面或基准平面以定义凸轮的工作面。所选的点不能在所选的线上。工作面中会出现 一个洋红色箭头，指凸轮法向。

汽车碰撞仿真技术

汽车碰撞安全技术 学号：2009********** 班级：2009级****** 姓名：******* 球撞板建模仿真分析实验 （一）试验目的 巩固汽车仿真分析基础知识，使对仿真分析有更深的认识，学习Hyperworks、LS-DYNA 软件基础，学习仿真分析的基本思想和基本方法步骤。 （二）试验设备 计算机、Hyperworks软件和LS-DYNA软件。 （三）试验原理 仿真分析主要分为数据前处理、后处理和分析计算等几个阶段，本实验主要通过建立球和板的几何模型、画分网格、给球和板富裕材料和截面属性、加载边界条件、建立在和条件、接触处理、定义控制卡片。删除临时阶段、节点重新排号、将文件导出成KEY文件、运营LS0DYNA进行分析仿真等步骤，模拟球撞板的过程，得出响应的仿真动画和仿真计算结果。（四）仿真步骤 1)建模过程 首先建立临时节点，并以此建立球模型和板模型。球为以临时节点为球心，5mm为半径；板距离球心的距离为5.5mm，即板和球的最小距离为0.5mm。 2)画网格 利用hypermesh画出球和板的二位网格。 3)定义模型特性 给ball和plane定义材料为20号刚体材料，其杨氏模量分别为200000和100000，泊松比均为0.3。 4)定义边界条件 将plane板上最外面的四行节点分别建成4个set。 5)建立载荷条件 定义球的位移，即给定球向板方向的距离，由此模拟球撞击板的过程。 6)定义接触 先做出两个用于接触的sagment，在这两个sagment上建立接触关系。 7)定义控制卡片 即建立Analysis-control cards (1)选择Control_Enegy,将hgen设置为2，return; (2)按next找到Control_Termination,将ENDTIM设为0.0001s,return; (3) 按next找到Control_Time_step,将DTINIT设为1*10-6s，将TSSFAC设置为0.6，点击return; (4) 按next找到DATABASE_BINARY_D3PLOT,将DT设置为5*10-6，return; (5) 按next找到DATABASE_OPTION，将MATSUM设置为1*10-6，将RCFORC设置为1*10-6，return. 8)删除临时节点 进入Geom中的temp nodes面板，删除临时节点。 9)节点重新排号 在tool-renumber面板中重新排序

汽车碰撞模拟分析流程

ANSYS 汽车碰撞分析流程Flow Chart of Auto Impact Analysis Prepared By 史志远 Date: Nov.1, 2004

汽车碰撞模拟分析流程 一、碰撞安全性试验介绍： 在汽车模拟分析的过程中，提高汽车碰撞安全性的目的是在汽车发生碰撞时确保乘员生存空间、缓和冲击、防止发生火灾等等。但是从碰撞事故分析中可知，汽车碰撞事故的形态也千差万别，所以对汽车碰撞安全性能的评价也必须针对不同的碰撞形态来进行。按事故统计结果，汽车碰撞事故主要可分为正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和翻车等几种类型。但随着公路条件的改善，正面碰撞和侧面碰撞形态成了交通事故中最常见的碰撞形式。 按照碰撞试验的目的区分，现在碰撞试验大体可以分为三类： 1)由政府法规要求的强制性试验：例如FMVSS208、ECE R94法规规定的正面碰撞 试验，FMVSS214、ECE R95法规规定的侧面碰撞试验等等； 2)由汽车制造厂自己制定的碰撞试验方法：例如用于提出改善汽车碰撞安全性的新 措施等等； 3)为消费者提供信息的试验：例如美国、欧洲等国家实施的新车评价程序（NCAP）, 汽车安全法规中规定了达到政府规定的最低安全性能要求，NCAP以更高的车速 进行正面碰撞试验，以展示汽车产品的碰撞安全性能。 由于法规试验是政府强制实施的，所以，汽车碰撞试验法规是人们关注的热点。下表列出了一些美国FMVSS, 欧洲ECE的汽车被动安全性法规的试验项目。

二、人体伤害评价指标： 在碰撞试验或碰撞模拟分析的过程中，都使用了标准的碰撞试验假人，通过测量假人的响应计算出伤害的指标，用于定量的评价整车及安全部件的保护效能。 1) Hybrid III假人家族的伤害评价基准值： 下表列出了正面碰撞试验用的Hybrid III假人家族的伤害评价基准值。Hybrid III第50百分位男性假人是目前生物保真性最好的正面碰撞试验假人，另外，为了评价汽车对不同身材乘员的安全保护性能，按比例方法开发了第95百分位男性的大身材假人和第5百分位女性的小身材假人。 2)侧面碰撞假人的伤害评价基准值： 下表所示为目前使用的用于侧面碰撞用的假人SID, EuroSID-1的伤害评价基准值：

基于ADAMS的类球面并联腕部机构的碰撞仿真分析

基于ADAMS 的类球面并联腕部机构的碰撞仿真分析 张国英 （广东工业大学机电工程学院，广东广州510006） 来稿日期：2017-04-07 基金项目：国家自然科学基金项目（51375095）；广东省联合基金重点项目（U1401240）；国家国际科技合作专项项目（2015DFA11700）作者简介：张国英，（1980-），女，湖北应城人，博士研究生，讲师，主要研究方向：机器人机构学及其操作 1 引言 具有空间3个旋转自由度的球关节（或球副）因其结构紧凑，运动灵活，被广泛应用于Steward 并联机构[1]、Delta 并联机构[2]和3-RRS 机构[3]等的设计中；另外，由于球关节具有耐磨损、易于润滑和有利于力的传递等优点，也常应用于汽车的转向装置[4]和微创手术混联机器人的设计[5]。 对于含球关节的空间并联机构，其运动特性受球关节极限摆角的影响。一般在机构的设计阶段，利用先进的三维设计软件（如Pro/E 、UG 、SolidWorks 等）能较容易地对模型中球关节两端的杆件实施动态干涉检测[6-7]，然而，在ADAMS 中进行动力学仿真时，较难准确识别杆件间的干涉。尽管文献[8]中提出了一种通过测量球关节极限角度的方法来检测构件间的运动干涉，但其存在局限性，即连接球关节一端的杆件为直杆以及单杆运动。一旦杆件的几何结构为复杂的曲面造型，并且连接球关节两端的杆件均为 运动杆时，问题将变得复杂的多。在文献[9]的基础上，借助ADAMS 仿真软件，采用等效弹簧阻尼法计算运动过程中连接球关节两端的刚体发生碰撞时的法向接触力，并通过设置传感器来检测和控制杆件之间的干涉，以确保后期能获得准确的动力学仿真结果。同时对比分析了模型的两种不同装配方式对刚体碰撞力以及电机的能量损耗的影响，为后续机构的装配选型提供工程指导。 2 机构描述及球关节的极限摆角 2.1 机构的两种装配方式 类球面并联机构由等半径的动平台和基座以及3个相同的支链（即R-S-R 支链）组成。每个支链上的两转动副分别铰接于基座和动平台，根据铰接方式不同，在不影响自由度的前提下，机构可以有2种装配方式。（1）同侧装配：3个支链呈120°均匀分布于基座和动平台之间。其空间布置为：每条支链中的球关节中心与基座中心的连线始终垂直于驱动副的轴线，球关节中心与动平 摘要：在含有碰撞问题的机构动力学仿真分析中，对机构的各杆件进行动态干涉检测（即碰撞检测）是动力学分析能否取得准确结果的关键一环。借助ADAMS 仿真软件中的Impact 函数模型和传感器监测功能，对两种不同装配方式的三自由度（两转动一移动）类球面并联腕部机构进行了碰撞仿真分析。结果表明，根据杆件间的法向接触力和电机的能量损耗突变来判断杆件间的干涉是可行的。同时，从电机的使用寿命角度考虑，同侧装配方式要优于对侧装配。的研究不仅是该机构进行准确动力学仿真的前提，还为机构的装配选型提供了工程指导。关键词：并联机构；动力学；碰撞仿真；lmpact 函数中图分类号：TH16；TH112 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2017）09增-0217-04 lmpact Simulation Analysis of a Spheroid Parallel Wrist Mechanism Based on ADAMS ZHANG Guo-ying （School of Electromechanical Engineering ，Guangdong University of Technology ，Guangdong Guangzhou 510006，China ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：In the dynamic simulation of the mechanism which with the impact problem ，the dynamic interference detection （i.e.，impact detection ）of each linkages of the mechanism is the key part to the dynamic analysis accurately.With the Impact function model and sensor monitoring function in ADAMS software ，the impact simulation analysis of a 3-DOF （two rotations and one translation ）spherical parallel wrist mechanism that with two different assemble styles was carried out.The results show that it is feasible to judge the interference between the linkages by the normal contact force and the power consumption mutation of the motor.Meanwhile ，from the perspective of the motor ’s lifespan ，the same side assembly style is better than the contralateral one.The research of this paper is not only a prerequisite for accurate simulation of the mechanism ，but also provides engineering guidance for the assembly selection of the organization. Key Woｒdｓ：Pａｒａllel Meｃhａniｓmｓ；Dynａmiｃｓ；ImpａｃｔSimulａｔion ；ImpａｃｔFunｃｔion Machinery Design ＆Manufacture 机械设计与制造 增刊 2017年9月 217 万方数据

汽车动力学仿真模型的发展

!汽车动力学发展历史简介 汽车动力学是伴随着汽车的出现而发展起来的 一门专业学科。人们很早就认识到“$%&’()*+”转向和应用弹性悬架可使乘客感到更加舒适等基本原 理［,］，但那只是一种感性的认识。在各国学者的不懈 努力下，这门学科逐渐发展成熟。-’.’/在,00#年1)’%23举行的题为“车辆平顺性和操纵稳定性”的会议上发表的论文，对,00"年以前汽车动力学的发 展做了较为全面的总结［ !］，见表,。近年来汽车动力学又有了进一步发展，大量的高水平学术论文和经典的汽车动力学专著相继被发表，而且开发出许多专为汽车动力学研究建立模型的软件，如美国密西根大学开发的$456%*(、$45678)等商业软件。汽车是一复杂的连续体系统，要想对其进行动力特性的预测和优化需建立经合理简化的抽象汽车模型，以达到缩短产品开发周期、保证整车性能指标和降低产品成本的目的。 "汽车动力学模型的发展 汽车动力学从严格意义上来讲包括对一切与车 辆系统相关运动的研究，然而最为核心的是平顺性和操纵稳定性这两大领域，一般认为平顺性主要研究影响车身的垂向跳跃、俯仰、侧倾振动的因素，而操纵稳定性主要研究车辆的横向、横摆和侧倾运动。建模时一般假设平顺性和操纵稳定性之间无偶合关系。 "#!汽车平顺性模型 在汽车平顺性的早期研究阶段，限于当时数学、 力学理论、计算手段及试验方法，把系统简化成集中质量—弹簧—阻尼模型，如图,所示。 图,整车集中质量—弹簧—阻尼模型 此类模型一般先以函数的形式给出其动能!和势能"以及表达系统阻尼性质的物理量耗散能 !的表达式： 【摘要】汽车动力学包括对一切与车辆系统相关运动的研究，其最核心的是平顺性和操纵稳定性这两大领域。在简要说明了汽车动力学发展过程的基础上介绍了平顺性和操纵稳定性两大领域的模型发展过程。平顺性模型主要经过集中质量—弹簧—阻尼模型、有限元模型和动态子结构模型阶段；而操纵稳定性模型从低自由度线性模型、非线性多自由度模型发展到多体模型。最后提出了汽车动力学仿真模型的发展动向。 主题词：汽车动力学模型发展 中图分类号：9:;,<,文献标识码：$ 文章编号：,"""=#>"#（!""#）"!=""",=": $%&%’()*%+,(-.%/01’%$2+3*0140*5’3,0(+6(7%’ ?2*+.@’8A?2*+.B8+.2*8AC48D*8/8+AB8*D6+.E’8 （B8/8+9+8F’(785G ） 【89:,;31,】H’28%/’IG+*)8%7754I8’7*//)6F’)’+57(’/’F*+556F’28%/’7G75’)*+I 857%6(’8752’5J6E8’/I76E (8I’K *L8/85G *+I 2*+I/8+.75*L8/85G<1+52’M*M’(AI’F’/6M8+.M(6%’776E )6I’/76E F’28%/’(8I’*L8/85G *+I 2*+I/8+.75*L8/85G *(’8+K 5(6I4%’I *E5’(I’F’/6M)’+5%64(7’6E F’28%/’IG+*)8%78778)M/G 8+5(6I4%’I

基于虚拟试验的轿车正面碰撞安全性分析(新版)

( 安全管理 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 基于虚拟试验的轿车正面碰撞 安全性分析(新版) Safety management is an important part of production management. Safety and production are in the implementation process

基于虚拟试验的轿车正面碰撞安全性分析 (新版) 一、引言 长期以来，轿车安全性能一直是汽车工业界非常关注的课题。用实车碰撞试验可测定轿车安全性能，但因其需在实物样机上安装各种测试设备，进行实地试验，成本高、时间长，所以探索新的试验方法一直是汽车工业界所追求的目标。随着计算机技术的发展和各种应用软件的出现，人们可以用计算机来模拟轿车碰撞试验。利用虚拟现实技术设计的汽车虚拟试验场可逼真地实现试验过程，通过交互改变汽车设计参数、试验道路环境，可以验证设计方案，从而达到缩短设计周期、降低开发成本、提高产品质量的目的。与传统的实车试验相比，应用虚拟试验场具有快速、逼真、可重复性等特点，可无危险、无损坏地进行碰撞、翻倾等极限试验。这种方法

虽然不能完全取代实际的轿车碰撞试验，但却使人们能够根据计算机模拟试验的结果更好地、更精确地安排实际试验，以减少试验次数和时间，降低试验成本。 正面碰撞是汽车碰撞事故中最多、对人体危害最大的碰撞形式，也是国际上许多安全法规中规定的小型客车和轿车的最主要标准试验。本文选取国产燃料电池轿车“超越二号”为虚拟试验对象，模拟其正面碰撞，从而预测和评价该车型的被动安全性，对该车型安全设计的改进具有指导作用。由于燃料电池轿车目前仍属于前‘瞻型产品，其高昂的制造成本决定了暂时无法、进行实车碰撞试验，而虚拟试验场由于其无危险、无损坏、可重复性等特点正是非常合适的试验方法。 由于虚拟现实系统需要实时计算，对计算速度要求较高。因此，实现虚拟试验场景及仿真必须要有相应的软硬件支持，本试验采用的操作系统为UNIX（多任务、多线程），硬件为双CPU高速SCSI接口硬盘的HP可视化工作站。 作者利用HYPERMESH软件对整车模型进行网格划分，建立了车

车辆碰撞模拟仿真分析假人模型

关于车辆碰撞仿真分析用人体模型的认识 ——学习笔记及认识总结 李良 车辆工程 30608020406 人体模型：以人体参数为基础建立，描述人体形态特征和力学特征的有效工具，是研究、分析、设计、评价、试验人机系统不可缺少的重要辅助手段。 根据人体模型的用途进行分类： 1、设计用人体模型——汽车用H 点人体模型 2、作业分析用人体模 3、工作姿势分析用人体模型 4、动作分析用人体模型 5、人机界面匹配评价用人体模型 6、动力学分析用人体模型 7、运动学分析用人体模型 8、试验用人体模型——汽车碰撞试验用人体模型 一、概况介绍 车辆碰撞仿真分析用人体模型 车辆碰撞过程中，车内成员运动的动力学过程具有大位移、非线性、多自由度、瞬时性等特点，建立适合于这些特点的、基于多体系统动力学的人机模型，是进行车辆碰撞过程车内成员运动响应分析的关键技术问题。 基于多体系统动力学的二维和三维人体模型，应用于汽车碰撞过程中乘员运动响应的仿真分析、汽车碰撞行人事故中人体运动的仿真分析等问题的研究。 人体模型的结构：（以 MUL3D 汽车碰撞人体运动响应 为例） 1、人体模型的组成：13个刚体——头部、颈部、胸部、腰腹部、臀部、左右上臂、左右前臂和手、左右大腿、左右小腿和足。 2、相邻刚体之间的铰接约束形式根据人体关节的解剖学结构特点选取。 胸部与左右上臂之间的肩关节 ——万向节 人机系统匹配评价用人体模型 车辆碰撞仿真分析用人体模型

左、右上臂与左、右前臂之间的肘关节——转动副 左、右大腿与左、右小腿之间的膝关节——转动副 其它各关节——球面副 3、为了描述和计算人体与车身有关结构之间的碰撞力，根据碰撞接触的可能形式，将人体模型各组成部分的形状用椭球加以描述，将车身有关结构部分的形状用平面加以描述，按椭球与平面的贯穿接触来计算贯穿接触力。 二、虚拟现实中多刚体人体模型的构建 1、人体Hanavan 模型概述 在虚拟环境中模拟人体运动，首先就是要建立逼真的人体模型。从运动生物力学角度看，还要建立运动技术的力学模型，必须知道内在规律和约束条件两类因素。人体的外形主要是由人体的骨骼结构和附着在骨骼上的肌肉运动决定的。在人体运动过程中，皮肤的形变随着骨骼的弯曲和肌肉的伸展与收缩而变化。人体外形模型构建通常采用棒模型、表面模型和体模型三种方法。棒模型是将人体轮廓用棒图形和关节来表示。表面模型是由一系列多边形和曲面片的表面将人体骨骼包围起来表示人体外型，该模型可以通过修改表面点来表示人体的运动，也可以消除其隐藏面，真实感较强，但有限的多边形面表示人体表面光滑性不够。体模型是由基本体素的组合来表示人体外型，如采用圆柱体、椭球体、球体等体素来构造人体。 人体在忽略受力产生形变的情况下，可看作一 个由关节点连接的多个刚体所构成的系统。人体运 动仿真系统的人体模型通常采用的是汉纳范 （Hanavan）模型。它将人体分解为1 5 段，由头、 上躯干、下躯干、左上臂、左下臂、左手、右上臂、 右下臂、右手、左大腿、左小腿、左脚、右大腿、 右小腿、右脚组成，每一段皆为匀质 的不可变形的刚体，各段之间以绞链相连接[5]。对 于一般的刚体，任意时刻只要知道它的空间位置、 姿态，就能在空间中描述这个刚体。而人体不同于 一般的刚体，人体是由200 多个旋转关节组成的复 杂形体，仅仅依靠三个位置量、三个姿态角不能模拟真实的人体运动，需要提供所有的关节数据。所以人体运动的仿真要远复杂于一般的刚体，也就更具挑战性。

汽车侧面碰撞有限元仿真建模

第26卷第6期2005年11月　 江苏大学学报(自然科学版) Journal of J iangsu University(Natural Science Editi on) 　Vol.26No.6 Nov.2005 汽车侧面碰撞有限元仿真建模 游国忠1,陈晓东1,程　勇2,朱西产2,苏清祖1 (1.江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013; 2.中国汽车技术研究中心,天津300162) 摘要:整车碰撞仿真是汽车被动安全性研究的关键技术和有效方法.应用美国ET A/VPG及LS-DY NA软件,按照欧洲侧面碰撞法规ECER95,对国产某轿车汽车侧面碰撞车身抗撞性能进行了计算机仿真分析.文中介绍了整车有限元建模及侧面碰撞仿真的方法及经验,分析了材料与焊点的模拟方式、时间步长、刚体、自接触的定义等对计算结果有影响的建模因素,并将模拟计算结果与实际碰撞结果进行对比.通过仿真和试验结果的比较,车身变形、加速度波形以及车体的运动基本一致,从而验证了文中汽车侧面碰撞仿真的建模方法,为进一步研究侧面碰撞人体伤害以及车身侧面抗撞性能的改进奠定了基础. 关键词:汽车;侧面碰撞;建模;有限元仿真 中图分类号:U46 文献标识码:A 文章编号:1671-7775(2005)06-0484-04 Fi n ite ele ment modeli n g of vehi cle si de crash YOU Guo2zhong1,CHEN X iao2dong1,CHEN G Yong2,ZHU X i2chan2,SU Q ing2zu1 (1.School of Aut omobile and Traffic Engineering,J iangsu University,Zhenjiang,J iangsu212013,China; 2.China Aut omotive Technol ogy and Research Center,Tianjin300162,China) Abstract:Crash si m ulati on of full car is a p ivotal and effective method t o study vehicle passive safety. According t o Eur opean side crash regulati on,ECER95,the side crash p r operty of a native car is ana2 lyzed by US A ET A/VPG and LS2DY NA s oft w ares.The modeling and si m ulati on of full car and full2scale side crash are intr oduced in detail.The crucial as pects related t o the accuracy of the result,such as the si m ulati on of materials and s pot welds,the ti m e contr ol,rigid body,and the definiti on of contact inter2 face are discussed.The comparing results bet w een si m ulati on and full2scale test indicated that the de2 f or mati on,accelerati on and moti on of vehicle body are consistent.The modelin g method of vehicle side crash is validated. Key words:vehicle;side crash;modeling;finite ele ment si m ulati on 汽车侧面碰撞安全性研究是当前世界汽车被动安全研究的一个热点,而汽车碰撞试验是汽车安全性研究中最准确可靠的方法,但此类试验是对试验车进行的破坏性试验,为检验一项设计目标往往需反复进行碰撞试验.由于碰撞过程复杂,试验费用高,设计与开发周期长,因此通过对汽车碰撞进行模拟计算来指导和部分取代试验工作,就成为汽车安全性研究的一种趋势[1].在汽车侧面碰撞计算机仿真技术研究方面,国外已经做了不少研究工作.在国内,目前还没有颁布汽车侧面碰撞的强制性法规,对汽车侧面碰撞安全性的研究才刚刚起步.文中采用美国ET A公司的汽车专业化仿真软件———虚拟试验场(VPG),以国产某轿车侧面碰撞有限元建模仿真为例,对整车碰撞方法和经验进行探索. 收稿日期:2005-01-25 基金项目:江苏省高校自然科学研究计划项目(03KJB580024);江苏大学高级专业人才科研启动基金资助项目(04JDG003)作者简介:游国忠(1975-),男,贵州毕节人,博士研究生(youecho@https://www.wendangku.net/doc/916248642.html,),主要从事汽车被动安全研究. 陈晓东(1974-),男,江苏无锡人,博士后(xiaodong2chen@https://www.wendangku.net/doc/916248642.html,),主要从事汽车被动安全研究.