基于模块化建模的有限元乘员约束系统模型及其建模方法与流程

本发明涉及一种乘员约束系统模型及其建模方法，尤其涉及一种基于模块化建模的有限元乘员约束系统模型及其建模方法。

背景技术：

乘员约束系统主要包括安全带、安全气囊、座椅、转向管柱、仪表板、方向盘、地板等。它主要是避免或减轻车内乘员与车内部件发生二次碰撞，使乘员所受到的伤害降低到最小。

传统的乘员约束系统仿真分析主要是利用荷兰道路汽车研究所研发的多刚体madymo软件，应用多刚体的方法进行建模与优化，这种分析方法具有计算效率高，假人模型数据库丰富的特点，但是并不能够模拟乘员与内饰的真实碰撞接触状况，同时也不能够比较真实的反应约束系统吸收假人动能情况，使得约束系统模型的仿真精度较低，并且灵活性差，匹配效率低。另外，部分公司利用整车有限元模型进行约束系统对乘员伤害影响的研究，该方法避免了利用madymo 软件的不足之处，但计算效率很低，大大提高计算时间，从而影响研究进度。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于模块化建模的有限元乘员约束系统模型及其建模方法，能够实现约束系统仿真模型的模块化标定和管理，并能对约束系统的子模型进行优化及替换，从而达到提高约束系统的仿真精度和匹配效率的目的。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于模块化建模的有限元乘员约束系统模型，其特征在于：包括以下约束子模型：安全带模型、安全气囊模型、座椅模型、仪表板模型、方向盘模型、有限元假人模型、车地板模型和风挡玻璃模型，其中，对乘员伤害影响较大的模型，均进行了相关的性能试验以提高各模块的可信性。

进一步地，所述性能试验包括：安全带拉伸试验、安全气囊的静态展开试验、座椅加载动态试验、仪表板动态冲击试验、方向盘静态刚度试验、转向管柱静态压溃与动态压溃试验、TANK试验以及落锤试验。

一种上述有限元乘员约束系统模型的建模方法，包括如下步骤：

1）根据汽车乘员约束系统零部件试验规范，进行约束系统中各零部件冲击试验，获得各零部件相关的性能参数；

2）从有限元乘员约束系统模型中提取出各零部件对应的约束子模型，并删除约束子模型中对乘员伤害影响较小的结构或者采用一维单元代替以进行简化，然后根据步骤1获得的各零部件相关的性能参数，对各约束子模型进行性能参数对标；

3）将对标后的约束子模型和有限元假人模型均保存为独立模块；

4）将除有限元假人模型外的各约束子模型边缘网格单元刚性化，并用*CONSTRAINED_RIGID_BODIES关键字来固定各约束子模型与车地板的相对位置，然后创建约束子模型之间的自接触；

5)根据试验中假人H点和试验数据调整假人的位置和姿态，然后根据整车碰撞试验或仿真的B柱下端的加速度作为假人的输入脉冲，创建假人与约束子模块的接触和相关控制卡片以完成建模；

6）对步骤5）建立的模型进行适当调整并仿真分析，得到仿真输出的假人伤害评价指标参数，并与整车碰撞试验获得的假人伤害评价指标进行对比，观察二者的重合度，若重合度达70%以上，则该简化模型为有效的有限元乘员约束系统模型。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）基于有限元的仿真方法，可以精确地模拟车内乘员与车辆内饰的接触情况，同时将模块化建模思想引入到汽车约束系统的优化匹配仿真中，可以一次利用子模块组建多个约束系统仿真模型，子模块数据更新，多个分析模型同步更新，缩短了建模时间，提高了约束系统的优化匹配效率，达到了企业约束系统匹配设计的高效率、高精度、子模型可替换的目的。

（2）能够在汽车乘员约束系统优化匹配阶段预测其对乘员的保护性能，同时其仿真结果能够对新车在研发阶段的汽车乘员约束系统的设计提供依据和指导，更重要的是，可以精确的模拟约束系统的保护性能，具有广泛地工程应用价值和良好的应用前景。

（3）本有限元模型，除地板和前挡风玻璃外，各模块都进行了相应的零部件试验且进行了对标验证，从而在一定程度上提高了模型的精确性。

（4）完成某车型试验对标后的简化模型，可作为该车型的基础模型进行后期研究；所述简化模型可通过修改假人位置和姿态，单独调整约束系统模块的参数和位置来进行新车型的约束系统性能的开发与研究。

（5）该简化模型相对于madymo模型更能真实的反应假人的伤害情况及动态响应，相对于传统的利用整车有限元模型进行乘员伤害研究更有效率，大大缩短了计算时间。

附图说明

图1为本发明中有限元乘员约束系统模型的建模方法的流程图。

图2为本发明型具体实施例中试验与仿真对标曲线图，其中：a为卷收器曲线图、b为肩带力曲线图、c为腰带力曲线图、d为骨盆加速度曲线图、e为胸部加速度曲线图、f为头部加速度曲线图、g为胸部压缩量曲线图、h为左大腿力曲线图、i为右大腿力曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：一种基于模块化建模的有限元乘员约束系统模型，包括以下约束子模型：安全带模型、安全气囊模型、座椅模型、仪表板模型、方向盘模型、有限元假人模型、车地板模型和风挡玻璃模型，其中，对乘员伤害影响较大的模型，均进行了相关的性能试验以提高各模块的可信性。所述性能试验包括：安全带拉伸试验、安全气囊的静态展开试验、座椅加载动态试验、仪表板动态冲击试验、方向盘静态刚度试验、转向管柱静态压溃与动态压溃试验、TANK试验以及落锤试验。

参见图1、图2，一种上述有限元乘员约束系统模型的建模方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）根据汽车乘员约束系统零部件试验规范，进行约束系统中各零部件冲击试验，获得各零部件相关的性能参数；其中，约束系统零部件冲击试验包括：方向盘静态刚度试验、转向管柱静态压溃与动态压溃试验、仪表板动态冲击试验、座椅加载动态试验、安全带拉伸试验、安全气囊的静态展开试验、TANK试验以及落锤试验。

2）从有限元乘员约束系统模型中提取出各零部件对应的约束子模型，并删除约束子模型中对乘员伤害影响较小的结构或者采用一维单元代替以进行简化，得到简化模型；然后根据步骤1获得的各零部件相关的性能参数，对各约束子模型进行性能参数对标。

3）将对标后的约束子模型和有限元假人模型均保存为独立模块；以便后期单独对模块更新，并便于主文件调用。具体实施时，对标好的约束子模型以及有限元假人模型保存为INLCUDE文件；操作过程中，利用hypermesh中Ls_dyna模板下的*INCLUDE关键字将子模型保存为INCLUDE文件。

4）由于地板对假人伤害影响很小，可将其刚性化，同时将其他模块（除假人外）的边缘网格单元刚性化；具体实施时，将除有限元假人模型外的各约束子模型边缘网格单元刚性化，然后，新建一个INCLUDE文件置为当前，并用*CONSTRAINED_RIGID_BODIES关键字来固定各约束子模型与车地板的相对位置，然后创建约束子模型之间的自接触。

5)根据试验中假人H点和试验数据调整假人的位置和姿态，然后根据整车碰撞试验或仿真的B柱下端的加速度作为假人的输入脉冲，并给假人施加重力加速场，创建假人与约束子模块的接触并设定相关控制卡片以完成建模；具体实施过程中，在步骤4）所述文件中创建假人与约束系统模块的接触和相关控制卡片以完成建模，或单独添加INCLUDE文件来设置控制卡片，便于后期管理。其中，假人H点表示试验中假人定位的基准点，而控制卡片表示对仿真模型进行稳定性、求解算法以及输出数据等进行控制的关键字。

6）对步骤5）建立的模型进行适当调整并仿真分析，得到仿真输出的假人伤害评价指标参数，并从假人头部合成加速度、颈部力和力矩、胸部合成加速度和胸部压缩量、骨盆合成加速度、大腿力、以及安全带力方向与整车碰撞试验获得的假人伤害评价指标进行对比，观察二者的重合度，若重合度达70%以上，则该简化模型为有效的有限元乘员约束系统模型；若低于70%，则重复步骤1）—步骤6）。

根据某车型的试验数据，结合上述约束系统模型进行仿真对标，对标结果见图2。可以看出，仿真数据的大体走势、峰值时刻、峰值大小与试验数据基本一致，则说明该仿真模型具有一定的可信度。

上述简化模型根据某车型试验数据完成对标对标后可作为该车型的基础模型进行后期研究。该简化模型可作为基础模型进行新车型开发中约束系统匹配和优化设计，具体如下：

1）根据新车型数模调整各模块位置或更换关键数模；

2）根据假人H点及乘员空间调整假人位置及姿态；

3）更新加速度脉冲；

4）更新安全气囊和安全带相关配置。

完成上述操作后，就可进行求解计算以对新车型开发中约束系统部分进行指导，同时调整相关参数来降低仿真中乘员伤害，从而实现束系统匹配和优化设计。

本发明中所引入的模块化建模方法，其核心思想是将汽车乘员约束系统按照物理特性划分为多个子模块，每个子模块建成独立的模型文件。一个简化的台车模型由多个子模型文件组成。使用hyeprmesh软件中LS_dyna模板下的*INCLUDE关键字调用各个子模块，即每个*INCLUDE关键字后对应不同模块的文件位置。提交Ls_dyan计算时直接调用涉及到的子模块，装配成简化的台车模型进行求解。

建模过程中，首先进行约束系统各零部件的冲击试验，获得其相关的性能参数，同时建立约束系统子模块简化的有限元仿真模型进行对标，分别保存为独立的INCLUDE文件。利用hypermesh软件中的Ls_dyna模板下的*INCLUDE关键字调用各个子模块，装配成简化的台车有限元模型进行求解。该方法能够良好的评估汽车乘员约束系统的保护性能，并能够实现约束系统的各个子模块模型的替换，大大的提高约束系统的优化匹配效率。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。