有限元技术在汽车翻滚问题中的研究

为研究汽车翻滚中乘员的头部损伤情况,建立了某乘用车的平台翻滚试验有限元仿真模型,分别采用Hybrid Ⅲ假人和THUMS模型作为驾驶员,对比两者在有无安全带约束情况下的表现。结果表明:两种驾驶员的头部损伤风险均较高,THUMS模型的反应更接近真实情况;安全带对驾驶员头部有明显保护作用。     

基于中国人体尺寸的假人头部模型质心参数设计

基于中国人体头部尺寸参数,采用非均一线性缩放方法对混合Ⅲ型(Hybrid Ⅲ)假人头部模型进行缩放获得了符合中国50百分位人体尺寸的假人头部模型。利用该模型建立头部标定试验仿真模型,研究了假人头部模型质心设计参数对中国假人头部模型在标定试验中动态响应的影响,通过与Hybrid Ⅲ假人头部标定试验响应的对比,探讨了基于中国人体尺寸的假人头部模型质心参数设计依据。结果表明,缩放所得中国假人头部模型合成加速度峰值较Hybrid Ⅲ假人头部模型大8.6%;质心参数对中国假人头部模型合成加速度峰值的影响比Hybrid Ⅲ假人头部模型明显;当前Hybrid Ⅲ假人头部模型质心偏差要求不适用于中国假人头部模型质心参数设计,中国假人头部模型的生产应制定更严格的质心偏差要求。     

AEB对前碰假人运动姿态影响研究

AEB系统可以在碰撞事故中避免碰撞或者降低碰撞相对速度,但同时也会导致车内乘员偏离正常坐姿,进而降低原有约束系统的保护性能。在对Hybrid III与THUMS两种假人模型的颈部、胸椎及腰椎进行三点弧简化的基础上,搭建驾驶员有限元约束系统模型,分析正面碰撞中,两种假人模型颈部、胸椎及腰椎旋转运动的区别。并进一步研究了AEB作用对于两种假人模型转动姿态的影响。结果表明:AEB作用结束后,假人初始姿态发生变化,相比Hybrid III假人,THUMS假人躯干前倾现象更明显,骨盆有更大的向前滑移量;AEB作用下,两假人颈部与腰椎夹角变化有较大区别。     

基于中国人体特征的正面碰撞假人的开发策略探讨

采用计算机仿真方法探讨了在现有Hybrid Ⅲ假人基础上通过较少的改变来开发符合中国人体特征的假人的可行性。根据比例缩放方法建立了整体符合中国50百分位人体的假人有限元模型。考虑到中美两国人体最大差异在于四肢,且躯干全部缩放后加工难度较大,故建立了以美国人体特征为基础仅缩放假人四肢和调整部分躯干部件的假人模型,同时,改变假人的材料参数得到了另外一个假人模型。对以上三个假人模型进行碰撞仿真,结果表明,改变假人的材料参数对其碰撞响应的影响很小,而缩放假人外形尺寸对其碰撞响应影响较大,且结果显示缩放假人四肢并调整部分躯干部件的假人与缩放全体段假人的动态响应基本吻合。因此,采用部分缩放的方法来开发中国假人是可行的。     

离位工况下侧面气囊展开对Hybrid Ⅲ 3儿童假人损伤的研究

为减少侧面碰撞中乘员的伤害,侧面气囊越来越普及到汽车的安全系统当中,但侧面气囊的展开会对离位工况的乘员造成伤害。研究了在离位工况下侧面气囊的展开对乘员的伤害,并制定了相关的测试要求。根据该要求,对Hybrid Ⅲ 3儿童假人进行了4种离位工况的侧面气囊展开试验和评价。根据试验结果,对4种工况下Hybrid Ⅲ 3岁儿童假人的参考损伤值进行了分析。结果表明:Hybrid Ⅲ 3儿童假人前朝向坐姿头部受到SAB和和CAB的共同作用,造成其HIC值在4种工况中最高;平躺座椅工况中颈部受到SAB的作用,N_(ij)值达到最大;头部靠近扶手的工况中颈部的拉伸力最大;后朝向试验工况中假人未受到其他相关约束,在CAB和SAB展开作用于假人的胸部时,假人会沿着展开的方向运动,但对胸部伤害不明显。研究结果为优化试验次数提供参考,从而实现减少开发成本和缩短开发周期。     

某驾驶员座椅鞭打性能分析及优化

针对某驾驶员座椅在鞭打试验中颈部伤害值过大问题,总结C-NCAP(2015版)鞭打试验评价规程和评分原则,研究了颈部伤害指标与假人颈部运动响应的相关性。结合影响鞭打试验性能的座椅参数分析了该座椅鞭打试验失分原因。按照C-NCAP鞭打试验具体规则,建立了该座椅鞭打的有限元分析模型,并与摸底试验结果进行对标验证,验证了模型的有效性。在该模型基础上,进行了座椅结构的仿真优化改进。研究结果表明,有限元仿真模型计算的颈部伤害曲线趋势、峰值大小与试验基本一致,所建立的仿真模型能较好地预测试验中的假人颈部运动响应;通过优化头枕及靠背上部刚度值和减小头部和座椅头枕间的水平距离,减小头部相对人体躯干运动,可显著改善鞭打试验中颈部伤害,实现设计目标。     

客车座椅乘员保护小腿伤害研究

纵观国内外客车座椅乘员保护动态实验标准,均只对假人头部、胸部及大腿的伤害指标作了要求,而未涉及假人的小腿伤害。通过CAE法对国内某款座椅进行了仿真分析,在该座椅满足标准要求的情况下,发现假人小腿伤害却非常大。然后从试验假人小腿伤害的机理出发,对该款座椅进行了结构改进,改进后假人的小腿伤害明显降低。     

乘用汽车小重叠率侧面柱碰撞的乘员损伤研究

基于侧面柱碰撞对乘员伤害的严重性,利用LS-DYNA与Hyper Works软件建立了某乘用汽车的侧面柱碰撞仿真模型,通过ES-2RE型假人对该事故形态中乘员的损伤进行了仿真研究。其结果表明:在侧面柱碰撞中人体的头部、颈部、下部肋骨以及腹部受到的伤害较大,而上、中部肋骨以及骨盆的伤害较小。     

正面碰撞中乘员小腿伤害的优化分析

针对某车型正面碰撞滑车试验过程中假人小腿失分问题,基于多次滑车匹配试验数据进行了研究,分析了正面碰撞中假人小腿伤害机理和汽车实际碰撞中假人小腿伤害超标问题。根据试验数据建立了有限元分析模型并对基础滑车试验进行了仿真对标,验证了模型有效性。结合试验数据及仿真结果分析了假人小腿失分原因,并对歇脚板区域进行了结构优化以改进小腿得分,最后通过滑车试验验证了方案可行性。研究结果表明,依据滑车试验数据所建立有限元仿真分析模型可预测假人运动姿态及伤害值;通过优化脚部缓冲垫的结构与材料强度,提高缓冲垫的吸能效果来减小小腿伤害,可达到结构优化目的,从而为改进小腿得分、提高车辆碰撞星级提供了参考。     

某MPV车型后排约束系统对标和改进设计

为了减少汽车碰撞安全法规C-NCAP中的整车偏置碰撞试验ODB64对后排假人胸部的伤害,通过对第二排女性假人进行受力分析,和座椅泡沫刚度试验、安全带织带的拉伸试验、静态卷收器芯轴织带环绕拉出试验以及整车偏置碰撞试验,完成了仿真和试验的对标分析,并在仿真模型中改进了约束系统的限力装置,使假人的胸部伤害得到了较大改善,提高了该MPV车型后排乘员的安全保护性能。     

基于THUMS人体模型的某座椅挥鞭伤研究

本文旨在通过组织层面分析C-NCAP鞭打试验中THUMS人体模型颈部的伤害。首先基于C-NCAP(2018版)鞭打试验建立某座椅仿真模型,以医学上的颈部损伤指标作为评价指标对THUMS人体模型颈部进行伤害研究。结果表明,在头部过度弯曲的情况下,颈部各组织的应力应变参数在"C"变形阶段均明显比"S"变形阶段大,软组织损伤更严重,头部的上窜和颈椎过度弯曲都会导致前纵韧带、棘间韧带过度拉伸,易发生撕裂损伤。     

混Ⅲ假人、GHBMC人体模型以及中国人体模型的正碰损伤差异

基于清华大学汽车碰撞试验室关于中国参数化人体有限元模型的研究,根据中国50百分位人体的参数生成了可用于碰撞仿真的中国50百分位人体模型,通过相同车型同一工况下的碰撞仿真分析,使用损伤响应分析和损伤风险曲线两种不同的评价方式研究了Hybrid Ⅲ假人、GHBMC有限元人体模型以及中国50百分位人体模型损伤响应的差异性。结果表明,相比中国50百分位人体模型,Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型的颈部和胸部损伤风险更高,而GHBMC 50百分位人体模型的大腿损伤风险更低,分析结果揭示了两种乘员评价工具在评价基于保护中国人体而设计的乘员约束系统时的差异性和局限性。     

汽车转向机构对女性驾驶员伤害的仿真分析

建立了带Hybrid Ⅲ 5%女性假人的转向机构台车试验模型并验证,以现行标准中整车正面碰撞试验结果为边界条件,研究分析汽车转向机构对女性驾驶员的伤害情况。结果表明,在没有气囊保护情况下,转向机构对女性驾驶员的头部、颈部和胸部伤害很容易超过标准要求。建议在现行零部件试验标准中增加对女性驾驶员的测试。     

正面离位乘员试验中采样时长对假人伤害值的影响分析

为了分析离位乘员正面碰撞试验中采样时长对假人伤害值的影响,本文以驾驶员位置的HIII-5F假人为研究对象,对假人三个主要部位(头、颈、胸)的伤害值进行统计分析,研究了两种采样时长125ms与200ms下假人各主要部位的伤害情况。结果表明:不同采样时长对假人头部伤害以及胸部伤害指标未产生影响,在不同采样时长中,气囊的展开状态以及假人在不同时刻身体各部位运动趋势的差异,均会对颈部伤害指标产生影响。     

汽车正面碰撞乘员约束系统的安全性分析

根据正面碰撞乘员约束系统的结构,简要地介绍了某车型中乘员约束系统各部件的模型的建立。并对建立好的模型进行了仿真分析,假人的伤害情况结果表明,该车型的乘员约束系统对乘员起到了很好的保护作用。     

客车乘员座椅动态试验的仿真研究

依据GB13057-2014法规要求,应用Hypermesh软件建立客车座椅动态试验的有限元模型,接着调用HybridⅢ50%男性假人,调整其姿态,同时把已建好的有限元模型及调整好01.1的多面体假人进行耦合设置并提交计算。结果表明,仿真分析结果与试验结果在运动过程、变形情况、乘员伤害值等方面具有较好的一致性,仿真模型能够预测和代表试验段在试验测试中的力学行为,并为后期的座椅动态安全性优化提供可靠的依据。     

基于仿真和动物试验的3岁儿童胸腹部软组织器官损伤风险研究

根据联合国欧洲经济委员会导入的R129法规儿童约束系统台车正面碰撞条件,结合有限元仿真和动物试验的方法,研究3岁儿童在前置护体型和五点式背带型儿童约束系统(Childrestraintsystem,CRS)中的胸腹部软组织损伤风险。在有限元分析中,采用3岁儿童假人Q3和THUMS(Total human model for safety)第四代学术版3岁儿童(Three-year old, 3YO)人体有限元模型,建立两款CRS台车正面碰撞数值分析模型,对比3岁儿童乘员在两款CRS中的运动学响应、损伤参数及胸部软组织器官损伤参数;为了检验动态载荷下在前置护体型和五点式背带型CRS中,胸腹部内软组织器官是否有受到损伤,使用7头质量在9.7～13 kg的西藏小猪放置在台车上进行动态加载试验,通过解剖学处理并进行损伤严重程度评分(Injury severity score, ISS)评价小猪胸腹部内脏损伤。仿真结果表明,Q3假人和THUMS 3YO有限元模型的运动学响应和胸部压缩量存在很大差异;THUMS 3YO在前置护体型CRS中胸部变形压缩率为39.25%,AIS (Abbreviated injury scale, AIS) 4级的损伤风险为50%;两款CRS的THUMS 3YO儿童乘员胸腹部内脏软组织器官所受的应力应变均超出了损伤阈值。在前置护体型CRS中,儿童胸腹部软组织所受应力应变在区域和数值上相对于五点式背带型CRS更大,发生胸腹部软组织损伤的风险也更大。动物试验结果表明,在前置护体型CRS中,肺挫伤、冠状动脉撕裂、肝撕裂是常见的胸腹部损伤,小猪即使不发生肋骨骨折也有内脏器官损伤。研究结果有助于儿童乘员胸部损伤机理研究和防护系统的开发。     

基于MADYMO模型的再次优化使达到 C-NCAP 4星的目标

为了达到某车C-NCAP 4星的目标,在基于台车试验数据、几何数据和约束系统零部件试验数据的基础上,建立了某车正面100%碰撞乘员约束系统的MADYMO模型,此模型可以很好的再现滑台试验,并在改变气囊和安全带参数上进行了优化,优化后假人伤害值达到了预期的分解目标,做滑台试验验证了MADYMO模型的准确性,第一次摸底试验副驾驶员侧假人头部及颈部伤害值未达到预期的分解目标。再次通过MADYMO优化副驾驶员侧气体发生器向安全气囊充气的性能(压力-时间曲线),使副驾驶员侧假人头部及颈部伤害值达到满分,第二次摸底试验结果达到了假人伤害值的分解目标。     

基于有限元的人机碰撞中人体头颈部安全性研究

从人机交互的定义着手,分析该过程中人体安全受到的潜在威胁,给出人机交互安全的评价指标。在人机交互环境中,人的头部以及颈部是最容易受伤的部位,同时头颈部所受伤害对人造成的后果也是最严重的。因此对人机碰撞中人的头颈部安全性研究是非常有必要的。现阶段,人机碰撞实验基本都是使用Hybrid III50th假人来进行的。利用ABAQUS软件建立有限元人机碰撞模型,分析了在几种不同情况下人体头部受到机械手臂正面碰撞之后的头部与颈部损伤情况。利用有限元法来进行仿真分析,能够预测人体受到伤害时的自我响应,同时可以弥补动物和尸体实验不可重复、测量困难以及成本高昂的缺陷。因此,有限元仿真方法对人机碰撞中人体安全性研究有着重要的作用及意义。     

客车座椅乘员保护假人颈部伤害研究

目前国内外客车座椅乘员保护标准,均只对假人头部、胸部及大腿的伤害指标作了要求,而未涉及假人的颈部伤害。而在现有的C-NCAP新车安全评价标准中,颈部伤害却是一个很重要的评分项,可见颈部伤害指标的重要性。通过对国内某款客车座椅进行CAE分析,研究其对假人颈部的保护性能。