基于MSC.Dytran的人-椅系统冲击动力学仿真分析 周昊 冯志杰

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基于MSC.Dytran的人-椅系统冲击动力学仿真分析

周昊 冯志杰

摘要：本文以某型汽车驾驶员座椅和仿真假人为研究对象，建立座椅有限元模型和HybridⅢ型假人模型，模拟驾驶员座椅在向右偏航10°和向左偏航10°时，乘员和座椅的动态响应，评估了某型汽车驾驶员座椅结构的动态冲击性能与人体的生理指标，研究MSC.Dytran软件用于人-椅系统评估的可行性。

关键词　驾驶员座椅；假人；动态冲击；生理指标

Abstract: In this paper, a simulation of automobile driver'sseat and leave human subjects, the establishment of the finite element seatmodel and type of Hybrid Ⅲdummy model to simulate the driver's seat in the right and left yaw 10 °whenthe seat occupant and the dynamic response, assessed the structure of a certaintype of car the driver's seat and the dynamic impact properties of the body'sphysiological indicators of MSC.Dytran software for people - chairs assess thefeasibility of the system.

Keywords ：driver's seat; dummy; dynamic impact; physiological indicators

引言

近年来随着计算机技术迅速发展和非线性有限元仿真技术成熟，特别是大量专用和通用的有限元仿真软件不断推出，为复杂结构的动力学仿真提供了更加有效的途径。在动力学研究中，数值仿真正发挥着越来越重要的作用。本文用MSC.Dytran软件对某型汽车驾驶员人椅系统进行了仿真分析与研究，通过仿真模拟可以对结构强度进行验证及优化，减少试验验证次数，缩短产品开发周期，降低研发费用，提高设计质量

1 瞬态冲击理论与接触碰撞算法

目前，在求解瞬态冲击动力学问题时，模态叠加法和直接积分法这两种方法用得较多，其中直接积分法又包括显式积分方法和隐式积分方法。大多数非线性瞬态分析程序都是采用显式时间积分来求解瞬态响应问题的，而显式积分法采用的是中心差分法。

按中心差分法差分法的理论，系统的动力平衡方程可表示为：

                        
        

为了模拟座框组件和滑轨组件之间的滑动过程、假人与坐垫以及假人与安全带之间的关系，应在可能发生接触的结构之间定义接触关系，这种关系要有效地模拟结构之间的相互接触过程，并允许结构之间连续不断的接触和滑动。本文计算主要涉及两个面之间的接触、若干离散节点与一个面之间的接触。

求解运算过程，每一时间步首先检查各从节点是否穿透主面，如果没有穿透则计算工作继续进行，对该从节点不做任何处理；若发生穿透，则采用罚函数进行处理，即在该从节点与被穿透主面之间引入一个界面接触力，称为罚函数值，其大小与穿透深度、主面刚度成正比，如下式：

对称罚函数法具有对称性、动量守恒准确、不需要碰撞和释放条件等优点，很少激起网格沙漏效应。

2 仿真分析

2.1 仿真模型建立

2.1.1仿真过程分析

本文针对某型汽车驾驶员座椅进行动态仿真分析。首先采用SOLIDWORKS软件建立了该座椅的几何模型，如图1所示，经过适当简化，建立了座椅和假人的有限元模型，对座椅考核向右偏航10 °和向左偏航10 °两种状态的动强度要求，加入相应的载荷大小、接触条件、约束条件和初始条件，最后通过Dytran软件进行有限元计算，分析座椅和假人的各项技术参数。

2.1.2 有限元模型

由于座椅结构复杂，在进行数值仿真计算的时候，考虑现有的计算条件，需要对座椅进行适当的简化，使之从难以计算甚至无法计算的复杂结构转换为适宜计算的有限元模型，并在普通的PC上顺利的完成整个座椅的冲击计算。针对座椅结构主要做了以下简化：去掉了对结构影响不大的子系统只保留了座椅的承力骨架和对假人在冲击过程中影响较大的部分。根据某型汽车驾驶员座椅生产图样，对座椅建立有限元模型，具体有限元模型见图2，座椅骨架采用体单元模拟，坐垫采用体单元模拟，座板和靠背板用板单元模拟，安全带由安全带单元模拟。为了在计算中实现座椅滚转和俯仰，在座椅有限元模型中椅腿部位附加了辅助结构。

2.1.3 仿真假人模型

   假人模型使用的是美国空军研究试验室（AFRL）1998年改进过的混合三型铰接整体假人模型（ATB假人）。由于ATB假人模型注重的是考察整个假人的多刚体动力学信息，建模的时候未考虑局部的细节，因此MSC公司在DYTRAN中对ATB假人模型进行了细化的几何描述。在DYTRAN中，ATB假人表面覆盖了一层独特的假人壳单元（dummyshell），这些假人壳单元的密度非常的小，可以忽略不计，这些附在椭球体上面的假人壳单元起到了增加假人几何精度的作用。这些假人壳单元是刚性的连接到ATB假人模型上，所有和这些假人壳单元相关的运动响应都反馈到ATB假人模型上，然后由ATB程序完成相关的多刚体动力学计算。

2.1.4 冲击波形

座椅和假人有限元模型建立后，根据人椅系统水平冲击的要求，首先设置滑轨和座椅、座椅和假人、假人与安全带以及座椅内部结构之间的各种类型约束关系；然后设置座椅和假人的初始速度，动态冲击前的末速度为12.8米/秒，最大冲击过载在撞击后0.05秒内达到26g，减速度——时间曲线为三角波形，冲击波形如图3所示。

2.1.5 材料模型

座椅结构主要是由座椅骨架、头靠垫、背垫、坐垫、安全带等组成。

座椅骨架材料为30CrMnSiA合金钢，其file:///C:\Users\user\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image002.gif。

座椅垫为聚氨酯泡沫，对应应力应变数值见表1：

图3 冲击波形

表1

ε	σ	应力应变曲线
0	0
0.35	0.117
0.4	0.2
0.45	0.37
0.5	0.6
0.55	1.0
0.7	8
0.9	100

安全带的应力应变数值见表2：

表2

ε	σ	应力应变曲线
0	0
0.065	1180
0.25	11120
0.6	17800

2.2 计算工况

工况1:座椅向右偏航10°，右椅腿向上10°，左椅腿滚转+10°。

工况2:座椅向左偏航10°，右椅腿向上10°，左椅腿滚转+10°。

2.3 座椅预变形的处理

在对座椅预变形处理时，为了使分析尽量的与实际一致，计算中通过先在椅腿处加载一随时间变化的强迫速度来实现变形状态，在通过一段时间来使座椅保持静止，在本文中，通过加载0s－0.1s时间段的强迫速度，来达到预变形的要求，在通过0.1s－0.5s时间段来使座椅达到静止状态。因此，冲击时间段为0.5s－0.6s。整个计算时间为0s－0.7s。

2.4 仿真结果与对比分析

2.4.1 座椅应力

在工况1状态下，座椅应力如图4所示，框架最大应力为911MPa；在工况2状态下，座椅应力如图5所示，框架最大应力为909MPa。

2.4.2 安全带载荷

工况1与工况2的安全带载荷如图6所示。工况1安全带的最大载荷为6785N，工况2安全带的最大载荷为7014N

2.4.3 头部加速度

工况1与工况2的假人头部加速度如图7所示。工况1假人头部的最大加速度为37g，工况2假人头部的最大加速度为38g。

2.4.4 头部位移

工况1与工况2的假人头部位移如图8所示。工况1假人头部的最大位移为0.29m，工况2假人头部的最大位移为0.31m

2.4.5 人椅运动效果图

     工况1与工况2的人椅运动效果图如图9、10所示。

3 结果分析与结论

通过以上对某型汽车驾驶员座椅进行仿真分析，可以得到如下结论

a．座椅各部件的最大应力都不超过其材料的许用应力，结构强度满足设计要求。

b．安全带肩带最大载荷为7014N，单根上躯干约束带上载荷不超过7780N，故安全带肩带载荷满足要求。

c．假人约束系统能经受动态载荷，且骨盆约束带保持在假人骨盆上，上躯干约束带保持在假人肩上具体见人椅运动效果图

d. 随着仿真技术的进步和研究的深入，仿真分析可以达到减少试验验证次数，缩短产品开发周期，降低开发费用，优化设计，提高设计质量的目的。

9-2

图9 工况1下人椅运动效果图

图10 工况2下人椅运动效果图

参考文献

[1]王勖成，邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法. 北京：清华大学出版社，1997

[2]HallquistJ O.  LS-DYNA Theoretical Manual, Rev 3. California: LivermoreSoftware Technology Corporation, 1993

[3] 美国联邦局.AC21-22 碰撞时人员的受伤标准

[4] 洪嘉振..计算多体系统动力学.北京：高等教育出版社，1999.7

[5] CCAR23-R3《中国民用航空规章  第23部正常类、实用类、特技类和通用类汽车适航标准》

[6] CTSO-127a《旋翼航空器、运输类汽车、正常类和实用类汽车座椅系统》

[7] SAE AS8049A  《民用旋翼运输和通用航空汽车座椅性能标准》

----本文选自2010年msc公司论文集