MADYMO 侧面碰撞设计优化

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在世界范围内，有多种不同的测试程序来评估在侧面碰撞中车辆对乘员的保护性能。例如，美国应用的是修定后的FMVSS201法规（立柱侧面碰撞）、FMVSS214法规（可变型障碍壁侧面碰撞 MDB）及LINCAP消费者测试规程等。最近美国高速公路安全保险协会（IIHS）引入一个全新而具有挑战性的侧面碰撞测试规程，以评估SUV对小个女性乘员的在侧面碰撞中的伤害。在世界上其它大多数地区，侧面碰撞评估测试程序都与欧洲ECE R95法规和欧洲新车评估程序（Euro-NCAP）相同或相似。

在侧面碰撞载荷情况下，乘员损伤是由于乘员近距离与侵入的车辆结构直接发生接触而导致，给车辆安全设计提出了独特的挑战。在乘员安全设计优化的过程中，虚拟试验是一种颇具价值且节省开支的设计工具。

在侧面碰撞的安全设计和优化中，根据不同的设计阶段可以采用不同的模型和建模方法。设计阶段可分为：概念设计 (Concept Design)；子结构(sub-structure) 或部件细化设计、评估与优化；整车模型的安全设计验证 (FVA – Full Vehicle Analysis)。MADYMO针对每一个设计阶段都提供了不同的侧面碰撞建模方法。

1. 概念模型 － 确定优选设计方案

结合多体侧撞假人模型，MADYMO多体求解器非常适合于概念设计建模开发阶段。这种建模方法可以快速建模，并且CPU计算时间短，计算结果具备很高的预测性，可以在概念设计阶段进行大量设计方案的对比，确保设计方案的合理性和有效性。

2. 子结构/部件细化模型 － 设计优化

子结构分析的优势在于可以避免整车结构分析的复杂性，而集中在关键部件的优化设计。 通常而言，子结构的baseline模型是从原始整车baseline模型 (FVA)中导出，因此其载荷条件也直接由原始FVA模型的模拟结果确定。子结构模型兼备建模细节和计算效率的优势，因此特别适合于对乘员约束系统的分析和优化。图3.2说明如何从原始FVA模型建立子结构模型。

3. 完整系统建模 － 设计验证

在安全设计优化结束后，就可以应用更新的FVA模型对新设计方案进行验证了。用于设计验证的FVA模型一般包括：整车结构、经优化的车辆内饰和约束系统、碰撞假人和障碍壁（刚性立柱或可变形移动障碍壁MDB）。 此时，需要利用非常细致的有限元模型，才能够评价结构设计改动对车身和乘员保护的影响。

为了便于FVA模拟，MADYMO提供了全系列经过严格验证的有限元侧撞假人和障碍壁模型。这些工具可以用于MADYMO独立模拟，也可与其它有限元程序耦合计算。MADYMO Model手册中详细介绍侧撞假人和障碍壁模型。

MADYMO PSM子结构法的最大优势在于计算效率和计算精度，非常适合于约束系统及车门内饰的优化设计。

1. 计算效率

如下表所示，相对于整车有限元分析 (FVA)，根据PSM部件的比例，PSM方法可提高计算效率6-18倍，可以将CPU时间降低到3-8小时。

模型规模                    CPU 时间        加速比
整车有限元分析 (FVA)      48 小时               1
PSM (仅车门外板)        8 小时               6
PSM (整个车门结构)        3 小时             18

2. 计算精度

如下图所示，PSM子结构模型的计算精度与试验结果吻合良好，PSM部分所占比例对假人响应影响的不显著。

详细信息请下载
http://www.tno-automotive.cn/download/MADYMO_SideImpact.pdf

MADYMO

MADYMO提供全系列经过严格验证的假人模型，包括:

1. EuroSID-1 & -2            Japan/Europe  side impact regulations & J-NCAP/Euro-NCAP

2. US DoT-SID                FMVSS 214 & LINCAP

3. SID-HIII                     FMVSS 201-POLE

4. SID-IIs (small female)   IIHS-SUV

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SID-IIs 5％女性假人，用于IIHS SUV障碍壁侧撞试验

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EuroSID-1 FE 假人模型试验验证

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利用AutoDOE进行Thorax airbag参数分析和优化设计:

优化目标:
在设计空间内达到最优保护性能

设计变量:
1. 气体发生器点火时间 Inflator triggering time:  3ms < TRIG < 12 ms
2. 气囊织物透气性 Fabric permeability: 0.0 < CDEX < 1.0
3. 气体温度方程 Gas temperature function: GTFUN [Hot, Medium, Cold]

伤害值:
1. 头部损伤值 Head injury criteria (HIC)
2. 胸部损伤指数 Thorax Trauma Index (TTI)
3. 髋部加速度峰值 Pelvis Peak Acceleration (PPA)

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AutoDOE优化结果

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帘式气囊开发

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不是把车辆看成一个刚体，而是用多刚体方法建立车辆模型，同时使用joint or point restraints连接，允许多体结构的变形。例如，当MDB与车门接触时，使车门向车内运动，与假人及座椅发生接触。

下图是一个最常用的多体侧撞模型

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详细的侧围结构多体模型，此模型在开发车身侧撞结构时非常重要，关键是寻找侧围各部分的stiffness balance，以获得最优侵入量和侵入profile.

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这是个非常有用的方法，建立好多体的车身结构模型后，利用DOE参数分析，找出对侧围侵入量影响最大的塑性铰，然后设定最大侵入量及侵入速度 (intrusion velocity profile)等，可优化出侧围结构各部分塑性铰的刚度特性，达到刚度平衡，使B柱和车门侵入量最有利于乘员响应。

根据优化后的塑性铰刚度，用FE法算出所需的梁截面 (cross-section)，然后再进行结构细化设计，车门内饰板(door trim)设计，气囊等约束系统设计。。。

这种方法目前在日本、法国、韩国得到广泛应用，开发速度很快，减少了FE模型的修改次数，提高结构的变形及吸能特性，

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这种方法主要应用在概念设计和方案论证阶段，找出满足设计要求的最优结构方案。

试想，如果前期方案错了，后期的工作量就很惊人了，进入细化设计阶段，FE模型少则几M单元，修改FE模型的难度很大，也很耗时。

这就是TNO一直倡导的 ' better born design', 呵呵，费傻劲是不值得同情的。