為得到可靠的模型和計算結(jié)果，必需遵循規(guī)范的建模和驗(yàn)證流程。應(yīng)用MADYMO 模型進(jìn)行虛擬試驗(yàn)或數(shù)值仿真是乘員約束系統(tǒng)開發(fā)流程中重要的工具。
本文通過一個實(shí)例詳細(xì)介紹MADYMO 正面碰撞模型的建模及驗(yàn)證方法和需要注意的事項(xiàng)。模型的響應(yīng)與US NCAP 試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，包括腰帶與肩帶力、大腿力，以及髖部、胸部和頭部的加速度響應(yīng)。ADVISER 客觀模型質(zhì)量評估的結(jié)果表明，該模型質(zhì)量的整體分?jǐn)?shù)達(dá)到86.5%，因此可用于進(jìn)一步DOE 和隨機(jī)分析，以優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)約束系統(tǒng)的穩(wěn)健性設(shè)計。
簡介
在乘員約束系統(tǒng)開發(fā)中，MADYMO 模擬仿真是重要的分析設(shè)計手段，可用于預(yù)測不同設(shè)計方案的保護(hù)效果，顯著減少物理試驗(yàn)次數(shù)，提高約束系統(tǒng)在不同載荷工況(load cases)下的穩(wěn)健性。然而，MADYMO 模型的預(yù)測能力取決于該模型是否能夠真實(shí)反映假人與車內(nèi)部件和約束系統(tǒng)相互作用的物理碰撞過程。
本文通過一個US NCAP 實(shí)例詳細(xì)介紹MADYMO正面碰撞模型的建模及驗(yàn)證方法和需要注意的事項(xiàng)，并利用ADVISER 對模型質(zhì)量進(jìn)行評估。
正面碰撞建模
如圖1 所示， MADYMO 正撞模型包括車體(vehicle)，乘員(occupant) 和約束系統(tǒng) (restraints)
等構(gòu)成。
圖1 建模的系統(tǒng)框架
車體系統(tǒng)
車體系統(tǒng)包括：地板、防火墻、風(fēng)擋、頂棚、儀表板、方向盤和座椅。也可以將儀表板、方向盤和座椅作為獨(dú)立的子系統(tǒng)來建立模型，這樣可以方便利用MADYMO/Exchange 實(shí)現(xiàn)模塊數(shù)據(jù)庫管理和替換。
車體系統(tǒng)的原點(diǎn)設(shè)置在前橋中心點(diǎn)，其余部件可根據(jù)此原點(diǎn)精確定位。一般可利用車內(nèi)空間(interior layout)的CAD 設(shè)計圖或FE 模型準(zhǔn)確建模。本文模型利用整車FE 模型。
根據(jù)碰撞試驗(yàn)結(jié)果或工程經(jīng)驗(yàn)，在車體結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變形的部位定義運(yùn)動鉸，以模擬相關(guān)的結(jié)構(gòu)變形。例如: 地板(floor)和防火墻(firewall)或footwell連接處。如果在模擬中不需要考慮結(jié)構(gòu)變形侵入，將此鉸的初始狀態(tài)設(shè)置為LOCK 即可。
約束系統(tǒng)
約束系統(tǒng)包括安全帶和安全氣囊。安全帶織物可用多體或多體-FE 混合建模。如果安全帶在假人身體表面存在明顯的滑動，則需要使用多體-FE 混合安全帶建模。本文的模型采用多體安全帶。安全帶的定義還包括卷收器、限力器和預(yù)緊器，根據(jù)實(shí)際情況定義限力器的大小和預(yù)緊器的預(yù)緊時間。
利用MADYMO/Folder 工具方便地生成并折疊DAB 安全氣囊網(wǎng)格。通過調(diào)整CDEX 系數(shù)可模擬不同排氣孔(vent hole)尺寸對氣囊性能的影響，而不必改變mesh。對于正常坐姿 (in-position)的乘員，使用均衡壓力算法(uniform pressure)即可滿足要求；而對于離位乘員(out-of-position)，則需要使用Gasflow 算法精確模擬氣囊展開過程中與乘員的相互作用。本文中采用uniform pressure 算法。
座椅模型
座椅模型的接觸特性直接影響假人髖部的運(yùn)動響應(yīng)。一般需要根據(jù)零部件試驗(yàn)獲取座墊 (cushion)剛度和摩擦系數(shù)、座盆 (seat pan)及防下潛結(jié)構(gòu)(anti-submarine)的剛度等參數(shù)。本模型中的座椅特性通過試驗(yàn)獲得。
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型
方向盤及轉(zhuǎn)向柱的吸能特性可通過零部件試驗(yàn)獲取。在本次試驗(yàn)中，由于安全氣囊的緩沖保護(hù)作用，方向盤及轉(zhuǎn)向柱均未發(fā)生明顯變形，因此在模型中未針對此車型專門進(jìn)行零部件試驗(yàn)，而直接采用generic 的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。
假人模型及定位
MADYMO 提供豐富的假人模型庫，可方便地通過INCLUDE 語句的直接調(diào)用。假人的精確定位對模擬結(jié)果至關(guān)重要，可根據(jù)試驗(yàn)前的測量值或presimulation實(shí)現(xiàn) [2]。
接觸定義
在正面碰撞中，主要的接觸有：假人鞋與地板/防火墻、假人髖部與座椅、膝蓋與膝墊、假人與安全氣囊等。如果使用的是有限元安全帶，則要定義安全帶與假人之間的接觸。
加速度場
將試驗(yàn)中測得的B 柱下端的加速度信號和重力場施加在MADYMO 模型上，完整模型如圖2 所示。
圖2 正面碰撞模型
模型驗(yàn)證
MADYMO 模型驗(yàn)證遵循“從下至上”的原則，即先下肢、髖部、胸部，最后頭部響應(yīng)；力與加速度信號應(yīng)滿足“起始時刻、形狀、峰值、峰值時刻及脈寬”等基本特征，如圖3 所示：
圖3 模型驗(yàn)證流程
驗(yàn)證結(jié)果
圖4-12 是MADYMO 模型響應(yīng)與US NCAP 碰撞試驗(yàn)結(jié)果的對比。
ADVISER 評估結(jié)果
利用ADVISER 工具[3,4]，可以得出模型質(zhì)量的客觀量化的評估分?jǐn)?shù)，如表1 所示。
表1 ADVISER 模型質(zhì)量評估結(jié)果
討論
良好的MADYMO 模型應(yīng)該如實(shí)反映整個碰撞的物理過程。在碰撞過程中，假人身體各部位自下往上與車體/約束系統(tǒng)逐步發(fā)生接觸，力和加速度信號的起始時刻是對碰撞過程的直接反映。為保證接觸時刻正確，車內(nèi)空間 (interior layout)和假人的定位是關(guān)鍵，否則無法如實(shí)反映實(shí)際的碰撞過程。因此應(yīng)詳實(shí)準(zhǔn)確記錄碰撞前假人的定位參數(shù)。從模型的驗(yàn)證結(jié)果（圖4-12）可以看出，模擬過程中已經(jīng)基本反映了實(shí)際碰撞的物理過程。
其次，需要保證大腿受力、髖部x-和z-向的加速度。保證髖部的加速度的正確性，就能確定假人的基本運(yùn)動，以確保胸部和頭部響應(yīng)正確。髖部的x-和z-向加速度受大腿力、腰帶力、座墊剛度和摩擦力的影響。膝墊、座椅和安全帶的零部件試驗(yàn)結(jié)果可提高髖部響應(yīng)的準(zhǔn)確性。
胸部x-向加速度主要受肩帶力和安全氣囊的影響，胸部z-向加速度受坐墊和安全氣囊的影響較大。頭部的加速度主要受安全氣囊的影響。在做驗(yàn)證的時候，注意各因素之間影響關(guān)系，才能建立較好的模型。
由于本模型中使用多體安全帶模型，無法模擬安全帶在假人身體表面的滑動，導(dǎo)致肩帶受力上升沿與實(shí)測結(jié)果存在比較明顯的差異，這個問題可通過使用Facet Q 假人模型和有限元安全帶解決。
另外，在100ms 之后試驗(yàn)車存在明顯的前傾 (pitch)運(yùn)動，而在本文模型沒有考慮這個因素，導(dǎo)致髖部、胸部和頭部100ms 之后的響應(yīng)存在差異。經(jīng)過驗(yàn)證的MADYMO 模型可以用于參數(shù)靈敏度分析、約束系統(tǒng)的優(yōu)化、碰撞波形優(yōu)化、Ride-down效率分析等。
（轉(zhuǎn)載）
