正面碰撞下电动汽车驾驶员腿部伤害优化.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(4),4160-4170 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.124379 文章引用文章引用:李家俊,毛晨曦,张健,吕俞祥,刘会霞.正面碰撞下电动汽车驾驶员腿部伤害优化J.建模与仿真,2023,12(4):4160-4170.DOI:10.12677/mos.2023.124379 正面碰撞下电动汽车驾驶员腿部伤害优化正面碰撞下电动汽车驾驶员
2、腿部伤害优化 李家俊李家俊1,毛晨曦,毛晨曦2,张,张 健健1,吕俞祥,吕俞祥1,刘会霞,刘会霞1*1江苏大学机械工程学院,江苏 镇江 2上海埃立曼科技有限公司,上海 收稿日期:2023年6月6日;录用日期:2023年7月20日;发布日期:2023年7月28日 摘摘 要要 基于基于2021版版C-NCAP(China-New Car Assessment Program),对某款新能源,对某款新能源SUV进行正面进行正面100%重叠刚重叠刚性壁障碰撞试验性壁障碰撞试验(50FRB),通过,通过50FRB试验提取驾驶员假人的伤害曲线结果显示假人小腿伤害超标。针试验提取驾驶员假人的伤害曲线结果显示
3、假人小腿伤害超标。针对这一问题采用对这一问题采用Hyperworks和和Primer软件搭建该车型约束系统有限元模型,用软件搭建该车型约束系统有限元模型,用LS-DYNA非显性动力学非显性动力学求解器进行运算求解,并将仿真结果与试验结果进行对标。以对标合格的有限元模型为基础,根据分析求解器进行运算求解,并将仿真结果与试验结果进行对标。以对标合格的有限元模型为基础,根据分析结果选取优化参数,对安全带限力值,安全带点火时间,假人与座椅发泡之间的摩擦系数,假人与地毯结果选取优化参数,对安全带限力值,安全带点火时间,假人与座椅发泡之间的摩擦系数,假人与地毯摩擦系数这摩擦系数这4个个参数采用正交试验设计
4、的方法进行优化,探寻出最优的设计方案。根据优化方案可知,参数采用正交试验设计的方法进行优化,探寻出最优的设计方案。根据优化方案可知,优化后驾驶员假人小腿指数优化后驾驶员假人小腿指数TI(Tibia Index)下降了下降了29.63%,小腿压缩力,小腿压缩力(Tibia FZ)下降了下降了31.75%。关键词关键词 电动汽车,正面碰撞,有限元分析,正交试验设计电动汽车,正面碰撞,有限元分析,正交试验设计 Leg Injury Optimization for EV Drivers Based on Frontal Collisions Jiajun Li1,Chenxi Mao2,Jian Z
5、hang1,Yuxiang Lyu1,Huixia Liu1*1School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 2Shanghai Elliman Technology Co.,Ltd.,Shanghai Received:Jun.6th,2023;accepted:Jul.20th,2023;published:Jul.28th,2023 Abstract According to the requirements of the 2021 version of C-NCAP,a 50FRB test
6、of New Energy car was carried out.The injury curve of the drivers dummy was extracted through the 50FRB test,*通讯作者。李家俊 等 DOI:10.12677/mos.2023.124379 4161 建模与仿真 and the results showed that the Tibia injury of the dummy exceeded the standard.To solve this problem,Hyperworks and Primer software were u
7、sed to build the finite element model of the vehicle constraint system.LS-DYNA is used to display the nonlinear dynamics solver,and the finite element results are benchmarked with the experimental results.Based on the qualified finite element model and the analysis results,selecting optimization par
8、ameters of the vehicle con-straint system.The four parameters of seat belt limit,seat belt ignition time,friction coefficient between dummy and seat foam,and friction coefficient between dummy and carpet were opti-mized by orthogonal experimental design to explore the optimal design scheme.According
9、 to the optimized results,the optimized tibia index of driver dummy decreased by 29.63%,the tibia FZ decreased by 31.75%.Keywords Electric Vehicle,Frontal Crash,Finite Element Analysis,Orthogonal Experiment Design Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Cre
10、ative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 随着化石能源的消耗量日益增加,为了保护国家的能源安全,我国开始大力推广新能源汽车。以电动汽车为主要代表的新能源汽车逐步替代传统燃油汽车,新能源汽车的各种安全问题如电池包自燃,自动驾驶安全性等一直困扰着消费者1。汽车动力提供方式由传统燃油向新能源电池转型,新能源电动汽车碰撞事故频发再次引起人们对汽车碰撞安全的高度重视。由于电动汽车需要搭载质量较大的锂电池模组,直接导致了整车的质量增加
11、,在碰撞发生时对电动汽车车身结构耐撞性和约束系统的乘员保护能力都提出了更加严苛的要求2。在正面碰撞项目开发中驾驶员头部和胸部的伤害评分占比较高,主流的研究成果都是基于胸部和头部的伤害分析,只有很少一部分研究针对腿部伤害,例如江苏大学肖建中对乘员的安全带预紧限力进行了分析和研究,使用 Hybrid 系列中 50th 假人进行正交优化得出最优乘员保护组合;Nie Bingbing 研究了膝部安全气囊(KAB)在汽车正面碰撞中对乘员保护的作用,进一步肯定了 KAB 的实用性3。正面碰撞给乘员腿部带来的伤害不可忽视,很多乘员的腿部受伤后恢复较慢,严重者甚至落下终身残疾。本文以某款新能源 SUV 为例,
12、针对电动汽车正面约束系统开发项目过程中面临的驾驶员的胫骨指数和小腿压缩力超标问题即该款 SUV 的前期试验显示主驾驶胫骨指数(Tibia Index)和小腿压缩力(Tibia FZ)高于 2021 版C-NCAP(China-New Car Assessment Program)新车评价规程的高性能值 0.4 和 2 KN。通过建立 LS-DYNA约束系统 CAE 模型,对模型的设计参数使用正交试验设计的方法进行优化,最终寻找更优的设计方案,并用于后续的项目开发。2.约束系统模型建立和验证约束系统模型建立和验证 2.1.约束系统模型搭建约束系统模型搭建 基于整车几何数据创建 LS-DYNA 约
13、束系统模型,为了减小后续仿真求解的时间,需对模型进行必要的简化。在本文的 SUV 正面碰撞主驾约束系统模型中包含了白车身、地毯、制动和加速踏板、转向系统、仪表板、座椅、气囊、安全带和假人4。其中白车身模型可进行适当的简化和修改,通常只Open AccessOpen Access李家俊 等 DOI:10.12677/mos.2023.124379 4162 建模与仿真 需保留地板、门框、防火墙、挡风玻璃、A 柱和 B 柱。转向系统只保留转向管柱和方向盘,而转向轴、助力系统等与约束系统无关的部分在建模时可省略。仪表板模型包含 CCB 支架和仪表板塑料覆盖件。座椅模型包含座椅骨架和坐垫靠背发泡5。假
14、人采用 Hybrid-III 50%假人模型。约束系统有限元模型如图 1 所示,根据正面碰撞特性,加速度测点选在变形较小的 B 柱下方门槛梁处,在门槛梁与 B 柱交汇处建立加速度传感器。采用 50FRB 耐撞性模型中提取 B 柱下方加速度作为碰撞波形进行输入,B 柱下方加速度波形如图 2 所示。Figure 1.Constrained system LS-DYNA finite element model 图图 1.约束系统 LS-DYNA 有限元模型 Figure 2.Acceleration waveform under column B 图图 2.B 柱下方加速度波形 2.2.安全带建模
15、安全带建模 在模型建立的过程中需要对子系统模型进行精细化建模,安全气囊是约束系统内最为重要的子系统。主驾安全气囊构成为上下两片圆状织物材料6。其内部设有排气孔和拉带。本文主驾气囊直径设为 630 mm,左右两侧对称设置两个 35 mm 直径的排气孔。气囊网格平均尺寸采用 4 mm 的标准,上下拉带长度都设置为 300 mm。网格划分完成以后需要对安全气囊进行折叠。折叠前的安全气囊如图 3 所示,折叠完李家俊 等 DOI:10.12677/mos.2023.124379 4163 建模与仿真 成后的安全气囊系统如图 4 所示。Figure 3.Unfolded airbag 图图 3.未折叠的安
16、全气囊 Figure 4.Airbag system 图图 4.安全气囊系统 2.3.假人安放假人安放 约束系统内假人模型的安放位置的准确与否,决定着模型的精度与仿真计算结果的准确性。根据2021版 C-NCAP 新车评价规程与滑车试验确定假人的 H 点的 XYZ 坐标值分别为 1369.75,390,317.7;骨盆角为 21.6。在进行位置放置时,假人该位置会与座椅模型产生干涉,因此要对假人进行预压处理。通过关键字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID 给假人施加 Z 向的强制位移的载荷,加载曲线横轴为时间,纵轴为位移,最大位移即为假人上移的高度 50 mm。座
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