车身结构耐撞性与乘员保护评价虚拟仿真实验
学校:
江苏大学
  所属学科:
交通运输类
  专业门类:
交通运输
  项目负责人:
 
  资源年份:
2018
课时数:
2
  资源唯一编号:
081801
  资源分类:
实验
  对接资源链接地址:
http://car.ujs.owvlab.net/virexp/qcpz,http://car.ujs.owvlab.net/virexp/qcpz
 
项目简介

运用车身结构耐撞性与乘员约束系统匹配虚拟仿真技术,真实再现在专门的试验室内进行实车碰撞实验的情形,准确定量评估被撞车辆乘员舱的完整性,安全带、安全气囊等约束系统装置对乘员的保护效果,观察乘员在碰撞过程中的运动姿态,了解其损伤机理,使学生在短时间内高效率地掌握车辆碰撞试验的标准、流程、安全等级评价规则,为开发高安全性的车身结构奠定理论和工程基础。

汽车碰撞虚拟仿真实验可显著降低实验教学成本、提高实验教学效率、降低安全风险、提高学生的参与度和学习兴趣。本实验的具体目的如下:

(1)增进学生对所学课程《车身结构与设计》、《汽车与交通安全》、《汽车性能与仿真》理论知识的理解,理论联系实践,培养学生解决实际工程问题的能力;

(2)熟悉车辆碰撞安全性试验与虚拟仿真的基本原理、方法、流程,具备根据标准及C-NCAP管理规则开展车辆碰撞安全性评价的能力;

(3)了解车身结构耐撞性的评价方法及指标,熟悉正面碰撞、侧面碰撞车身结构载荷传递路径,掌握改善车身结构耐撞性的有效方法;

(4)掌握车辆被动安全乘员约束系统的定义,了解车辆安全气囊系统、安全带系统、转向系统、座椅等的保护原理;了解乘员约束系统与车身结构耐撞性匹配的重要性;

(5)掌握正面碰撞及侧面碰撞假人类型、传感器设置,对人体损伤的评价指标;了解碰撞假人的生物力学特征及生物力学逼真程度,以及碰撞假人的发展趋势;

(6)初步了解显式大变形有限元分析软件LS-DYNA或RADIOSS操作,具备整车模型建立,材料、属性、焊接等连接、边界条件、载荷施加,掌握假人定位、安全带佩戴、安全气囊模块装配等方法。

(7)对虚拟仿真实验结果进行后处理,提取车身结构耐撞性参数,人体损伤参数,具备定量评价车辆安全等级的能力。


实验原理

1、本实验的原理:基于实际样车而建立的车辆数字化虚拟模型,与实车具有相同的几何结构、轴荷分配、车身材料属性设置,约束系统部件数字化模型包含车辆座椅、转向盘系统、安全带系统、安全气囊系统,均经过零部件级实验验证。用于乘员损伤评价的虚拟假人与物理实验假人的动力学性能完全一致,虚拟仿真数据与实际实验数据高度吻合。因此,虚拟仿真实验结果可用于车身结构耐撞性分析和乘员保护评价,完全体现了虚实结合的原则。

2、本实验的主要知识点:包括车身结构大变形有限元模型、碰撞载荷传递路径、安全带系统、安全气囊5in-30ms准则、物理假人与虚拟假人碰撞响应一致性原理等,具体如下:

(1)车身结构耐大变形有限元模型

模型与实车具有相同整备质量、前后轴荷分配,质心高度、惯量等参数,通过模型计算,获取车身结构耐撞性评价参数:碰撞波形时间历程曲线、离合器踏板、制动踏板、加速踏板、转向管柱最上端中心、驾驶员侧 A 柱等乘员舱侵入量数据。

(2)碰撞载荷传递路径

正面碰撞载荷传递路径:经前纵梁、门槛梁、乘员舱底部纵梁和门槛梁向后传递;经枪(指)梁(shotgun)和铰链柱后,分散给A柱、车门及其抗侧撞梁和门槛梁向后传递;

侧面碰撞载荷传递路径:车门及内防撞横梁在侧向撞击力的作用下,将载荷传递到车门框;B柱受到使其向车内弯曲的弯矩的作用而变形;通过B柱上接头,作用在B柱上的力通过车顶边梁、车顶横梁和相关的接头结构向非撞击侧传递;铰链柱在侧向力的作用下有向车内运动的趋势,载荷在铰链柱上端主要由前风挡下横梁和仪表板安装横梁承担;在铰链柱下端主要由车身底部横向结构承担。C柱受到侧向力情况与此类似。

(3)安全带系统

依据国家标准GB14166、GB14167,安全带系统涉及安全带固定点设计准则、卷收器性能要求,还包括安全带预紧器、限力器等先进安全带技术。虚拟仿真实验中,预紧器、限力器的特性参数均以卷收器零部件的实测数据作为输入参数。

(4)安全气囊5in-30ms准则

正面碰撞过程中,最佳的安全气囊设计准则是在安全气囊完全展开的时刻(30ms),乘员(前移5in),此时刚好与安全气囊相接触,气体发生器持续供气,乘员继续向前运动,其动能通过气囊排气孔产生的节流损失而耗散掉,避免乘员头、胸部与内部部件发生二次撞击。因此气体发生器的产气特性必须与气袋的几何外形、排气孔直径以及安全带系统的性能相匹配,以达到最优保护效果。虚拟仿真模型中,安全气囊模块必须经过静态展开及头槌跌落零部件试验验证,以保证虚拟仿真的精度要求。


(5)物理假人与虚拟假人碰撞响应一致性原理

虚拟仿真假人与真实碰撞假人具有完全一致的结构,经过大量部件级及系统级动态验证测试,精度完全满足工程开发需求。采用该虚拟假人,与有限元整车碰撞模型配合,可用于人体损伤评价。


实验内容及步骤

2-7实验方法与步骤要求(学生交互性操作步骤应不少于10步)

1、实验方法

根据《车身结构与设计》、《汽车与交通安全》、《汽车性能与仿真》等课程教学要求和实验教学内容,开展“车身结构耐撞性与乘员保护评价虚拟仿真实验”的实验教学。该实验运用虚拟车辆模型、虚拟假人、虚拟仪器、虚拟实验场,借助3D可视化技术、人机交互技术、VR技术、智能网络技术等现代信息技术,开展汽车碰撞虚拟仿真,使学生了解汽车碰撞安全性实验的基本内容,掌握汽车碰撞安全性实验的操作流程和实验数据分析方法,深入理解影响汽车碰撞安全性的主要因素和C-NACP安全等级评价的原理。

本实验包括汽车正面碰撞和汽车侧面碰撞两个模块。学生进行实验之前需要预习,查阅文献资料,完成预习报告。做实验时,先要通过软件初始界面的“实验概况”、“实验准备”按钮进入相应环节,了解实验目的、实验原理、认知汽车结构、认知实验场地与仪器设备 。完成认知后进入实验操作环节,完成汽车碰撞,处理数据,分析碰撞结果。最后需要形成实验报告。

2、学生交互性操作步骤

实验(一)汽车正面碰撞实验

步骤1、车身结构和材料参数设置:包括前纵梁、前指梁、防撞梁、吸能盒等车身结构的厚度和材料牌号。

步骤2、安装HPM装置(H点测量):调整座椅位置,靠背角度到设计值,完成后将装置放回假人库。


步骤3、安装假人:从假人库选择正确假人模型,安装至座椅,调整假人坐姿,记录各项假人定位参数,确保试验一致性。假人系好安全带,扣上安全扣。

步骤4、安装数据采集仪和传感器:将数据采集仪安装到汽车后备箱、车身B柱上安装加速度传感器、安全带上安装力传感器。

步骤5、碰撞前车身结构参数测量和整车称重:用扫描式三坐标仪测量车身结构参数,用地磅测得汽车整备质量。

步骤6、安装牵引铰链:安装铰链,连接牵引滑块和车身。

步骤7、实施汽车碰撞:推动控制台上的“启动正面碰撞”推杆,进行汽车正面碰撞,观看汽车碰撞过程。

步骤8、碰撞后车身结构参数测量:转向管柱后移量、转向管柱上移量。

步骤9、碰撞数据处理和分析:从后备箱取出数据采集仪,下载高速摄像机视频,连接电脑进行数据处理;观察碰撞波形时间历程曲线,获得加速度-时间历程曲线,计算速度-时间历程曲线、位移-时间历程曲线。

步骤10、车身结构变形及假人运动姿态查看和分析:从前视、侧视、俯视等4个不同角度查看车身结构变形及假人运动姿态。查看前纵梁、防火墙等关键部件的变形模式及最大变形量。重点查看车身结构载荷传递路径各个部件的变形模式。

步骤11、假人损伤曲线查看和分析:包括头部、胸部、髋部加速度,安全带张力以及胸部压缩量、颈部力矩、颈部张力、大腿轴向压力、小腿轴向压力、小腿力矩、膝部滑移量等(有关曲线可查看软件)。

步骤12、正面碰撞乘员保护评价:根据上述假人损伤曲线以及正面碰撞评分标准,得到乘员保护总评分,并进行乘员安全水平可视化显示。

实验(二)汽车侧面碰撞实验

步骤1、车身结构和材料参数设置:包括B柱、门槛、座椅横梁等车身结构的厚度和材料牌号。

步骤2、调整座椅:拖动UI调整座椅H点到合适位置。

步骤3、安装假人:从假人库选择正确假人模型,安装至前排、后排座椅,调整假人坐姿,记录各项假人定位参数,确保试验一致性。(同实验一步骤3)

步骤4、三点式安全带佩戴:前排、后排假人系好安全带,扣上安全扣。(同实验一步骤3)

步骤5、安装数据采集仪和传感器:将数据采集仪安装到汽车后备箱、车身B柱与车门内板上安装加速度传感器、力传感器,安全带上安装力传感器。(其余同实验一步骤4)

步骤6、碰撞前车身结构参数测量和整车称重:用扫描式三坐标仪测量车身结构参数,用地磅测得汽车整备质量。(同实验一步骤5)

步骤7、安装牵引铰链:安装铰链,连接牵引滑块和碰撞小车,使碰撞小车对准被碰车辆驾驶员座位的R点。

步骤8、实施汽车碰撞:推动控制台上的“启动侧面碰撞”推杆,进行汽车侧面碰撞,观看汽车碰撞过程。



步骤9、碰撞后数据处理和分析:从后备箱取出数据采集仪,下载高速摄像机视频,连接电脑进行数据处理。(同实验一步骤9)

步骤10、车身结构变形及假人运动姿态查看和分析:从前视、侧视、俯视等4个不同角度查看车身结构变形及假人运动姿态。

步骤11、查看假人损伤曲线:查看假人损伤曲线,包括中肋骨变形量、中肋骨粘性指数、耻骨力、腰腹力曲线。

步骤12、侧面碰撞乘员保护评价:根据上述假人损伤曲线以及侧面碰撞评分标准,得到乘员保护总评分,并进行乘员安全水平可视化显示。


预习资源
序号 资源信息分类 资源信息名称 资源信息类型 状态
1 预习 车身结构耐撞性与乘员保护评价虚拟仿真实验 外部链接 有效
操作资源
序号 资源信息分类 资源信息名称 资源信息编号 资源信息类型 费用 收费有效期 状态
1 操作 车身结构耐撞性与乘员保护评价虚拟仿真实验 外部链接 0.00 0 有效
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