1. 引言
道路交通事故中正面碰撞事故最为常见 [1] ，汽车的约束系统在交通事故出现时对人们生命财产安全有很好的保护效果，约束系统包括座椅、安全带、安全气囊等，是整车被动安全极为重要的一部分，对于汽车在二次碰撞时的乘员有极大保护作用 [2] ，所以约束系统仿真分析必不可少。电动汽车近几年发展迅速，相关研究也逐渐增多，对于汽车安全方面的研究方法主要有试验和仿真两种方法，大部分研究是仿真与试验相结合 [1] ，仿真一般基于ls-dyna软件，利用有限元方法模拟车身、座椅等系统 [3] [4] ，正面碰撞约束系统仿真分析分为正面偏置碰撞和正面100%碰撞分析 [5] [6] ，本文研究电动汽车在正面100%碰撞时约束系统仿真，通过实车试验模型建立相对应的约束系统模型进行仿真，并通过伤害分析对比验证仿真模型的有效性，为后续的相关优化分析提供仿真模型基础。
2. 约束系统仿真模型建立
约束系统仿真模型需要先对座椅、仪表板等的CAD模型进行简化处理，保留重要的受力部件 [7] ，在hypermesh中进行网格划分建立相应的仿真模型部件，整体划分得971,663个网格，再通过部件之间的连接和接触设置整合成一个整体的约束系统，各个部件的螺栓及螺钉可以简化为1D-rigid连接 [8] ，用到的接触设置为面面接触或是点面接触。
该车型设计的转向管柱具有压溃特性，为了保证建立的仿真模型与实车模型更接近，需要对转向管柱模拟压溃特性如下图1，并建立平移铰作为约束，用于集成管柱到整车模型中。
Figure 1. Simulated crush characteristics of steering string
图1. 转向管柱模拟压溃特性
试验车所用的安全气囊为DAB (Driver Airbag)驾驶员安全气囊如上图2，属于在汽车正面碰撞时对驾驶员起防护作用的防护气囊 [6] 。实验中安全气囊点火时间为22 ms，有四个泄气孔直径为19 mm，所用的拉带为Y型拉带，3个拉带长度都为300 mm，安全气囊仿真模型数据与之对应。
3. 导入假人
在prime中导入假人，根据实车确定假人模型的H点并调整好假人坐姿，为了保证建立的仿真模型有效性，提高仿真模型精度，假人导入定位完成后，还需要结合ls-prepost对安全带进行预模拟以及hyperview对座椅坐垫进行预压。
3.1. 安全带预模拟
先通过安全带总成CAD模型在hypermesh中进行初步建模，用beam单元模拟各连接点，导入ls-prepost根据假人胸部及胯部位置对安全带进行预模拟，预模拟成功导出为k文件后，继续导入hypermesh整合到整体约束系统中，仿真模型中安全带肩带力大小选用实车试验得到的7 KN。
3.2. 座椅的预压
座椅预压的压头为假人与坐垫接触的部位，预压模型如下图3，通过关键字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID给压头加载Z向的强制位移运动，加载曲线横轴为时间，纵轴为位移，最大位移即为压头上移的高度50 mm。结果中坐垫变形的网格可以用hyperview处理，通过导出命令中的solver deck导出变形后的坐垫网格来替换最初的网格单元。仿真建立的约束系统整体模型如下图4。
Figure 4. Constrain the overall model of the system
图4. 约束系统整体模型
4. 子系统的整合及加载
4.1. 子系统之间连接及接触设置
约束系统所用大部分材料为刚性材料和塑料件，材料属性皆参考实车。安全带与座椅、安全带与车体结构等的连接，均在一个新的子文件中通过关键字进行连接。子系统仿真模型建立完成后进行集成，假人与车体结构、安全带等的接触均采用面面接触，在与连接同一个子文件中通过关键字定义。
4.2. 整车模型的加载及边界条件
根据实车试验结果得到的速度48.6 km/h，换算成仿真模型加载时对应单位m/s，得到仿真模型加载初速度为13.5 m/s。然后给车体定义六个方向的运动，即给B柱下端安装加速度传感器处的某个点加载X、Y、Z的位移运动，并且加载车体基于该点绕X、Y、Z的转动。
六向运动的曲线是从试验结果获取的B柱加速度曲线，在hypergraph中转换为位移曲线导入hypermesh作为加载曲线使用，例如导出的X向位移加载曲线如下图5所示。
Figure 5. X displacement loading curve
图5. X向位移加载曲线
子系统集成及边界条件定义完成后即可提交ls-dyna计算，最终的仿真结果可以用来与试验结果对比进行模型精确度分析。
5. 提交计算及结果分析
仿真计算结果气囊点火时间22 ms的运动状态，以及30 ms，120 ms运动状态按顺序依次如下图6：
Figure 6. Diagram of the practical teaching system of automation major
图6. 仿真计算结果运动状态
再根据试验与仿真结果，对假人各部位伤害曲线及伤害值进行对比分析 [9] 。
5.1. 头部伤害分析
仿真计算结果的头部X、Y、Z向加速度曲线以及三向的合成加速度曲线在hypergraph中打开后，导入对应的试验结果曲线与之对比来验证仿真模型的有效性，下图顺序依次为X向、Y向、Z向及合成加速度曲线(图7)。
试验结果的头部性能指标HIC为485.58，头部3 ms合成加速度值A3ms为60.76 g；仿真对应的HIC为528.13，A3ms为60.45 g，误差分别为0.88%和0.05%。
由于在70 ms时试验所用Y向传感器出现微小失效，未准确扑捉到假人的加速度状态，此时刻试验与仿真的头部Y向加速度曲线出现的差异可不参考，需要参考其他时刻加速度值是否接近且整体趋势是否相同 [9] 。
5.2. 颈部伤害分析
仿真计算结果的颈部轴向拉伸力曲线及颈部对Y轴弯矩在伸张方向曲线在hypergraph中打开后，导入对应的试验结果曲线与之对比验证仿真模型的有效性(图8、图9)。
Figure 8. Axial tensile force curve of the neck
图8. 颈部轴向拉伸力曲线
Figure 9. The neck bending moment on the Y axis curves in the extension direction
图9. 颈部对Y轴弯矩在伸张方向曲线
试验结果中颈部轴向拉伸力最大值为2.1 KN，对Y轴弯矩在伸张方向最大值为32.88 N.m，仿真计算结果与之对应的大小为1.7 KN，40.55 N.m，误差分别为19%和18.9%。
由于在70 ms时试验所用Y向传感器出现微小失效，此时刻试验与仿真的颈部对Y轴弯矩在伸张方向曲线出现的差异可不参考，需要参考其他时刻加速度值是否接近且整体趋势是否相同 [9] 。
5.3. 胸压及安全带力分析
仿真计算结果的胸部压缩量曲线及安全带肩带力曲线在hypergraph中打开后，导入对应的试验结果曲线与之对比验证仿真模型的有效性(图10、图11)。
试验结果中胸部压缩量最大值为43.83 mm，安全带肩带力最大值为7.1 KN，仿真计算结果与之对应的大小为35.88 mm，7.9 KN，误差分别为18%和11.3%。
根据假人相关伤害指标的误差皆小于20% [10] ，且试验与仿真结果的各加速度曲线、相关力的曲线以及胸部压缩量曲线的起始及峰值时刻、整体走向及变化趋势、峰值一致，证明本文所建立的仿真模型有效，可以作为后续相关分析与优化的基础 [9] [10] [11] 。
6. 结论
本文通过对电动汽车实车试验进行相应的仿真建模分析，在不影响分析结果的情况下对模型进行简化建模，结合实车情况赋予材料属性，并建立连接、接触、约束及加载设置，为了提高仿真模型的有效性，转向管柱要建立相应的压溃特性，导入假人后要进行安全带预模拟和座椅预压。根据试验与仿真结果的假人各部位伤害曲线及伤害值进行对比分析，发现假人的相关伤害指标误差都合理，验证了仿真模型的有效性，说明本文所建立的仿真模型可以作为实车试验的参考，方便后续利用该模型进行约束系统相关仿真分析及优化。
基金项目
广西自然科学基金项目(2013GXNSFAA019319)；广西科技计划项目(桂科攻1348005-12)；2020年度湖南省高新技术产业科技创新引领计划项目：封闭特定场景无人驾驶通用底盘平台开发关键共性技术研究与应用(2020GK4010)；2021年度湖南省创新型省份建设专项项目：湖南省智能线控底盘工程技术研究中心(2022TP2006)。