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利用Ansys模擬引導汽車座椅開發朝著更安全的方向發展

  • 2022/9/21 0:0

家長帶小孩子外出怎麼做最安全?負載嬰幼兒、兒童時,應安置於車內後座的兒童安全座椅,以確保幼童安全。

隨著嬰兒汽車安全座椅市場預計在 2021 年至 2022 2之間增長 168 億美元,汽車和汽車安全座椅製造商正在密切關註消費者的偏好,以領先於他們對安全、便利和可負擔性的需求。兒童座椅一直在發展——今天的汽車座椅設計與 15 年前完全不同。絕大多數家長想要更安全、更輕、更易於使用和更便於攜帶的座椅,這需要對材料和新的座椅設計進行額外測試。 

 

減速開始前兒童坐在汽車座椅上的模擬

 

汽車座椅研究的成功之處

 

為了應對這些挑戰,費城兒童醫院傷害研究和預防中心 (CHOP) 的研究人員正在使用Ansys LS-DYNA模擬軟體進行碰撞模擬,以更好地了解如何以最佳方式保護汽車座椅中的兒童。

 

我們中心的使命主要是通過嚴格的研究以及與行業、政策制定者和政府機構的合作,尋求創新的解決方案來預防兒童、青少年和年輕人的傷害,以改進產品設計政策並教育父母和看護人正確的兒童座椅使用,” MSE、研究項目工程師和 CHOP 的首席項目調查員 Jalaj Maheshwari 說。“Ansys 模擬有助於支持我們正在進行的安全研究中的計算建模工作。” 

 

使用碰撞假人進行物理測試以驗證模擬結果

 

Maheshwari 和他的團隊的任務是評估為各個年齡段的兒童設計的汽車座椅安全系統,這增加了測試的複雜性。兒科居住者是一個特別具有挑戰性的建模人群。沒有可用於所有情況的固定人體測量學或人體測量。18 個月大的孩子的輸入算法與 3 歲的孩子的輸入算法完全不同,這與 6 歲的孩子的輸入算法完全不同,依此類推。隨著孩子的成長,約束系統在從出生到 11 歲的軌跡中發生巨大變化,從後向座椅移動到前向座椅,最後是安全帶定位的加高座椅。 

 

傳統上,通過將兒童大小的碰撞測試假人固定在正確安裝的汽車座椅上,使用物理碰撞測試對兒童汽車座椅進行評估。然後,測試台或雪橇以模擬不同碰撞場景的各種脈衝加速和減速,以測試乘員的運動和受傷的可能性。在測試期間,從假人定位、安全帶和胸夾定位到安全帶鬆緊度,所有元素都必須符合聯邦測試標準。

 

通過確保乘員代理或碰撞測試假人符合傷害閾值或美國國家公路交通安全管理局 (NHTSA)、消費者報告和其他監管或消費者信息機構確定的協議,測試有助於確保兒童座椅提供足夠的保護。

 

這些物理測試成本高昂,這使得調查多種碰撞場景對所有相關人員而言在經濟上具有挑戰性。雖然物理測試是安全評估的一個重要方面並且不能被淘汰,但製造商發現將其與模擬相結合可以加快約束評估並促進在所有類型的碰撞中表現良好的汽車座椅的開發。

 

   

側面碰撞碰撞前坐在汽車座椅上的兒童乘客的模擬

 

側面碰撞過程中坐在汽車座椅上的兒童乘客的模擬

 

假人模特兒讓位

 

擬人化測試設備或碰撞測試假人是評估物理碰撞測試中傷害和約束性能的重要工具。雖然碰撞測試假人很像人類,但它們並不完全是人類。為了提高安全性,了解實際人體的行為方式非常重要。將 LS-DYNA 與經過驗證的虛擬人體模型結合使用,CHOP 可以使用具有不同人體測量學特徵的子模型來模擬不同的碰撞條件。為此,團隊必須首先根據工程數據從特定尺寸開發兒童座椅和車輛座椅/測試台的 3D 計算機輔助設計 (CAD) 模型。之後,通過對每個組件進行網格劃分並為其分配適當的材料屬性來生成有限元素 (FE) 模型。將兒童、兒童座椅和車輛座椅/測試台的單個 FE 模型置於一個環境中,根據需要定位,用安全帶 FE 模型約束,分配邊界條件,然後加載到處理器中運行正在調查的碰撞場景。

 

在模擬過程中使用虛擬人體模型需要在不同的邊界條件下使用各種網格尺寸。研究人員評估他們的網格並將它們分配給每個身體部位。這項活動通常涉及在身體的某些區域進行更精細的網格劃分,以保持他們正在使用的幾何形狀的特徵和復雜性。

 

人體模型是 Maheshwari 模擬的關鍵組成部分,可幫助評估兒童約束裝置的安全方面如何在各種兒童年齡和體型中發生變化。由此產生的數據能夠為各種體型和年齡的兒童設計車輛安全系統和兒童約束裝置,並幫助政策制定者制定政策和測試標準,從而對兒童安全產生積極影響。

 

CHOP 使用 LS-DYNA 中的 Ansys LS-PrePost 對結果進行前處理、提交模擬和後處理。Maheshwari 首先引入了他創建的具有特定材料屬性的網格的單個模型。定義座位環境,然後使用 LS-PrePost 將乘員定位在座位環境中,該環境可以是整車或測試雪橇,兒童坐在適合年齡的兒童座椅上。 

 

在 LS-DYNA 中運行的不同類型的預模擬有助於定位乘員並變形或壓縮座椅以反映物理世界。兒童座椅和人體模型定位在車輛環境中,並根據重力進行調整。一旦這些模型確定下來,團隊就會將兒童座椅和兒童限制在車輛上,應用所需的碰撞邊界條件,並運行模擬。

 

Maheshwari 說,在現實世界中,車禍在瞬間結束,持續 120 毫秒;但是,模擬時間可能需要 2 小時到 7 天不等,具體取決於他們使用的模型的複雜性。模擬完成後,便可導出數據以進行進一步分析。

 

資料來源: Ansys Blog

作者: Laura Carter