集中质量―弹簧碰撞模型在汽车被动安全预研阶段的应用
摘要： 为在车身开发的概念设计阶段明确车辆前碰的安全性目标加速度波形，提出以乘员伤害值确定整车正面碰撞波形的方法，建立包括驾乘人员的车辆集中质量弹簧（Lumped MassSpring，LMS）模型.为确保LMS模型的有效性，将整车有限元模型仿真结果与运动学特性计算结果对比.通过对比前碰加速度波形、刚性墙力以及前舱总的压溃位移，对LMS模型的有效性进行验证.以乘员胸部的乘约效率为优化目标，基于已验证的LMS模型进行关键参数的试验设计分析，从而为车辆前结构的碰撞安全性能设计提供参考.
关键词： 汽车； 碰撞安全； LMS模型； 目标加速度； 乘约效率； 模型验证； 优化
中图分类号： U461.91； U462.35文献标志码： B
引言
在车型预研阶段需定义安全性能的目标，为此需对目标的实现进行细化分解.在早期的车身安全研究中，由于车身结构的复杂性与计算工具效率低下之间的矛盾，碰撞安全工程师更青睐于用简化的解析数学模型对汽车碰撞安全进行模拟分析.20世纪70年代，KAMAL提出质量弹簧（Lumped MassSpring，LMS）模型[1]，该模型采用一定数量的一维弹簧阻尼单元和一些对车身部件有代表意义的集中质量描述车身前部碰撞变形区域的力学特性.由于LMS模型结构简单，且具有一定的准确性，在当时备受青睐.随着计算机技术的发展，尽管在当前车身开发中有限元整车模型得到广泛普及，但由于车型预研阶段缺少完整的几何组件和详细的材料属性，在求解效率和计算分析乘员安全目标的确定方面，抽象的LMS模型相对于纯有限元模型而言具有更好的优势，能在优化设计中节约大量时间；其次，由于车型预研阶段没有工程样车，而在车身开发前期需要对未来产品的性能提出一定要求，故可以利用该模型进行概念性的正碰安全目标设定.
本文以LMS模型为基础进行一些改进，在模型中加入驾驶员约束系统和Hybrid III 50%的男性假人，目的是直接在LMS模型参数优化设计中分析车身前部结构在碰撞中产生的加速度和侵入量对驾乘人员保护性能的影响.
2正碰LMS模型动力学特性提取和模型有效性分析车身前部结构的刚度特性以及具有较大质量部件的质量、惯量等属性是建立碰撞概念模型的基础.其中，刚度特性的提取是建模技术的重点和难点，同时也是进行参数化概念设计的核心.尽管车辆在发生碰撞的过程中具有十分复杂的变形特性，然而从乘员保护的角度看，只要能保持驾驶舱的完整性，仅关心发生碰撞时的车身运动特性和一定程度的侵入量即可满足分析要求，因此可以将车身前部的复杂变形简化为各部件x向的轴向溃缩行为.[3]
2.2正碰LMS模型有效性分析
由于预研阶段没有车辆产品，可将LMS模型与有限元整车模型相互对照验证.根据概念设计状态提供的质量清单，设置各分总成的集中质量，并将提取到的车身各关键部件压溃刚度特性输入到LMS模型对应的弹簧阻尼特性中.为保证LMS整车模型的稳定性，需要调整假人与约束系统参数，使之在仅受重力场的情况下，整车模型能在初始状态达到静平衡.