【行業新聞】通過 CAE 模擬讓汽車安全座椅更為安全

2022.08.22

1. 兒童座椅需兼具安全與便利性

兒童需要很多特別裝備，父母甚至在新生兒離開醫院之前，就開始猶豫該買什麼了。兒童安全是大多數準父母的關注焦點，而汽車安全座椅位居榜首。美國疾病管制與預防中心（CDC）也證實美國的車輛事故是12歲以下兒童死亡的主要原因。

嬰兒汽車安全座椅市場預計將在2021年至2022年間增長16.8億美元，汽車和汽車座椅製造商正在密切關注消費者的偏好，以保持領先於他們對安全性，便利性和可負擔性的需求。

兒童座椅一直在不斷發展，今天的汽車安全座椅設計與15年前完全不同。絕大多數情況下，父母希望座椅更安全、更輕、更易於使用、更方便攜帶，這需要對材料和新座椅設計進行額外的測試。

2. 使用 LS-DYNA 展開汽車安全座椅的研究

為了應對上述挑戰，費城兒童醫院傷害研究與預防中心(CHOP)的研究人員正在使用 Ansys LS-DYNA 進行碰撞模擬，了解如何以最佳方式保護汽車安全座椅中的兒童。CHOP研究項目工程師兼首席項目研究員Jalaj Maheshwari表示：“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、政府機構合作尋求創新的解決方案，防止兒童與青少年的交通傷害。改善產品設計政策，並教育父母和護理人員正確使用兒童座椅。Ansys 模擬有助於我們正在進行的安全研究中的計算建模工作。

3. 符合各年齡段兒童的汽車座椅安全系統

隨著兒童的成長，約束系統從出生到 11 歲的軌跡中發生巨大變化，兒童從乘坐後向座椅變成前向座椅，最後是安全帶定位的加高座椅。

Maheshwari 和他的團隊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。兒科住院者是一個特別具有挑戰性的建模人群，沒有固定人體測量學或人體測量可用於所有情況，18 個月大、3 歲、6歲兒童的算法輸入完全不同。

傳統物理測試面臨挑戰

傳統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。測試台或雪橇以模擬不同碰撞場景的各種脈衝來加速和減速，以測試乘客的運動和受傷的可能性。在測試期間，包含假人定位、安全帶、胸夾定位、安全帶鬆緊度的所有條件都必須符合聯邦測試標準。通過確保替代乘客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資訊機構確定的協議，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碰撞中表現良好的汽車座椅的開發。

兒童乘坐時的情境變化

很多時候，孩子們很好動，不一定總是坐直身體向前看。此外，CHOP 和其他人的研究表明，大部分兒童約束系統的安裝通常存在輕微的使用者錯誤，例如安全帶鬆動或未使用的胸夾等。使用 LS-DYNA 可以模擬現實世界的車載場景，例如乘客向前或向內傾斜的不同座椅姿勢以及安裝錯誤。其他值得測試的場景，包含高級駕駛人輔助系統實施的轉向或突然制動等碰撞前機動，也會明顯改變兒童在汽車座椅中的位置。

對於 CHOP 的研究人員來說最重要的是評估，當發生碰撞時兒童位在高機率處在的位置時會發生什麼。安全帶會不會滑落，如果滑落，有沒有辦法防止它發生？或者是否需要一種先進的約束系統機制來拉動安全帶，以便在發生碰撞時更好地貼合兒童？

4. 利用 LS-DYNA 設置虛擬人體模型

擬人化測試設備或碰撞測試假人，是評估物理碰撞測試中的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，團隊首先必須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 (FE) 模型。將兒童、兒童座椅和車輛座椅/測試台的各個 FE 模型置於一個環境中，根據需要進行定位，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部位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，可幫助評估各種兒童年齡和體型影響約束裝置的安全變化。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，從而改善兒童乘坐安全。

5. LS-DYNA 模擬提升研究效率

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來定義座位環境，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 中運行不同類型的預模擬有助於定位乘員，再加入形變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，現實世界中的車禍通常在瞬間結束，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複雜性。模擬完成後，可以導出數據以進行進一步分析。

6. Ansys 模擬幫助控制研究成本而不限制測試次數

目前，他們使用虛擬人體模型進行了 100 多次全衝擊模擬和計數，這是一項經濟上令人望而卻步且耗時的物理雪橇測試。通過所有這些測試確實會使成本增加，因此模擬成為學術研究的絕佳選擇。Ansys 為團隊提供更實惠的許可證來支持 Maheshwari 的研究。Ansys 許可證不限制團隊運行測試次數，而是限制許可證的有效期。使用 LS-DYNA，他們可以根據需要去運行任意數量的參數模擬。

本文轉載自 Ansys Inc.