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Simcenter Madymo專門針對乘員安全工程應用的CAE仿真工具
時間:2020-12-16 16:28:41  作者:
軟件介紹
Simcenter Madymo 是西門子數(shù)字化工業(yè)軟件旗下一款專門針對乘員安全工程應用的完整 CAE 仿真工具，包括求解器(Solver)、假人和人體模型庫 (Dummy Database & Human Model)，和前后處理工具 (Workspace)等，詳細模塊功能配置見附件。Simcenter Madymo 軟件主要特征：
靈活&高效的求解器 (多體 MB+有限元 FE)
  • Simcenter Madymo 求解器完美融合多體MB 和有限元 FE 建模方法，滿足不同研究階段的建模需求，并通過 SMP/MPP 并行算法提高計算效率。
  • 提供第三方軟件耦合計算 Coupling 功能，包括 LS-DYNA, RADIOSS 等， 為船體結構與乘員系統(tǒng)提供耦合計算平臺。
完備的假人和人體模型
  • 可用于各種碰撞載荷工況的假人模型。
  • 經(jīng)過尸體試驗及真人試驗驗證的人體生物力學模型。
  • 滿足各種身材的可縮放人體模型。

  • 直接輸出相應的標準傷害值，加速度和作用力。
完備的前后處理和 NCAP 評價工具
  • 前處理工具 XMADgic
             1) 支持 Simcenter Madymo XML 關鍵字
             2) 圖形化人體模型定位操作
  •  后處理工具 MADPost
             1) 支持 KN3, HDF5, D3PLOT 和 AVI 格式的動畫
             2) 支持 ISOMME 格式，方便對比仿真與試驗曲線
             3) 支持標準傷害值計算
附：

模塊描述 Description

備 注Note

MADYMO Solver

求解器

Multibody and Finite Element

基礎多體動力學及有限元求解器

Airbag Solver (Uniform Pressure)

安全氣囊求解器 (均勻壓力法)

CFD/Gasflow Solver

CFD安全氣囊求解器 - Gasflow

Parallel CPU Token

并行CPU (SMP/MPP)

Coupling - FE

LS-DYNA, RADIOSS, ABAQUS耦合計算

Coupling - MATLAB

MATLAB耦合計算

Model Databases

模型庫 (詳情參考 Appendix B)

Frontal Dummy Models

正面假人模型庫 (THOR, Hybrid III 50th等)

Side Dummy Models

側面假人模型庫 (WorldSID, ES-2, SID-IIs, 等)

Child Dummy Models

兒童假人模型庫 (TNO P系列, Q系列, 混III等)

Rear Dummy Models

追尾假人模型庫 (BioRID II, 等)

Subsystem Models (Pedestrian)

子系統(tǒng)模塊 (ECE R12, 行人保護沖錘，等)

FAA Models (Aircraft safety)

航空安全假人模型庫

Human Models

TB024人體模型, 人體生物力學模型庫

Active Human Model

主動式人體模型

Motorcycle Model (MATD)

摩托車假人模型庫

MF-Tyre

Delft輪胎模型

Workspace Tools

前后處理及相關輔助工具

Pre-processor, XMADgic + Viewer

前處理建模工具

XMADgic/Beltfit

安全帶自動生成模塊

XMADgic/Encryption

模型數(shù)據(jù)加密模塊

Post-processor, MADPost

后處理工具

MADPost/Energy

能量傳遞分析模塊

Objective Rating

模型質量評分工具

Protocol Rating

C-NCAP, Euro/US-NCAP評分工具

Exchange

數(shù)據(jù)庫及流程管理工具

Coupling Assistant

耦合計算建模輔助工具

Utilities

輔助工具

Airbag Folder

安全氣囊圖形折疊工具

MTA (Tank Test Analysis)

氣體發(fā)生器容器試驗分析

Scaler

人體模型比例縮放工具

GEBOD

人體模型生成工具



Simcenter Madymo 典型應用技術方案
一、在過山車乘員防護中的應用
1)    流程圖如下
 

2)    輸入?yún)?shù)確定
確定作為 Simcenter Madymo 仿真模型的基本輸入條件。需要測得過山車座椅的 X， Y，Z 三個方向的線性加速度和繞著這三個方向的角加速度，以確定過山車或者座椅的運動學描述。線性加速度由固定于座椅上加速度傳感器測得，角加速度由固定于座椅上的陀螺儀測得。
座椅參數(shù)輸入中，包括座椅的幾何尺寸和座椅的位置，以便建立相應的 Simcenter Madymo 座椅模型；包括座椅的材料特性或者力學特性，以確定座椅的受力分析以及座椅與乘客之間的相互作用。
乘客特征輸入，需要確定乘客的一般特征，如體重、體形、年齡等，以便在 Simcenter Madymo 中選擇相應的假人模型和縮放的人體模型。

3)    Simcenter Madymo 仿真
根據(jù)測量的過山車三個方向的線性加速度和角加速度，在 Simcenter Madymo 定義相應的運動。
根據(jù)測量的座椅幾何尺寸，建立座椅的 Simcenter Madymo 模型，并定義座椅的力學特性。
根據(jù)乘客的一般特征，選擇 Simcenter Madymo 假人模型。在 Simcenter Madymo 假人模型庫中包含標準的假人模型：95%男性假人模型，50%男性假人模型，5%女性假人模型，6 歲兒童假人模型，如圖 1。

圖1.
在 Simcenter Madymo 模型庫中，還包含可縮放的人體生物力學模型，可根據(jù)不同身材定義相應的人體模型，如圖 2。

圖 2.

4)    物理試驗對比
為驗證 Simcenter Madymo 模型的有效性，選擇某一中假人，如 50%男性假人，進行物理試驗并測量得到過山車的加速度信號以及假人的損傷參數(shù)。跟 Simcenter Madymo 仿真的結果進行對比，以確定 Simcenter Madymo 模型反映試驗的真實性。
改變假人模型，進行 Simcenter Madymo 仿真計算，得到相應假人的響應值。包括頭部加速度、頭部傷害指標、頸部傷害指標、胸部加速度、脊椎傷害指標、髖部加速度。
替換成縮放的人體模型，進行 Simcenter Madymo 仿真計算，得到人體模型的響應值。包括上述假人相應對應的傷害指標及加速度。
同時縮放加速度信號，進行 Simcenter Madymo 仿真計算，得到變換后的響應值。


5)    損傷風險評估



圖 3.  損傷風險評估流程

由 Simcenter Madymo 仿真計算得到的一系列假人響應和人體響應，根據(jù)人體損傷風險的概率分布情況（如圖 4），以及實際的人體可能傷害，制定出過山車損傷風險評價標準。

 


圖 4

根據(jù)損傷風險評價體系，制定出對應的線性加速度和角加速度安全評價范圍（可以將加速度轉換成過山車的運行速度 V 以及過山車軌道的弧度），以保證乘員受損傷的風險在評價標準之內，如圖 5。
 
根據(jù)損傷風險評價體系，同時可以制定出對座椅和壓板的安全評價范圍。如座椅需要有更好的緩沖保護效果等。根據(jù)加速度（或運行速度 V 和軌道弧度）評價體系，可以評估現(xiàn)有過山車的安全等級以及規(guī)范程度。

根據(jù)該評價體系，可以設計出更加安全的過山車軌道、速度控制系統(tǒng)以及座椅緩沖、保護裝置。


二、在船舶行業(yè)中的應用
1、艦載人員防護 - 艦船結構設計的主流
  • 水下爆炸/撞擊對艦載人員的損傷機理
1) 沖擊波造成艦船結構的動態(tài)變形和損壞
2) 沖擊波造成人員損傷的載荷傳遞路徑
3) 艦船結構的動態(tài)響應造成人體損傷的生物力學機理
  • 水下爆炸試驗成本高，周期長
1) 水下干擾因素多
2) 水下試驗難度大
3) 局部改進措施的試驗效果評估意義不是很大    
國際上采用 Simcenter Madymo 人體生物力學模型進行爆炸沖擊仿真研究，以減少物理試驗次數(shù)和開發(fā)周期。

2、對于某艦船設計，要求改進艦船結構，提高爆炸艦船內人員的安全防護。
  • 水下爆炸對艦船的沖擊載荷分析
1) 沖擊載荷的等級
2) 爆炸沖擊的載荷分布和傳遞路徑
3) 爆炸對艙體內部的沖擊影響
4) 直接對艦載人員的沖擊載荷
  • 艦載人員傷害的生物力學仿真分析
1) 艦載人員傷害值的仿真計算
2) 傷害值的風險評估
3) 降低傷害風險的改進
  • 水下爆炸試驗驗證
1) 分析改進方案
2) 穩(wěn)健性分析
三、在裝甲車安全開發(fā)中的應用

1、車載人員碰撞沖擊防護–裝甲車安全開發(fā)的關鍵

  • 爆炸沖擊/撞擊對車載人員的損傷機理研究主要包括：
1) 沖擊波造成車輛結構的動態(tài)變形和損壞
2) 沖擊波造成人員損傷的載荷傳遞路徑
3) 車輛結構的動態(tài)響應造成人體損傷的生物力學機理
  • 爆炸沖擊/撞擊試驗成本高，周期長
1) 環(huán)境污染較大
2) 造成破壞性損傷，危險系數(shù)大
3) 對局部改進措施，進行實際效果評估意義不大

國際上采用 Simcenter Madymo 人體生物力學模型進行爆炸沖擊仿真研究，以減少物理試驗次數(shù)和開發(fā)周期。
2、在裝甲車安全開發(fā)中的典型應用流程

目標：對于某裝甲車的設計，要求改進裝甲車結構和約束系統(tǒng)，提高爆炸對車載人員的安全防護。
  • 爆炸/撞擊對車輛的沖擊載荷分析
1) 沖擊載荷的等級
2) 爆炸沖擊的載荷分布和傳遞路徑
3) 爆炸對艙體內部的沖擊影響
4) 直接對車載人員的沖擊載荷分析
  • 車載人員傷害的生物力學仿真分析
1) 車載人員傷害值的仿真計算
2) 傷害值的風險評估
3) 降低傷害風險的改進，包括結構和約束系統(tǒng)
4) 穩(wěn)健性分析
  • 爆炸/撞擊試驗驗證
1) 驗證改進方案
2) 分析改進方案
3) 完善改進方案



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