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Simcenter Madymo专门针对乘员安全工程应用的CAE仿真工具

时间:2020-12-16 16:28:41 作者:

软件介绍
Simcenter Madymo 是西门子数字化工业软件旗下一款专门针对乘员安全工程应用的完整 CAE 仿真工具，包括求解器(Solver)、假人和人体模型库 (Dummy Database & Human Model)，和前后处理工具 (Workspace)等，详细模块功能配置见附件。Simcenter Madymo 软件主要特征：
灵活&高效的求解器 (多体 MB+有限元 FE)

Simcenter Madymo 求解器完美融合多体MB 和有限元 FE 建模方法，满足不同研究阶段的建模需求，并通过 SMP/MPP 并行算法提高计算效率。
提供第三方软件耦合计算 Coupling 功能，包括 LS-DYNA, RADIOSS 等，为船体结构与乘员系统提供耦合计算平台。

完备的假人和人体模型

可用于各种碰撞载荷工况的假人模型。
经过尸体试验及真人试验验证的人体生物力学模型。
满足各种身材的可缩放人体模型。

直接输出相应的标准伤害值，加速度和作用力。

完备的前后处理和 NCAP 评价工具

前处理工具 XMADgic
1) 支持 Simcenter Madymo XML 关键字
2) 图形化人体模型定位操作

后处理工具 MADPost
         1) 支持 KN3, HDF5, D3PLOT 和 AVI 格式的动画
         2) 支持 ISOMME 格式，方便对比仿真与试验曲线
         3) 支持标准伤害值计算

附：

模块描述 Description	备注Note
MADYMO Solver	求解器
Multibody and Finite Element	基础多体动力学及有限元求解器
Airbag Solver (Uniform Pressure)	安全气囊求解器 (均匀压力法)
CFD/Gasflow Solver	CFD安全气囊求解器 - Gasflow
Parallel CPU Token	并行CPU (SMP/MPP)
Coupling - FE	LS-DYNA, RADIOSS, ABAQUS耦合计算
Coupling - MATLAB	MATLAB耦合计算
Model Databases	模型库 (详情参考 Appendix B)
Frontal Dummy Models	正面假人模型库 (THOR, Hybrid III 50th等)
Side Dummy Models	侧面假人模型库 (WorldSID, ES-2, SID-IIs, 等)
Child Dummy Models	儿童假人模型库 (TNO P系列, Q系列, 混III等)
Rear Dummy Models	追尾假人模型库 (BioRID II, 等)
Subsystem Models (Pedestrian)	子系统模块 (ECE R12, 行人保护冲锤，等)
FAA Models (Aircraft safety)	航空安全假人模型库
Human Models	TB024人体模型, 人体生物力学模型库
Active Human Model	主动式人体模型
Motorcycle Model (MATD)	摩托车假人模型库
MF-Tyre	Delft轮胎模型
Workspace Tools	前后处理及相关辅助工具
Pre-processor, XMADgic + Viewer	前处理建模工具
XMADgic/Beltfit	安全带自动生成模块
XMADgic/Encryption	模型数据加密模块
Post-processor, MADPost	后处理工具
MADPost/Energy	能量传递分析模块
Objective Rating	模型质量评分工具
Protocol Rating	C-NCAP, Euro/US-NCAP评分工具
Exchange	数据库及流程管理工具
Coupling Assistant	耦合计算建模辅助工具
Utilities	辅助工具
Airbag Folder	安全气囊图形折叠工具
MTA (Tank Test Analysis)	气体发生器容器试验分析
Scaler	人体模型比例缩放工具
GEBOD	人体模型生成工具

Simcenter Madymo 典型应用技术方案
一、在过山车乘员防护中的应用
1) 流程图如下

2) 输入参数确定
确定作为 Simcenter Madymo 仿真模型的基本输入条件。需要测得过山车座椅的 X， Y，Z 三个方向的线性加速度和绕着这三个方向的角加速度，以确定过山车或者座椅的运动学描述。线性加速度由固定于座椅上加速度传感器测得，角加速度由固定于座椅上的陀螺仪测得。
座椅参数输入中，包括座椅的几何尺寸和座椅的位置，以便建立相应的 Simcenter Madymo 座椅模型；包括座椅的材料特性或者力学特性，以确定座椅的受力分析以及座椅与乘客之间的相互作用。
乘客特征输入，需要确定乘客的一般特征，如体重、体形、年龄等，以便在 Simcenter Madymo 中选择相应的假人模型和缩放的人体模型。

3) Simcenter Madymo 仿真
根据测量的过山车三个方向的线性加速度和角加速度，在 Simcenter Madymo 定义相应的运动。
根据测量的座椅几何尺寸，建立座椅的 Simcenter Madymo 模型，并定义座椅的力学特性。
根据乘客的一般特征，选择 Simcenter Madymo 假人模型。在 Simcenter Madymo 假人模型库中包含标准的假人模型：95%男性假人模型，50%男性假人模型，5%女性假人模型，6 岁儿童假人模型，如图 1。

图1.

在 Simcenter Madymo 模型库中，还包含可缩放的人体生物力学模型，可根据不同身材定义相应的人体模型，如图 2。

图 2.

4) 物理试验对比
为验证 Simcenter Madymo 模型的有效性，选择某一中假人，如 50%男性假人，进行物理试验并测量得到过山车的加速度信号以及假人的损伤参数。跟 Simcenter Madymo 仿真的结果进行对比，以确定 Simcenter Madymo 模型反映试验的真实性。
改变假人模型，进行 Simcenter Madymo 仿真计算，得到相应假人的响应值。包括头部加速度、头部伤害指标、颈部伤害指标、胸部加速度、脊椎伤害指标、髋部加速度。
替换成缩放的人体模型，进行 Simcenter Madymo 仿真计算，得到人体模型的响应值。包括上述假人相应对应的伤害指标及加速度。
同时缩放加速度信号，进行 Simcenter Madymo 仿真计算，得到变换后的响应值。

5) 损伤风险评估

图 3. 损伤风险评估流程

由 Simcenter Madymo 仿真计算得到的一系列假人响应和人体响应，根据人体损伤风险的概率分布情况（如图 4），以及实际的人体可能伤害，制定出过山车损伤风险评价标准。

图 4

根据损伤风险评价体系，制定出对应的线性加速度和角加速度安全评价范围（可以将加速度转换成过山车的运行速度 V 以及过山车轨道的弧度），以保证乘员受损伤的风险在评价标准之内，如图 5。

根据损伤风险评价体系，同时可以制定出对座椅和压板的安全评价范围。如座椅需要有更好的缓冲保护效果等。根据加速度（或运行速度 V 和轨道弧度）评价体系，可以评估现有过山车的安全等级以及规范程度。

根据该评价体系，可以设计出更加安全的过山车轨道、速度控制系统以及座椅缓冲、保护装置。

二、在船舶行业中的应用
1、舰载人员防护 - 舰船结构设计的主流

水下爆炸/撞击对舰载人员的损伤机理

1) 冲击波造成舰船结构的动态变形和损坏
2) 冲击波造成人员损伤的载荷传递路径
3) 舰船结构的动态响应造成人体损伤的生物力学机理

水下爆炸试验成本高，周期长

1) 水下干扰因素多
2) 水下试验难度大
3) 局部改进措施的试验效果评估意义不是很大

国际上采用 Simcenter Madymo 人体生物力学模型进行爆炸冲击仿真研究，以减少物理试验次数和开发周期。

2、对于某舰船设计，要求改进舰船结构，提高爆炸舰船内人员的安全防护。

水下爆炸对舰船的冲击载荷分析

1) 冲击载荷的等级
2) 爆炸冲击的载荷分布和传递路径
3) 爆炸对舱体内部的冲击影响
4) 直接对舰载人员的冲击载荷

舰载人员伤害的生物力学仿真分析

1) 舰载人员伤害值的仿真计算
2) 伤害值的风险评估
3) 降低伤害风险的改进

水下爆炸试验验证

1) 分析改进方案
2) 稳健性分析

三、在装甲车安全开发中的应用

1、车载人员碰撞冲击防护–装甲车安全开发的关键

爆炸冲击/撞击对车载人员的损伤机理研究主要包括：

1) 冲击波造成车辆结构的动态变形和损坏
2) 冲击波造成人员损伤的载荷传递路径
3) 车辆结构的动态响应造成人体损伤的生物力学机理

爆炸冲击/撞击试验成本高，周期长

1) 环境污染较大
2) 造成破坏性损伤，危险系数大
3) 对局部改进措施，进行实际效果评估意义不大

国际上采用 Simcenter Madymo 人体生物力学模型进行爆炸冲击仿真研究，以减少物理试验次数和开发周期。
2、在装甲车安全开发中的典型应用流程

目标：对于某装甲车的设计，要求改进装甲车结构和约束系统，提高爆炸对车载人员的安全防护。

爆炸/撞击对车辆的冲击载荷分析

1) 冲击载荷的等级
2) 爆炸冲击的载荷分布和传递路径
3) 爆炸对舱体内部的冲击影响
4) 直接对车载人员的冲击载荷分析

车载人员伤害的生物力学仿真分析

1) 车载人员伤害值的仿真计算
2) 伤害值的风险评估
3) 降低伤害风险的改进，包括结构和约束系统
4) 稳健性分析

爆炸/撞击试验验证

1) 验证改进方案
2) 分析改进方案
3) 完善改进方案

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