影響行人頭部保護(hù)仿真分析的因素

郝海舟 崔淑娟 費(fèi)敬

（中國汽車工程研究院股份有限公司汽車安全技術(shù)中心）

汽車設(shè)計(jì)既要考慮駕乘人員的安全，也要考慮行人等弱勢道路使用者的安全。國標(biāo)GB/T 24550—2009《汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)》[1]的頒布與實(shí)施，使得國內(nèi)車企逐步將行人保護(hù)性能納入了企業(yè)的汽車研發(fā)體系中。行人保護(hù)計(jì)算機(jī)仿真包括頭型與腿型兩類計(jì)算工況，在進(jìn)行行人頭部保護(hù)計(jì)算機(jī)仿真分析時(shí)，車體部分模型通常是通過截取用于計(jì)算整車碰撞性能的整車模型得到，然而由于不同的仿真分析關(guān)注的重點(diǎn)不同，因而對(duì)建模細(xì)節(jié)要求也不同。整車碰撞分析關(guān)注的是整車結(jié)構(gòu)，而行人保護(hù)分析重點(diǎn)關(guān)注的是某一系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，所以在進(jìn)行行人保護(hù)仿真分析時(shí)，需要對(duì)從整車截取所得分析模型的局部進(jìn)行合理地調(diào)整與優(yōu)化，以提高仿真結(jié)果的精度。文章主要分析行人頭部保護(hù)計(jì)算機(jī)仿真建模中需要特別關(guān)注但又容易被忽視的3個(gè)因素，分別為前機(jī)艙蓋緩沖塊的建模、機(jī)艙蓋鎖的建模、散熱器總成與水箱上橫梁連接關(guān)系的建模，并以某車型為例，通過計(jì)算測試點(diǎn)的頭部傷害值，分析這3個(gè)因素對(duì)仿真結(jié)果的影響，為行人保護(hù)計(jì)算機(jī)仿真建模提供參考。

1 影響因素分析與模型建立

模型建立采用HyperMesh軟件，求解模板采用LS_DYNA軟件。

1.1 前機(jī)艙蓋緩沖塊作用分析與建模

前機(jī)艙蓋在正常使用狀況下的受力狀態(tài)，如圖1所示。前機(jī)艙蓋鉸鏈約束了機(jī)艙蓋除開啟方向轉(zhuǎn)動(dòng)外的5個(gè)自由度，機(jī)艙蓋鎖約束了機(jī)艙蓋開啟方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，機(jī)艙蓋緩沖塊給機(jī)艙蓋總成施加一個(gè)向上的力，在這些力與約束的共同作用下，機(jī)艙蓋處于一種存在殘余應(yīng)力的平衡狀態(tài)[2]。在前機(jī)艙蓋正常的關(guān)閉狀態(tài)下，緩沖塊位于前機(jī)艙蓋與水箱上橫梁之間，并保持一定的壓縮量，如在機(jī)艙蓋上施加作用力，部分受力會(huì)通過緩沖塊傳遞至水箱橫梁，如圖2所示。而整車碰撞模型通常并未關(guān)注緩沖塊的作用，如果直接進(jìn)行行人保護(hù)仿真分析，將導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，所以行人保護(hù)計(jì)算機(jī)仿真分析建模時(shí)有必要對(duì)緩沖塊的作用加以考慮。

文章算例按照緩沖塊CAD數(shù)據(jù)將其劃分為六面體網(wǎng)格，并賦予材料與屬性后，將其連接于水箱上橫梁（如某些車型緩沖塊安裝于機(jī)艙蓋內(nèi)板，那么按實(shí)際情況處理即可），并通過定義接觸關(guān)鍵字卡片*Contact Automatic Single Surface[3]的方式模擬緩沖塊與前機(jī)艙蓋內(nèi)板之間的作用。建立的緩沖塊模型，如圖3所示。

1.2 前機(jī)艙蓋鎖建模

在前機(jī)艙蓋關(guān)閉時(shí)，為防止鎖扣與鎖體的硬接觸，一方面通過緩沖塊的壓縮變形減緩機(jī)艙蓋的關(guān)閉速度[4]，另一方面通過在鎖扣與鎖體之間預(yù)留自由行程來解決[5]，這也正是在機(jī)艙蓋關(guān)閉的情況下，如果在鎖附近用力向下壓機(jī)艙蓋，機(jī)艙蓋還能向下運(yùn)動(dòng)的原因。圖4示出某車型機(jī)艙蓋鎖鎖上的狀態(tài)。而要壓下這段“自由行程”，需要壓縮緩沖塊以及克服機(jī)艙蓋鎖中彈簧的拉力。圖5中示出的位置即為機(jī)艙蓋鎖鎖上狀態(tài)的自由行程，而該自由行程將有可能減緩碰撞頭型的加速度峰值。所以在仿真分析行人保護(hù)時(shí)，有必要在機(jī)艙蓋鎖模型中考慮自由行程對(duì)分析結(jié)果的影響。

根據(jù)機(jī)艙蓋鎖的作用，建模過程中將對(duì)鎖進(jìn)行簡化，鎖扣按照CAD模型劃分網(wǎng)格，而將鎖體簡化為鎖鉤與自由行程下阻擋部分，用剛性體（Mat20材料）模擬，并通過LS_DYNA軟件中關(guān)鍵字卡片*Constrained Extra Nodes Set[3]將兩者連接到水箱上橫梁的鎖安裝孔處，并在鎖扣與鎖自由行程的下阻擋部分之間建立彈簧單元[6]。建立的鎖模型，如圖6所示。

文章算例中的機(jī)艙蓋鎖為獨(dú)體式結(jié)構(gòu)，如果一些車型中用的是上下結(jié)構(gòu)鎖，如圖7所示，那么因?yàn)殒i的作用相同，所以鎖的模型簡化方式和上述類似。

1.3 散熱器總成與水箱上橫梁連接關(guān)系建模

通常情況下，散熱器總成位于水箱上橫梁與下橫梁之間，散熱器總成與水箱上橫梁通過橡膠套連接，是協(xié)同散熱器總成下方主懸置的輔助懸置點(diǎn)，散熱器總成可以相對(duì)水箱上橫梁在一定范圍內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)。而在整車碰撞仿真模型建立時(shí)通常簡化了這種約束，在兩者之間進(jìn)行全約束，這種情形下，散熱器總成起了支撐水箱上橫梁的作用，從而錯(cuò)誤的改變了頭型碰撞機(jī)艙蓋時(shí)前端結(jié)構(gòu)的力傳遞路徑，所以在計(jì)算行人保護(hù)性能時(shí)有必要對(duì)這種連接關(guān)系進(jìn)行修改優(yōu)化。

在行人頭部保護(hù)仿真分析中關(guān)注的是水箱上橫梁與散熱器總成在z向的相互關(guān)系，所以可通過剛度較小的彈簧模擬橡膠套，由于彈簧剛度較小，散熱器總成與水箱上橫梁之間便可在z向產(chǎn)生一定限度的運(yùn)動(dòng)。建立的水箱上橫梁與散熱器總成連接關(guān)系的分析模型，如圖8所示。

2 算例驗(yàn)證

計(jì)算中使用的是兒童頭型有限元模型。分析軟件為通用顯式非線性有限元軟件LS_DYNA，結(jié)果處理軟件為HyperView。

2.1 模型建立

共建立5個(gè)用于行人頭部保護(hù)仿真計(jì)算的汽車模型，模型情況，如表1所示。

表1 行人頭部保護(hù)仿真模型編號(hào)與描述

模型00是通過截取整車碰撞分析模型A柱前部（包括A柱）所得[7]。根據(jù)GB/T 24550—2009《汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)》[1]對(duì)汽車與兒童頭型模型施加邊界條件，最終建立的行人頭部保護(hù)有限元分析模型，如圖9所示。

文章在前機(jī)艙蓋外表面選擇2個(gè)點(diǎn)作為測試目標(biāo)點(diǎn)，位置如圖10所示。在上述5個(gè)汽車模型基礎(chǔ)上，通過調(diào)整兒童頭型位置于測試點(diǎn)1和2，得到2組共10個(gè)行人頭部保護(hù)分析模型。

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖11和圖12分別示出兒童頭型撞擊5個(gè)不同汽車模型的測試點(diǎn)1和2所得的頭部加速度曲線圖，從圖11和圖12可以明顯看出，在同一測試點(diǎn)5個(gè)不同汽車模型得到的頭部加速度曲線特征類似，但峰值有一定的區(qū)別，這將導(dǎo)致不同的兒童頭部傷害值（HIC）[1]。

表2示出上述模型在測試點(diǎn)1與2計(jì)算所得的HIC值。

表2 兒童頭部不同模型的傷害值（HIC）

從表2可以看出：1）不論是測試點(diǎn)1還是測試點(diǎn)2，不同汽車模型計(jì)算所得的加速度峰值與HIC均不同；2）不同的測試點(diǎn)，不同汽車模型對(duì)HIC的影響也不同。在測試點(diǎn)1，模型03的HIC最小，而在測試點(diǎn)2，模型02的HIC最小；在測試點(diǎn)1，模型01的HIC比模型04大8，而在測試點(diǎn)2，模型01的HIC比模型04大76；3）HIC對(duì)加速度曲線很敏感。例如：在測試點(diǎn)2，模型01與模型04的加速度峰值僅相差1 g，但HIC相差76。

3 結(jié)論

1）文章所述的3個(gè)因素對(duì)行人頭部傷害值計(jì)算結(jié)果有影響，在進(jìn)行行人頭部保護(hù)計(jì)算機(jī)仿真分析時(shí)必須考慮；這3個(gè)因素并無重要之分，不同因素對(duì)不同測試區(qū)域的行人頭部傷害值影響程度不同。

2）可以通過調(diào)整機(jī)艙蓋緩沖塊與機(jī)艙蓋鎖的設(shè)計(jì)與布置來優(yōu)化汽車的行人頭部保護(hù)性能。