行人保護(hù)仿真分析中的新型頭部模型建模方法

龔益玲 李月 楊秋雨

摘要：為更精確地評價(jià)新車型行人保護(hù)頭部碰撞的性能，提出一種新型頭部碰撞模型構(gòu)建方法。該方法基于傳統(tǒng)頭部模型，根據(jù)摩擦理論和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，推導(dǎo)接觸壓力和接觸面相對速度與摩擦因數(shù)的復(fù)合關(guān)系式，通過頭部模型跌落沖擊試驗(yàn)標(biāo)定復(fù)合摩擦曲線參數(shù)，得到與真實(shí)行人頭部吻合度更高的新型頭部模型。某車型行人保護(hù)頭部碰撞仿真計(jì)算表明，使用新型頭部模型可極大地提高仿真的準(zhǔn)確性。新型頭部模型建模方法適用于不同法規(guī)對頭部模型的要求，可提高新車研發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：

行人保護(hù); 頭部模型; C-NCAP; 頭部傷害指數(shù); 摩擦因數(shù); 復(fù)合曲線

中圖分類號：U467.14;TP391.92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

New head model modeling method for simulation analysis

of pedestrian protection

GONG Yiling， LI Yue， YANG Qiuyu

（

Closures System of Product Engineering， SAIC Volkswagen Automotive Co.， Ltd.， Shanghai 201805， China）

Abstract：

To evaluate the performance of head impact in the pedestrian protectionmore accurately， a new model modeling method of head impact is proposed. Based on the traditional head model and the friction theory and the experimental experience， the compound relationship between the contact pressure and relative velocity of the contact surface and the friction coefficient is derived. The parameters of the composite friction curve are calibrated by the head model drop impact test， anda new head model is obtained， which is more consistent with the real pedestrian head. The new head model modeling method is suitable for the requirements of different regulations on the head model， which can improve the efficiency of the new car research and development.

Key words：

pedestrian protection; head model; C-NCAP; head injury criterion; friction coefficient; composite curve

0 引 言

近年來，我國汽車需求量和出口量不斷增加，汽車企業(yè)新開發(fā)的車型需要滿足不同國家的法規(guī)。為節(jié)約實(shí)車試驗(yàn)成本，在新車型研發(fā)初期使用計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行碰撞仿真驗(yàn)證和優(yōu)化已成為汽車企業(yè)的首選策略。

汽車與行人碰撞的事故率非常高，沒有防護(hù)措施的行人一旦與行駛的汽車發(fā)生碰撞，會(huì)對行人造成極大的傷害，因此在汽車碰撞研究中行人保護(hù)措施意義重大。

本文根據(jù)C-NCAP（中國新車評價(jià)規(guī)則）提出一種新型頭部碰撞模型建模方法，該方法能夠更精確地模擬行人物理頭部屬性，極大程度地提高模型運(yùn)算的精度，能夠適用于不同法規(guī)對頭部模型的要求，提高汽車研發(fā)效率。

1 行人保護(hù)頭部碰撞有限元模型

C-NCAP把行人保護(hù)作為重要的安全評價(jià)體系。[1]汽車行人保護(hù)評價(jià)方法主要分為頭部碰撞和腿部碰撞2種工況。根據(jù)規(guī)則，頭部碰撞又細(xì)分為兒童頭型和成人頭型，車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋前部使用兒童頭型，車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋后部和前風(fēng)擋玻璃區(qū)域使用成人頭型。評價(jià)規(guī)則要求的頭部碰撞區(qū)域碰撞角度和加速度[2-3]示意見圖1。頭部碰撞加速度曲線可以反映行人保護(hù)的頭部碰撞情況，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本文基于高精度的行人保護(hù)兒童頭部碰撞和成人頭部碰撞有限元模型，優(yōu)化車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋結(jié)構(gòu)，從而提高車輛行人保護(hù)的得分。[4-5]

1.1 頭部碰撞評價(jià)要求

根據(jù)新車評價(jià)規(guī)則，在行人保護(hù)頭部碰撞試驗(yàn)中，頭部模型以一定速度和一定角度與發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋發(fā)生碰撞，以碰撞過程中以頭部傷害指數(shù)（head injury criterion， HIC）值為評價(jià)指標(biāo)。某車型頭部碰撞過程的加速度曲線見圖2，根據(jù)新車評價(jià)規(guī)則，對曲線按照式（1）進(jìn)行積分則為最終的HIC值。

H=（t2-t1）

∫t2t1

[SX（]ag[SX）]dt2.5

（1）

式中：

t2-t1為HIC達(dá)到最大值的時(shí)間間隔，新車評價(jià)取15 ms;

g為重力加速度;a為碰撞過程中頭部質(zhì)心的合成加速度;t為時(shí)間。

根據(jù)C-NCAP要求，行人保護(hù)頭部碰撞的HIC分值設(shè)定見表1。先根據(jù)表1獲得碰撞區(qū)域內(nèi)各個(gè)碰撞點(diǎn)HIC值所對應(yīng)的得分，再根據(jù)評分規(guī)則得到碰撞區(qū)域的總得分。

1.2 行人保護(hù)頭部碰撞有限元模型

根據(jù)C-NCAP要求，頭部碰撞主要與發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋、前擋風(fēng)玻璃、前保險(xiǎn)杠和儀表盤等零部件相關(guān)，行人保護(hù)頭部碰撞模型示意見圖3。在行人保護(hù)頭部碰撞模擬計(jì)算中，頭部模型是初始條件，其建模準(zhǔn)確性直接影響HIC得分。頭部碰撞是非線性分析工況，因此定義準(zhǔn)確的彈塑性材料是非常重要的，本文主要研究頭部模型的建立。

1.3 傳統(tǒng)頭部有限元模型

傳統(tǒng)兒童頭部有限元模型組裝示意見圖4，其中：r1為內(nèi)層頭骨半徑;h1為內(nèi)層頭骨高度;r2為蓋板半徑;h2為蓋板高度;R為外層頭皮半徑;H為外層頭皮高度;t為外層頭皮厚度。蓋板設(shè)為剛性結(jié)構(gòu)，定義施加初速度的

節(jié)點(diǎn)和HIC值評價(jià)的觀測點(diǎn)。

蓋板模型使用不可變形剛性單元模擬;

內(nèi)層頭骨模型使用可變形體單元模擬，定義其半徑并賦以金屬材料屬性;外層頭皮模型使用可變形體單元模擬，定義其厚度和半徑并賦以黏彈性材料屬性。采用不可變形剛性體連接內(nèi)層頭骨與蓋板;采用接觸關(guān)系連接內(nèi)層頭骨與外層頭皮。外層頭皮與內(nèi)層頭骨之間、外層頭皮與發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋之間各對應(yīng)一個(gè)接觸關(guān)系，這2個(gè)接觸的摩擦因數(shù)一般設(shè)為定值。[6-7]

基于傳統(tǒng)的頭部有限元模型，分析某車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋頭部碰撞區(qū)域某個(gè)碰撞點(diǎn)的HIC值。試驗(yàn)與仿真得到該點(diǎn)頭部加速度曲線對比見圖5，HIC得分見表2。雖然試驗(yàn)與計(jì)算得到的HIC值對應(yīng)的得分相同，但是傳統(tǒng)頭部有限元模型的加速度曲線與試驗(yàn)吻合度不高，相對誤差達(dá)12.5%。當(dāng)HIC值處于得分臨界點(diǎn)時(shí)，試驗(yàn)與計(jì)算得分不一致會(huì)影響整體的行人保護(hù)評價(jià)。因此，有必要引入一種更為精確的頭部模型模擬頭部碰撞工況。

2 新型行人保護(hù)頭部模型

在傳統(tǒng)的頭部模型中，內(nèi)層頭骨與外層頭皮之間的摩擦因數(shù)f1、外層頭皮與發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋之間的摩擦因數(shù)f2都設(shè)為定值，而在實(shí)際碰撞過程中，這2個(gè)摩擦因數(shù)與碰撞速度和壓力息息相關(guān)。

2.1 頭部碰撞模型中的摩擦因數(shù)

在頭部碰撞過程中，設(shè)內(nèi)層頭骨與外層頭皮之間的接觸壓力為p1，外層頭皮與發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋之間的接觸壓力為p2，頭部模型的碰撞速度為v，結(jié)合摩擦理論，分析壓力、速度與摩擦因數(shù)之間的關(guān)系。行人保護(hù)頭部碰撞模型接觸示意見圖6。

2.2 頭部模型摩擦因數(shù)

傳統(tǒng)動(dòng)摩擦因數(shù)與速度之間的經(jīng)驗(yàn)公式需要碰撞接觸面形成和破壞過程的活化能數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用難度很大。[8-9]因此，采用頭部模型沖擊試驗(yàn)分別測定速度和壓力對摩擦因數(shù)[10]的影響。

采用傳統(tǒng)頭部模型進(jìn)行頭部沖擊摩擦試驗(yàn)，沖擊速度為0.004～25.000 m/s、壓力為0.8～170.0 kPa。由試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)速度增大時(shí)，摩擦因數(shù)取得最大值;當(dāng)壓力增大時(shí)，摩擦因數(shù)最大值對應(yīng)較小的速度值。

根據(jù)摩擦面的彈性-黏性接觸理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到速度v與摩擦因數(shù)關(guān)系的表達(dá)式為

μ=（a+bv）e-cv+d

（2）

式中：a、b、c、d均為擬合因數(shù)。

同理，壓力與摩擦因數(shù)關(guān)系的表達(dá)式為

μ=tanarccos

1-[SX（]CPAE[SX）]

（3）

式中：C為常數(shù);P為接觸壓力;A為碰撞過程中的接觸面積;E為材料的彈性模量。

2.3 頭部模型摩擦因數(shù)曲線標(biāo)定

基于前文的理論分析，以兒童頭部模型為試驗(yàn)對象，根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)，通過跌落試驗(yàn)[11]對行人保護(hù)兒童頭部模型進(jìn)行沖擊試驗(yàn)標(biāo)定。

將頭部模型從不同高度瞬間釋放并且跌落到剛性支撐的正方形水平鋼板上，鋼板厚度大于50 mm、邊長大于300 mm，標(biāo)定試驗(yàn)實(shí)物見圖7。將頭部模型沖擊試驗(yàn)與新型頭部模型跌落試驗(yàn)的有限元計(jì)算結(jié)果所得加速度曲線進(jìn)行對比，通過調(diào)整接觸壓力與摩擦因數(shù)、沖擊速度與摩擦因數(shù)之間各擬合因數(shù)，得到標(biāo)定后的復(fù)合曲線，見圖8。

頭部模型的摩擦因數(shù)定義為2條復(fù)合曲線：一條為接觸壓力與摩擦因數(shù)之間的變化曲線，隨著接觸壓力增大，摩擦因數(shù)相應(yīng)減小;一條為接觸過程中相對速度與摩擦因數(shù)之間的變化曲線，隨著相對速度增大，摩擦因數(shù)相應(yīng)增大。采用接觸壓力和接觸面相對速度2個(gè)影響因素的復(fù)合曲線定義頭部模型2個(gè)接觸對相應(yīng)的摩擦因數(shù)。

[12]

3 新型頭部模型的應(yīng)用

基于摩擦因數(shù)復(fù)合曲線定義新的頭部模型，分析某車型的行人保護(hù)頭部碰撞過程，對比傳統(tǒng)頭部模型和新型頭部模型在碰撞過程中的加速度和HIC值。基于試驗(yàn)和2種頭部模型，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋某兒童頭部碰撞點(diǎn)的加速度曲線見圖9，該碰撞點(diǎn)HIC值和得分對比見表3。與傳統(tǒng)頭部模型仿真相比，新型頭部模型仿真與沖擊試驗(yàn)的加速度曲線吻合更好，同時(shí)兩者的HIC值更接近，誤差低于5%。由此可見，在行人保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋碰撞仿真中，引入與接觸壓力和速度相關(guān)的摩擦因數(shù)復(fù)合曲線的兒童頭部模型，可以更加精確地模擬行人保護(hù)頭部碰撞過程中的加速度曲線，從而為設(shè)計(jì)和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與局部加強(qiáng)件提供更精準(zhǔn)地?cái)?shù)據(jù)支撐。

在新車型開發(fā)過程中，基于摩擦因數(shù)復(fù)合曲線的新型兒童頭部模型和成人頭部模型仿真，可以更高效精確地優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋結(jié)構(gòu)，對提高行人保護(hù)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋區(qū)域的得分評價(jià)具有非常關(guān)鍵的作用。

4 結(jié)束語

構(gòu)造在汽車行人保護(hù)碰撞中使用的新型頭部碰撞有限元模型，突破傳統(tǒng)模型中接觸關(guān)系采用單一摩擦因數(shù)的局限性，

使內(nèi)層頭骨與外層頭皮之間、外層頭皮與發(fā)動(dòng)機(jī)艙外板之間均按照接觸關(guān)系公式建立接觸，

采用受接觸壓力和接觸面相對速度影響的復(fù)合摩擦曲線定義接觸關(guān)系中的摩擦因數(shù)。將實(shí)際碰撞測試使用的成人或兒童頭部碰撞參數(shù)代入模型，利用新型頭部碰撞模型進(jìn)行相應(yīng)的行人保護(hù)碰撞仿真分析。

由仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果對比可知，所建立的新型頭部碰撞模型能提高頭部碰撞仿真的精確度，新型頭部碰撞模型的碰撞響應(yīng)與物理模型吻合度更高。根據(jù)標(biāo)定試驗(yàn)得到的基于摩擦因數(shù)復(fù)合曲線的新型兒童頭部模型和成人頭部模型，可用于各個(gè)開發(fā)車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋行人保護(hù)頭部碰撞工況中，為節(jié)約樣車成本和提高汽車研發(fā)效率提供技術(shù)支持。

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（編輯 武曉英）