影响行人头部保护仿真分析的因素

2016-08-20郝海舟崔淑娟费敬

汽车工程师 2016年3期

郝海舟崔淑娟费敬

（中国汽车工程研究院股份有限公司汽车安全技术中心）

汽车设计既要考虑驾乘人员的安全，也要考虑行人等弱势道路使用者的安全。国标GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》[1]的颁布与实施，使得国内车企逐步将行人保护性能纳入了企业的汽车研发体系中。行人保护计算机仿真包括头型与腿型两类计算工况，在进行行人头部保护计算机仿真分析时，车体部分模型通常是通过截取用于计算整车碰撞性能的整车模型得到，然而由于不同的仿真分析关注的重点不同，因而对建模细节要求也不同。整车碰撞分析关注的是整车结构，而行人保护分析重点关注的是某一系统的结构形式，所以在进行行人保护仿真分析时，需要对从整车截取所得分析模型的局部进行合理地调整与优化，以提高仿真结果的精度。文章主要分析行人头部保护计算机仿真建模中需要特别关注但又容易被忽视的3个因素，分别为前机舱盖缓冲块的建模、机舱盖锁的建模、散热器总成与水箱上横梁连接关系的建模，并以某车型为例，通过计算测试点的头部伤害值，分析这3个因素对仿真结果的影响，为行人保护计算机仿真建模提供参考。

1 影响因素分析与模型建立

模型建立采用HyperMesh软件，求解模板采用LS_DYNA软件。

1.1 前机舱盖缓冲块作用分析与建模

前机舱盖在正常使用状况下的受力状态，如图1所示。前机舱盖铰链约束了机舱盖除开启方向转动外的5个自由度，机舱盖锁约束了机舱盖开启方向的转动自由度，机舱盖缓冲块给机舱盖总成施加一个向上的力，在这些力与约束的共同作用下，机舱盖处于一种存在残余应力的平衡状态[2]。在前机舱盖正常的关闭状态下，缓冲块位于前机舱盖与水箱上横梁之间，并保持一定的压缩量，如在机舱盖上施加作用力，部分受力会通过缓冲块传递至水箱横梁，如图2所示。而整车碰撞模型通常并未关注缓冲块的作用，如果直接进行行人保护仿真分析，将导致错误的计算结果，所以行人保护计算机仿真分析建模时有必要对缓冲块的作用加以考虑。

文章算例按照缓冲块CAD数据将其划分为六面体网格，并赋予材料与属性后，将其连接于水箱上横梁（如某些车型缓冲块安装于机舱盖内板，那么按实际情况处理即可），并通过定义接触关键字卡片*Contact Automatic Single Surface[3]的方式模拟缓冲块与前机舱盖内板之间的作用。建立的缓冲块模型，如图3所示。

1.2 前机舱盖锁建模

在前机舱盖关闭时，为防止锁扣与锁体的硬接触，一方面通过缓冲块的压缩变形减缓机舱盖的关闭速度[4]，另一方面通过在锁扣与锁体之间预留自由行程来解决[5]，这也正是在机舱盖关闭的情况下，如果在锁附近用力向下压机舱盖，机舱盖还能向下运动的原因。图4示出某车型机舱盖锁锁上的状态。而要压下这段“自由行程”，需要压缩缓冲块以及克服机舱盖锁中弹簧的拉力。图5中示出的位置即为机舱盖锁锁上状态的自由行程，而该自由行程将有可能减缓碰撞头型的加速度峰值。所以在仿真分析行人保护时，有必要在机舱盖锁模型中考虑自由行程对分析结果的影响。

根据机舱盖锁的作用，建模过程中将对锁进行简化，锁扣按照CAD模型划分网格，而将锁体简化为锁钩与自由行程下阻挡部分，用刚性体（Mat20材料）模拟，并通过LS_DYNA软件中关键字卡片*Constrained Extra Nodes Set[3]将两者连接到水箱上横梁的锁安装孔处，并在锁扣与锁自由行程的下阻挡部分之间建立弹簧单元[6]。建立的锁模型，如图6所示。

文章算例中的机舱盖锁为独体式结构，如果一些车型中用的是上下结构锁，如图7所示，那么因为锁的作用相同，所以锁的模型简化方式和上述类似。

1.3 散热器总成与水箱上横梁连接关系建模

通常情况下，散热器总成位于水箱上横梁与下横梁之间，散热器总成与水箱上横梁通过橡胶套连接，是协同散热器总成下方主悬置的辅助悬置点，散热器总成可以相对水箱上横梁在一定范围内上下运动。而在整车碰撞仿真模型建立时通常简化了这种约束，在两者之间进行全约束，这种情形下，散热器总成起了支撑水箱上横梁的作用，从而错误的改变了头型碰撞机舱盖时前端结构的力传递路径，所以在计算行人保护性能时有必要对这种连接关系进行修改优化。

在行人头部保护仿真分析中关注的是水箱上横梁与散热器总成在z向的相互关系，所以可通过刚度较小的弹簧模拟橡胶套，由于弹簧刚度较小，散热器总成与水箱上横梁之间便可在z向产生一定限度的运动。建立的水箱上横梁与散热器总成连接关系的分析模型，如图8所示。

2 算例验证

计算中使用的是儿童头型有限元模型。分析软件为通用显式非线性有限元软件LS_DYNA，结果处理软件为HyperView。

2.1 模型建立

共建立5个用于行人头部保护仿真计算的汽车模型，模型情况，如表1所示。

表1 行人头部保护仿真模型编号与描述

模型00是通过截取整车碰撞分析模型A柱前部（包括A柱）所得[7]。根据GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》[1]对汽车与儿童头型模型施加边界条件，最终建立的行人头部保护有限元分析模型，如图9所示。

文章在前机舱盖外表面选择2个点作为测试目标点，位置如图10所示。在上述5个汽车模型基础上，通过调整儿童头型位置于测试点1和2，得到2组共10个行人头部保护分析模型。

2.2 计算结果与分析

图11和图12分别示出儿童头型撞击5个不同汽车模型的测试点1和2所得的头部加速度曲线图，从图11和图12可以明显看出，在同一测试点5个不同汽车模型得到的头部加速度曲线特征类似，但峰值有一定的区别，这将导致不同的儿童头部伤害值（HIC）[1]。

表2示出上述模型在测试点1与2计算所得的HIC值。

表2 儿童头部不同模型的伤害值（HIC）

从表2可以看出：1）不论是测试点1还是测试点2，不同汽车模型计算所得的加速度峰值与HIC均不同；2）不同的测试点，不同汽车模型对HIC的影响也不同。在测试点1，模型03的HIC最小，而在测试点2，模型02的HIC最小；在测试点1，模型01的HIC比模型04大8，而在测试点2，模型01的HIC比模型04大76；3）HIC对加速度曲线很敏感。例如：在测试点2，模型01与模型04的加速度峰值仅相差1 g，但HIC相差76。