HyperWorks在汽車與行人腿部碰撞仿真中的應用
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1 概述
交通事故傷害中，約65%為易受傷害的道路使用者。行人作為道路使用者中的弱勢群體，屬于交通事故中的高危人群，死亡率極高。車輛與行人碰撞事故中，人體的損傷部位可以覆蓋全身，行人頭部和下肢損傷幾率最大。研究表明，行人頭部和下肢損傷在汽車與行人碰撞造成的損傷中各占約30%。盡管人體腿及膝關節的損傷一般不會有生命危險，但常常會造成人的終生殘廢或喪失工作能力。
國外在行人保護方面做了大量的研究工作，并將研究成果最終體現在行人保護法規的制定中。目前，歐盟國家、美國、澳大利亞、加拿大、日本、韓國和中國都已制定或正在制定符合各國國情和交通狀況的行人保護標準。各國行人保護法規的測試內容和評價標準略有不同，但比較典型的行人保護試驗方法均為汽車與行人碰撞安全性的部件沖擊試驗評價方法。試驗主要包括以下幾個方面：
1）腿部模塊和保險杠的碰撞試驗。試驗主要測量膝關節彎曲角度、膝關節剪切變形和小腿上部加速度等參數。
2）大腿模塊和發動機罩前緣的碰撞試驗。試驗主要測量碰撞力和彎矩。
3）頭部模塊（包括成人頭部和兒童頭部）和發動機罩上表面的碰撞試驗。試驗主要測量頭部損傷值HIC。
利用各模塊沖擊器與汽車進行碰撞試驗，能夠真實反映汽車的行人安全保護性能，但是沖擊器的制造和相關的試驗需要很大的資金投入，而且每次碰撞試驗后沖擊器的某些部件需要更換，不能重復使用，使研究費用進一步增多。通過建立沖擊器的碰撞模型，并應用有限元仿真分析技術，可以實現各模塊沖擊器與汽車碰撞過程的仿真。不僅可以對碰撞過程進行細致的動態演示，還可以在新車開發階段對整車的碰撞安全性能進行預測和改進優化。
本文以小腿部沖擊器為模擬對象，利用HyperWorks的前處理軟件HyperMesh建立沖擊器和整車的有限元模型，對小腿與汽車碰撞過程進行計算機模擬，并通過后處理軟件HyperView對仿真結果進行分析，比較仿真模擬結果與試驗結果，驗證仿真模型及結果的可靠性。
2 有限元模型的建立
小腿部沖擊器及整車模型均在HyperWorks的前處理軟件HyperMesh中建立。HyperMesh是一個高性能的CAE和CFD前處理器，提供最廣泛的CAD、CAE和CFD軟件接口，可以與任何仿真環境無縫集成，尤其提供了與各種CAD數據格式的直接接口，避免為進行數據格式轉換而可能造成的數據丟失，在汽車、航天等行業中應用廣泛。
2.1 網格劃分
腿部沖擊器的有限元模型及結構如圖1所示。腿部沖擊器由兩個外覆泡沫的剛性節組成，沖擊器總長為926mm，質量為13.4kg，小腿非撞擊側安裝加速度傳感器，位置在膝部中心下66mm處。
圖1 腿部沖擊器有限元模型及結構示意圖
為了提高運算速度，考慮到汽車與行人碰撞過程中，行人腿部只會影響到汽車保險杠等前部結構，所以在建立的仿真模型中，只取汽車A柱之前的部分并進行一定的簡化，如省略前車燈、霧燈等對碰撞結果影響較小的部件。單元網格尺寸約為8mm左右，最大網格尺寸不超過15mm，最小不小于5mm。其中節點總數為221852，單元總數為214847，component共174個。單元翹曲度以及四邊形和三角形單元內角的角度范圍都進行了嚴格的控制。整車中的螺栓連接采用RBE2模擬，涂膠方式采用具有膠黏劑材料特性的六面體單元來實現，其他焊接采用bolt和cweld方式模擬。最終建立的用于行人保護分析的汽車有限元模型 。如圖2所示。
圖2 某車型行人保護有限元模型
2.2 約束條件
本文所采用的模型并不是整車模型，而是選取了A柱之前的部分，所以在懸置、A柱和門檻梁處施加一個全約束，約束六個自由度，如圖3所示。這樣仿真既不失其真實性，又提高了運算速度。
2.3 碰撞條件
本文按照GTR法規的沖擊測試要求進行仿真分析，根據法規要求，定義腿部沖擊器的速度為40km/h，碰撞角度為0°。碰撞位置取汽車的牌照中心，如圖4所示。仿真模型在LS-DYNA中進行計算，計算時間為40ms。
3 仿真結果分析
本文利用HyperView軟件對仿真結果進行后處理。HyperView是一個強大且全面的CAE仿真和試驗的后處理可視化環境，具有直觀的、高性能的圖形界面，能夠顯著降低工程分析的時間和成本。
HyperView可以直接輸出法規所考察的參數，即脛骨加速度、膝關節剪切位移和膝關節彎曲角度。通過比較，仿真結果與試驗數據具有較好的一致性，各參數之間的誤差分別為4.69%、9.91%、1.64%，如圖5、圖6、圖7所示。以上分析結果表明，計算機仿真模擬能較好的反映腿部沖擊器與汽車的碰撞過程，能夠對腿部及膝關節的損傷程度進行正確預測。
由以上分析結果可見，HyperWorks在汽車與行人腿部碰撞仿真分析中發揮了極大的作用。本文在其軟件支持下，應用有限元法和計算機仿真模擬技術，對腿部沖擊器與汽車的碰撞過程進行模擬分析。其仿真結果與試驗數據有較好的一致性，為汽車與行人碰撞過程的研究提供了更有效更經濟可行的方法。在新車開發設計階段，能夠正確預測整車的行人保護安全性能并為其性能優化提供參考依據。
交通事故傷害中，約65%為易受傷害的道路使用者。行人作為道路使用者中的弱勢群體，屬于交通事故中的高危人群，死亡率極高。車輛與行人碰撞事故中，人體的損傷部位可以覆蓋全身，行人頭部和下肢損傷幾率最大。研究表明，行人頭部和下肢損傷在汽車與行人碰撞造成的損傷中各占約30%。盡管人體腿及膝關節的損傷一般不會有生命危險，但常常會造成人的終生殘廢或喪失工作能力。
國外在行人保護方面做了大量的研究工作，并將研究成果最終體現在行人保護法規的制定中。目前，歐盟國家、美國、澳大利亞、加拿大、日本、韓國和中國都已制定或正在制定符合各國國情和交通狀況的行人保護標準。各國行人保護法規的測試內容和評價標準略有不同，但比較典型的行人保護試驗方法均為汽車與行人碰撞安全性的部件沖擊試驗評價方法。試驗主要包括以下幾個方面：
1）腿部模塊和保險杠的碰撞試驗。試驗主要測量膝關節彎曲角度、膝關節剪切變形和小腿上部加速度等參數。
2）大腿模塊和發動機罩前緣的碰撞試驗。試驗主要測量碰撞力和彎矩。
3）頭部模塊（包括成人頭部和兒童頭部）和發動機罩上表面的碰撞試驗。試驗主要測量頭部損傷值HIC。
利用各模塊沖擊器與汽車進行碰撞試驗，能夠真實反映汽車的行人安全保護性能，但是沖擊器的制造和相關的試驗需要很大的資金投入，而且每次碰撞試驗后沖擊器的某些部件需要更換，不能重復使用，使研究費用進一步增多。通過建立沖擊器的碰撞模型，并應用有限元仿真分析技術，可以實現各模塊沖擊器與汽車碰撞過程的仿真。不僅可以對碰撞過程進行細致的動態演示，還可以在新車開發階段對整車的碰撞安全性能進行預測和改進優化。
本文以小腿部沖擊器為模擬對象，利用HyperWorks的前處理軟件HyperMesh建立沖擊器和整車的有限元模型，對小腿與汽車碰撞過程進行計算機模擬，并通過后處理軟件HyperView對仿真結果進行分析，比較仿真模擬結果與試驗結果，驗證仿真模型及結果的可靠性。
2 有限元模型的建立
小腿部沖擊器及整車模型均在HyperWorks的前處理軟件HyperMesh中建立。HyperMesh是一個高性能的CAE和CFD前處理器，提供最廣泛的CAD、CAE和CFD軟件接口，可以與任何仿真環境無縫集成，尤其提供了與各種CAD數據格式的直接接口，避免為進行數據格式轉換而可能造成的數據丟失，在汽車、航天等行業中應用廣泛。
2.1 網格劃分
腿部沖擊器的有限元模型及結構如圖1所示。腿部沖擊器由兩個外覆泡沫的剛性節組成，沖擊器總長為926mm，質量為13.4kg，小腿非撞擊側安裝加速度傳感器，位置在膝部中心下66mm處。
圖1 腿部沖擊器有限元模型及結構示意圖
為了提高運算速度，考慮到汽車與行人碰撞過程中，行人腿部只會影響到汽車保險杠等前部結構，所以在建立的仿真模型中，只取汽車A柱之前的部分并進行一定的簡化，如省略前車燈、霧燈等對碰撞結果影響較小的部件。單元網格尺寸約為8mm左右，最大網格尺寸不超過15mm，最小不小于5mm。其中節點總數為221852，單元總數為214847，component共174個。單元翹曲度以及四邊形和三角形單元內角的角度范圍都進行了嚴格的控制。整車中的螺栓連接采用RBE2模擬，涂膠方式采用具有膠黏劑材料特性的六面體單元來實現，其他焊接采用bolt和cweld方式模擬。最終建立的用于行人保護分析的汽車有限元模型 。如圖2所示。
圖2 某車型行人保護有限元模型
2.2 約束條件
本文所采用的模型并不是整車模型，而是選取了A柱之前的部分，所以在懸置、A柱和門檻梁處施加一個全約束，約束六個自由度，如圖3所示。這樣仿真既不失其真實性，又提高了運算速度。
2.3 碰撞條件
本文按照GTR法規的沖擊測試要求進行仿真分析，根據法規要求，定義腿部沖擊器的速度為40km/h，碰撞角度為0°。碰撞位置取汽車的牌照中心，如圖4所示。仿真模型在LS-DYNA中進行計算，計算時間為40ms。
圖3 整車約束條件 圖4 腿部沖擊器與汽車碰撞仿真模型
3 仿真結果分析
本文利用HyperView軟件對仿真結果進行后處理。HyperView是一個強大且全面的CAE仿真和試驗的后處理可視化環境，具有直觀的、高性能的圖形界面，能夠顯著降低工程分析的時間和成本。
HyperView可以直接輸出法規所考察的參數，即脛骨加速度、膝關節剪切位移和膝關節彎曲角度。通過比較，仿真結果與試驗數據具有較好的一致性，各參數之間的誤差分別為4.69%、9.91%、1.64%，如圖5、圖6、圖7所示。以上分析結果表明，計算機仿真模擬能較好的反映腿部沖擊器與汽車的碰撞過程，能夠對腿部及膝關節的損傷程度進行正確預測。
圖5 脛骨加速度仿真與試驗結果對比
圖6 膝關節剪切位移仿真與試驗結果對比
圖7 膝關節彎曲角度仿真與試驗結果對比
由以上分析結果可見，HyperWorks在汽車與行人腿部碰撞仿真分析中發揮了極大的作用。本文在其軟件支持下，應用有限元法和計算機仿真模擬技術，對腿部沖擊器與汽車的碰撞過程進行模擬分析。其仿真結果與試驗數據有較好的一致性，為汽車與行人碰撞過程的研究提供了更有效更經濟可行的方法。在新車開發設計階段，能夠正確預測整車的行人保護安全性能并為其性能優化提供參考依據。
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