摘要：本文利用Altair公司HyperStudy軟件對某車型小腿傷害值的關鍵參數進行研究。結果表明：發動機底部支撐件厚度對脛骨加速度影響較大；膝部彎曲角隨著發動機底部支撐件厚度與小腿底部離地高度的增加而降低；發動機底部支撐件厚度與小腿底部離地高度相互作用對膝部剪切位移影響較大。 

關鍵詞：汽車安全 行人保護 小腿碰撞 HyperStudy 實驗設計 

1 引言 

      近年來與行人有關的人車碰撞安全問題，已經成為車輛安全性能開發的熱點[1]。據日本調查統計，在非致命的汽車與行人碰撞交通事故中，下肢損傷占40%[2]。為了降低行人腿部所受的傷害通常在車輛前端增加防護結構吸收行人腿部的碰撞能量，來減輕行人腿部所受傷害。腿部防護結構的材料、厚度及相對與小腿模型的碰撞位置關系均對行人小腿傷害產生影響。因此本文利用HyperStudy軟件對影響小腿傷害值的關鍵參數進行DOE實驗設計，通過分析找出主要影響參數進而進行設計改進。 

2 Study模型建立 

      本文首先利用Altair公司HyperMesh軟件進行行人與車輛有限元仿真模型搭建，如圖1所示。建模時僅考慮前端結構對小腿碰撞的影響，基本網格尺寸控制在5mm×5mm[3]。

                      

      將搭建好的有限元模型導出.K文件格式并利用LS-DYNA求解器進行計算。因此在HyperStudy中需要配置LS-DYNA求解器執行腳本，并設置求解器輸入相關要求，包括存儲路徑、CPU個數設置、運算內存設置。 

2.1 設計變量定義 

      腿部防護結構通常由前橫梁吸能泡沫和安裝在發動機底部護板上方的塑料支撐件組成，吸能泡沫壓縮剛度及支撐件的X向剛度的設計尤為重要。另外小腿碰撞模型與車輛前端第一接觸時刻，小腿底部離地面間隙也會對小腿傷害產生一定影響。如圖2所示，黃色部分為小腿沖擊模塊、綠色部分為緩沖塊泡沫、藍色部分為下支撐件。

                      

      因此考慮以上因素，選取DOE設計變量為小腿底部離地面間隙H、吸能泡沫密度RO、發動機底部支撐件厚度T。設計變量及其水平見表1所示。

                     

2.2 響應定義 

      本次實驗分析的目的就是為了降低行人小腿傷害值，系統的輸出（響應）是行人小腿傷害值即脛骨加速度(X-ACC)、膝部彎曲角(BENDING)、膝部剪切位移(SHEARING)。HYPERSTUDY中定義的響應表達式見表2所示。

          

3 DOE分析 

3.1 DOE模型建立 

      DOE控制方法采用完全因子實驗法，它通過對所有變量的所有水平進行組合來設計實驗[4]。 

      本例中設計變量采用3個水平等級，在實驗安排后，共產生27組計算文件，圖3為變量的3D散點圖示，其中Z軸代表變量H值，X、Y軸分別代表RO和T值。

                       

3.2 DOE結果分析 

      計算后行人小腿傷害值結果蛇形圖如圖4所示。

                   

3.2.1線性相關性 

      根據HyperStudy計算結果，設計變量及響應的線性相關性如圖5所示。由圖中可知，設計變量發動機底部支撐件厚度(T)與脛骨加速度值(X-ACC)相關性較高，達到0.92，說明T的變化會顯著影響到X-ACC的變化；設計變量發動機底部支撐件厚度(T)、小腿離地高度(H)與膝部彎曲角(BENDING)呈負相關關系，說明T與H的增加會導致BENDING值的降低；設計變量發動機底部支撐件厚度(T)與膝部剪切位移呈一定負相關關系。從結果來看設計變量吸能泡沫密度(RO)對小腿傷害的影響不大。

                     

3.2.2 主效應及相互作用 

      參數的主效應指一個參數的水平改變時所引起的響應平均值的變化的大小。主效應的絕對值越大則表明這個參數對響應的影響就越大。如果一個參數的主效應受到另外參數所取水平的影響，就說明這些參數之間存在相互作用。相互作用的絕對值越大，則有關參數之間的影響就越大[5]。

                  

      由表3可以看出，設計變量T對X-ACC影響最大，設計變量H及T對BENDING值影響較大，H×T相互作用時對SHEARING值影響最大，RO對響應影響不大。圖6～8為設計變量為H和T時響應面圖，由圖6～8可知脛骨加速度值及膝部剪切位移值響應的變化趨勢(法規要求X-ACC不超過170g、BENDING不超過19°、SHEARING不超過6mm)[6]，結合以上分析T及H取高水平對該車型行人保護小腿碰撞開發較為有利。

               

               

      根據上述分析結果，最終在行人保護開發時進行以下改進，由于前橫梁緩沖塊泡沫對結果影響不大，因此不改變RO值。通過調整車輛行駛高度提高H值，并通過改變發動機底部支撐件厚度T來提高下支撐剛度。 

4 結論 

      本文利用HyperStudy軟件進行DOE實驗設計分析了影響小腿碰撞傷害值的關鍵參數，得出以下結論： 

      (1) 發動機底部支撐件厚度與脛骨加速度值相關性較高，對其影響較大。 

      (2) 發動機底部支撐件厚度、小腿離地高度與膝部彎曲角有負線性相關關系。 

      (3) HyperStudy軟件在行人保護安全性能開發中應用提高了開發效率，為今后開發提供參考。