轎車-行人腿部碰撞的有限元仿真與分析

莫明立,楊海威，賀巖松

(1．重慶工商職業(yè)學院 汽車工程學院，重慶 400052；2．重慶大學 機械工程學院，重慶 400044)

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轎車-行人腿部碰撞的有限元仿真與分析

莫明立1,楊海威2，賀巖松2

(1．重慶工商職業(yè)學院 汽車工程學院，重慶 400052；2．重慶大學 機械工程學院，重慶 400044)

在行人與轎車碰撞的交通事故中，行人下肢是主要的受傷部位。運用Hypermesh軟件，建立了某型轎車保險杠對行人下肢的碰撞有限元模型，采用LS-DYNA進行了求解計算，得到了符合歐洲E-NCAP法規(guī)的脛骨加速度、膝部彎曲角和膝部剪切位移等三方面的傷害值仿真結(jié)果，并與相應試驗結(jié)果進行了對比，指出了該車需要針對前保險杠行人保護性能進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進。

交通工程；交通安全；人車碰撞；保險杠；仿真分析

隨著我國汽車產(chǎn)銷量的高速發(fā)展及家用汽車的廣泛普及，交通事故問題越來越嚴重，成為日益突出的社會問題。 2011年我國道路交通事故死亡人數(shù)多達6萬余人，給社會和家庭造成了巨大損失。行人是交通參與者中的弱勢群體，沒有像車內(nèi)乘成員那樣的保護空間，在道路交通事故中極易受到嚴重傷害，行人死亡人數(shù)占到整個死亡人數(shù)的1/4。在行人受傷案例中，有45%的腿部傷害是由保險杠與行人下肢相撞造成[1- 4]。

國內(nèi)外對行人保護的研究開展較早，在20世紀60年代中期，澳大利亞Robertson等開始對行人安全問題開展研究[5- 8]；美國和歐盟于20世紀70年代中期開始對人體損傷機理、耐受限度、損傷防護及安全措施開展研究[9]；在20世紀80年代初，研究人員開始關注交通事故的調(diào)查與分析，并建立相應的事故數(shù)據(jù)庫(如德國的GIDAS，日本的ITARDA等)，通過對交通事故的統(tǒng)計和分析，為行人保護的試驗方法和車輛結(jié)構(gòu)改進提供支持；到20世紀80年代末，歐洲車輛安全委員會(EEVC)開始有關行人保護試驗模型及試驗程序的研究，提出了較完善的行人保護性能評價試驗程序；2001年E-NCAP將行人保護試驗引入到新車星級評價體系之中[10]。

因此，研究轎車對行人腿部的碰撞保護，對轎車前部-人的碰撞進行有限元仿真計算與分析，進而優(yōu)化轎車保險桿結(jié)構(gòu)設計，降低行人碰撞損傷，減少事故財產(chǎn)及精神損失，對汽車制造廠商和廣大交通參與者都有著重要意義。

1 行人模型與行人腿部碰撞試驗評價

1.1 行人碰撞模型

行人碰撞模型的建立是研究汽車對行人損傷的基礎，具有較高人體生物逼真度的行人模型對試驗的有效性與準確性有著重要影響。國內(nèi)外在行人模型方面開展了許多研究工作，開發(fā)出了一系列生物擬合性較好的專用行人假人，包含可用于實車試驗的實物模型和用于仿真的有限元/多剛體模型。行人模型廣泛應用于分析轎車前部造型及結(jié)構(gòu)對行人損傷的影響，其試驗結(jié)果與人體在實際碰撞中的損傷基本相符[11]。

1.2 行人腿部碰撞傷害試驗評價

歐洲車輛安全委員會采用部件代替人體關鍵部位來考察汽車前部對行人的傷害情況[12]，如圖1。

圖1 EEVC行人保護法規(guī)沖擊器試驗

試驗包含：①小腿撞擊器模型與保險杠的碰撞試驗。通過小腿沖擊器膝關節(jié)的彎曲角度、剪切變形和脛骨加速度來考察轎車前部對行人小腿的保護性能，用以指導改進轎車的保險桿設計；②大腿沖擊器模型與發(fā)動機罩的碰撞試驗。通過測量碰撞過程中沖擊器的受力情況,考核發(fā)動機艙蓋對行人大腿的傷害情況；③頭部沖擊器模型與發(fā)動機罩的碰撞試驗。頭部試驗分為成人頭部碰撞和兒童頭部碰撞兩個部分，頭部的損傷情況用HIC值來評價。

行人沖擊器模型由于其結(jié)構(gòu)簡單、試驗成本低、可重復性高，廣泛的用于分析轎車前部對行人的損傷程度，是評價新車行人安全性能的主要方法。國際標準化組織(ISO)、國際技術法規(guī)組織(GTR)、美國的UN/ECE工作組、日本國土交通省(MLIT)等機構(gòu)也提出了相應的試驗法規(guī)，我國于2009年出臺了對于行人的保護法規(guī)。

1.3 行人碰撞損傷評價

在轎車與行人的交通事故中，行人受到接觸力和慣性力綜合作用，身體的部位(如骨骼、肌肉、韌帶等)會產(chǎn)生相應力學響應，當這些響應超過人體承受極限，就會導致人體組織永久性傷害。腿部傷害是行人在交通事故中致殘的主要原因，國內(nèi)外學者通過對腿部傷害機理方面的研究，分別從生理學、力學、社會學等角度對人體解剖結(jié)構(gòu)的損壞、功能喪失及社會經(jīng)濟損失等方面進行評定，制定了相應的損傷評價標準。主要有：生理學尺度標準(GCS)、簡略損傷標準(AIS)以及社會學尺度標準(ICS)[13]。交通事故中，人體的損傷通常采用AIS標準來認定。表1為AIS與人體損傷程度之間的對應關系，AIS等級越高，表明傷害程度越嚴重。

行人下肢的損傷主要有骨骼骨折、軟組織損傷、關節(jié)損傷，按照AIS分級，一般在1到3級之間。在行人保護法規(guī)中，對行人下肢的損傷考核通常采用EEVC提出的力學評價標準，考核膝關節(jié)彎曲角度、剪切位移、脛骨加速度等3個方面。

表1 AIS損傷評分原則

2 碰撞仿真與分析

行人與汽車碰撞通常是大位移、大變形的瞬態(tài)過程，即使采用高速攝像機也很難捕捉到車上多個零件的變形過程。運用Hypermesh軟件建立腿部對保險杠的碰撞模型，并利用LS-DYNA進行求解計算，可方便地獲取汽車各個部件的應力、變形過程，且能方便地進行多個零部件的替換和對比驗證，試驗成本大大降低，開發(fā)效率顯著提高，廣泛應用于汽車碰撞以及汽車與行人的碰撞分析之中。

2.1 有限元計算模型建立

為降低計算工作量，縮短仿真時間，車輛模型中只選取了轎車前端對試驗影響較大的部件，包含前保險杠、前防撞梁、前縱梁、冷凝器及支架、大燈、翼子板、發(fā)動機艙蓋等，去掉懸架、副車架以及遠離保險杠的零部件。前保險杠、大燈、格柵等與腿部直接接觸的部件取單元尺寸為4 mm；翼子板、機艙蓋等離保險杠較近的零部件采用6 mm的單元，遠離保險杠的零部件采用8 mm的單元建模。車輛前部模型包含341 052個節(jié)點，329 857個單元，其中三角形單元占總單元比例約為4%。

腿部有限元模型長926 mm，重13.4 kg。根據(jù)E-NCAP法規(guī)設定邊界條件，腿部撞擊速度為11.1 m/s，撞擊器底端與地面距離為25 mm，如圖2。仿真計算和試驗的撞擊點一致，分別在橫向坐標y=0 mm和y=397 mm處。

設置車輛與沖擊器接觸、車輛自身接觸、模型沙漏控制模式、時間步長等參數(shù)，仿真計算時間設為45 ms。速度、加速度、力以及能量的輸出時間間隔均為0.1 ms，將建立的模型導入LS-DYNA求解器進行求解。

圖2 仿真模型與工況

2.2 仿真結(jié)果分析

從仿真計算輸出中提取的全局能量變化曲線、能量值等可以看出在碰撞過程中總能量保持穩(wěn)定，內(nèi)能與動能增減情況正常，沙漏能及接觸截面能最大值與總能量比值均滿足碰撞仿真精度要求。有限元模型運動姿態(tài)仿真與試驗結(jié)果能保持較好的一致性，同時整個碰撞過程零部件沒有異常脫落和變形。

分別提取仿真試驗中y=0 mm處和y=397 mm處的傷害值曲線，并按照E-NCAP法規(guī)規(guī)定，對傷害值曲線進行濾波處理，對濾波后的傷害值曲線與試驗進行對比，峰值數(shù)據(jù)見表2。

表2 仿真值與試驗值對比

由表2可知，仿真與試驗獲得的傷害值變化趨勢的一致性較好，峰值大小比較接近，說明有限元模型具有可信的仿真準確性，可以作為實際分析的基礎。

在y=0 mm處的脛骨加速度、膝部彎曲角和膝部剪切位移的仿真與試驗結(jié)果曲線如圖3。

圖3 y=0 mm處試驗與仿真?zhèn)η€

由表2 和圖3可知，該車在行人保護的3個傷害指標中，兩個撞擊點的脛骨加速度分別達到195.9g和212.0g，均超過了150g；膝部彎曲角分別達到了22.2°和18.8°，超過了法規(guī)上限15°?？梢娖渲谐思羟形灰茲M足法規(guī)要求外，其余2項全部超標，說明該車的前保險杠行人保護性能較差，需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進。

3 保險杠結(jié)構(gòu)改進建議

根據(jù)上述人腿部碰撞的有限元仿真與分析得知，案例保險杠在發(fā)生于行人碰撞時，行人的腿部損傷較大。為此有必要對其結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)改進，具體建議是：適當增加保險杠前部的圓弧半徑和圓弧長度能增加能量的吸收，保險杠厚度為1.5～2 mm也能較好的吸收碰撞能量；降低保險杠高度能有效的減少膝關節(jié)彎曲程度和位移和小腿碰撞時的加速度；增加保險杠后縮尺寸可有效減少碰撞時的脛骨加速度[14-15]。

4 結(jié) 語

采用Hypermesh軟件建立某型轎車的前部保險杠對行人下肢的碰撞有限元模型，利用LS-DYNA軟件進行求解，并與試驗結(jié)果進行了對比，有限元仿真和試驗獲得的傷害值變化趨勢結(jié)果具有較好的一致性；根據(jù)歐洲E-NCAP法規(guī)對比了在規(guī)定位置處的脛骨加速度、膝部彎曲角和膝部剪切位移等傷害性指標的仿真與試驗結(jié)果，指出該車的前保險杠行人保護性能較差，需要進行優(yōu)化改進。

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Finite Element Simulation and Analysis of Vehicle-Pedestrian Leg Collision

Mo Mingli1, Yang Haiwei2, He Yansong2

(1. College of Automotive Engineering, Chongqing Technology & Business Institute, Chongqing 400052, China;2. College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The lower extremities are the main injured part when a pedestrian is involved in a traffic accident. A finite element model of collision between the car bumper and pedestrian lower leg was developed with Hypermesh software, and LS-DYNA software was used to calculate and solve. The pedestrian leg injury index of tibia acceleration, knee bending angle and knee shearing displacement were presented according to E-NCAP methods. The finite element model simulation results were validated with those of the car testing. It is indicated that it is necessary for the car to optimize the bumper system in order to improve the pedestrian leg protection.

traffic engineering; traffic safety; pedestrian-vehicle accidents; car bumper; simulated analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.20

2014-03-10；

2014-04-23

莫明立(1973—)，男，四川遂寧人，副教授，主要從事汽車安全與故障診斷方面的研究。E-mail: 150011354@qq.com。

U612

A

1674-0696(2015)04-103-04