基于LS-DYNA的行人保護仿真與試驗對比分析

于 藍

(一汽豐田技術開發有限公司 天津 300462)

0 引 言

本文結合某款車型，對其進行行人腿部的碰撞仿真分析，并與 C-NCAP試驗結果進行對比，驗證仿真模型的可靠性。

1 有限元模型建立

1.1 CAD模型數據

通過分析試驗過程中車輛狀態，發現車輛后部模型對吸能效果影響小，為保證計算效率，只保留車輛前部模型，除去懸架、輪胎及遠離試驗碰撞區域的部分，車輛模型數據清單如表1所示。

表1 行人保護分析車輛模型清單Tab.1 Vehicle model list of pedestrian protection analysis

車體CAD模型數據如圖1所示。

圖1 車輛CAD模型圖Fig.1 CAD vehicle model

1.2 網格劃分

利用ANSA軟件進行網格劃分，車體鈑金件網格基本尺寸為8,mm，樹脂件為5,mm，網格類型為四邊形及少量三角形殼網格。上部吸能塊為泡沫材料，其網格單元為實體單元。

1.3 模型連接

本模型前處理在Oasys-Primer軟件中進行，根據實車連接方式進行模擬，其中包括焊點、螺栓、卡扣和粘膠等連接方式。考慮到腿部碰撞能量較小，其中螺栓和卡扣采用NRB方式剛性連接。

1.4 初始條件

根據C-NCAP2018版本要求，對應仿真模型初始條件如下：由于試驗車輛為整車，對于仿真模型，將其與車輛后部連接處進行固定約束；腿部模型以40,km/h速度撞擊靜止車輛；試驗準備階段測得的前輪罩最高點距地間隙為694,mm，調節仿真模型與地面線間隙與試驗一致；C-NCAP要求腿部沖擊器最低點距地間隙為75,mm。

1.5 仿真計算

將上述工況信息及材料數據輸入有限元模型中，按照標準要求對車輛進行碰撞區域劃線，選取L+1打點進行仿真計算。計算模型如圖2所示。

首先，當學生在漢字書寫時，教師監督學生的胸部離桌子的距離應為一拳，雙腿與雙腳應平放在地面上，整體身體保持在直立的狀態，避免出現眼睛離書本過近，導致眼睛近視。同時，正確標準的坐姿也是漢字書寫工整、美感的影響因素，教師及時指出學生的錯誤，督促其端正寫字坐姿。其次，教師以示范的方式，向學生展示在漢字書寫握筆中的注意事項，讓學生保持指尖與筆尖的距離應為一寸，用拇指和食指捏著鉛筆，避免學生長時間漢字書寫造成疲勞，同時保證學生漢字書寫的美觀程度。最后，每個漢字是由多個筆畫所組成的，通過具體的筆畫和順序，能夠使書寫的漢字顯得更加有美感，促進學生漢字書寫綜合能力和素養的提升。

圖2 Flex碰撞有限元模型圖Fig.2 Flex collision finite element model

2 仿真與試驗結果對比分析

此腿型的損傷主要考慮小腿部、大腿部、膝部等單體力學特性。腿型受到來自保險杠、下部吸能塊、發動機艙罩前沿等車身前部的復雜載荷。大腿、小腿部及膝部產生傷害的具體原因為：大腿部的骨折由股骨和發動機罩前沿的接觸引發；小腿骨部的骨折主要由保險杠碰撞小腿，導致產生彎曲力矩所造成；保險杠與膝關節的直接接觸以及伴隨傳遞至膝蓋的載荷導致的膝關節變形是膝關節損傷的原因。膝關節有剪切和彎曲兩種變形模式，保險杠和小腿剛接觸時，膝關節發生剪切，再隨下肢運動轉為彎曲模式[3]。

2.1 腿部沖擊器姿態對比

腿部沖擊器在22,ms時達到侵入量最大，將仿真與試驗結果進行對比，腿部沖擊器姿態基本一致，如圖3所示。

圖3 腿部沖擊器姿態仿真-試驗對比圖Fig.3 Posture simulation-test comparison of leg impactor

2.2 腿部沖擊器各項傷害值對比

C-NCAP中行人保護下腿部沖擊器試驗的評價指標包括小腿彎矩Tibia1、Tibia2、Tibia3、Tibia4，以及膝部韌帶伸長量ACL、PCL、MCL。彎矩的評分規則為取4個彎矩值中最差的一個；膝部韌帶伸長量的評分規則為在ACL、PCL值小于限值(10,mm)前提下，根據MCL值進行評分，若ACL或PCL值大于或等于限值(10,mm)，則膝部韌帶伸長量得0分。

2.3 現象解析

為改善仿真結果，對碰撞過程中柔性腿膝部加速度進行進一步解析，柔性腿加速度計設置在膝部中間位置，仿真結果與試驗結果如圖4所示。

圖4 柔性腿膝部加速度解析圖Fig.4 Analysis of knee acceleration of flexible leg

圖4顯示，仿真結果的膝部加速度大于試驗結果，G-T曲線從6,ms開始出現偏差，通過查看碰撞過程動畫，觀察此時上部吸能塊開始受到擠壓，故判斷產生誤差的原因主要為上部吸能塊剛度過大，從而導致傷害值普遍偏大。

3 上部吸能塊對腿部傷害值影響研究

3.1 上部吸能塊作用

在交通事故中，碰撞過程中腿部的動能為：

保險杠系統吸收的能量為：

碰撞過程中能量滿足如下等式：

根據牛頓第二定律：

推導出：

式中：M為腿部沖擊器質量，V為沖擊器運動速度，Δx 為腿部沖擊器對保險杠系統的侵入量，F為保險杠系統與腿部沖擊器作用力，η為能量吸收率，a為小腿脛骨加速度。

由公式(5)得知，若要降低a，進而降低傷害值，則可考慮增大Δx或增大η，由于Δx受造型限制不能增大，只能增大η。故目前通過改革保險杠上部吸能塊來提高能量吸收效率。

3.2 上部吸能塊模型

本文中的上部吸能塊模型如圖5所示。需要注意的是，上部吸能塊材料一般為泡沫，剛度非常小，為避免計算過程中，剛度軟硬差距大的材料接觸和擠壓而造成的計算錯誤，建模時需在體網格表面建立一層殼單元，與體網格暴露面單元共享節點。

圖5 上部吸能塊模型圖Fig.5 Model of upper energy absorber

3.3 上部吸能塊吸能塊剛度降低對策實施

通過泡沫材料調整，將上部吸能塊剛度調整至如圖6所示。

3.4 計算結果

圖6 泡沫材料靜拉伸曲線Fig.6 Static stretching curve of foam material

由圖7可以看出，減小了上部吸能塊材料剛度后，小腿部碰撞能量得到了較好的吸收，碰撞過程中腿型也得到了進一步支撐，其彎曲程度較之前工況有明顯降低。與此同時，小腿部與大腿部的彎曲角度也影響了膝部的伸長量，使其有一定程度減少。

圖7 沖擊器動作對比Fig.7 Comparison of impactor action

由于上部吸能塊剛度降低后，小腿部 Tibia1、2彎矩值都有了明顯的減小。由圖 8力學模型中可以看出，小腿上部彎矩值與上部吸能塊處產生的彎矩有關[4]，其值為：

當保險杠上部吸能塊剛度K2減小時，其他參數不變情況下，M2相應減小。

將此結果與試驗結果對比，得到各傷害值仿真精度皆在80%,以上，表2為仿真結果精度對照。

表2 仿真結果精度對照表Tab.2 Comparison of simulation results precision

圖8 碰撞力學模型簡圖Fig.8 Schematic of collision mechanics model

4 結論及展望

通過與試驗結果對比，證明本文建立的行人保護FlexPLI有限元模型在傷害曲線走勢上與試驗結果一致，驗證仿真模型有一定可靠性。但計算傷害值偏大，對仿真結果進一步解析，得出影響精度原因為保險杠上部吸能塊剛度設置偏大。

依據解析進而開展了保險杠上部吸能塊剛度對腿部傷害值影響的研究，通過降低其剛度，得到了優化腿部傷害的結果。結果表明，吸能塊剛度減小對小腿中上部彎矩及韌帶伸長量有很好的改善作用，最高降低Tibia彎矩在20%,以上。后將此結果與試驗結果對比，精度均在80%,以上，已達到行業內平均精度。

為進一步提高精度，未來將展開對材料的高速拉伸試驗及材料硬化研究。將不同拉伸速率下的材料力學性能輸入模型，可以更全面考慮碰撞工況下的材料變形情況；由于鈑金結構件例如發動機艙罩等在成型加工時，材料內部會發生硬化現象，此現象也應被考慮至仿真分析中[5]。