行人保護仿真分析中的新型頭部模型建模方法

龔益玲 李月 楊秋雨

摘要：為更精確地評價新車型行人保護頭部碰撞的性能，提出一種新型頭部碰撞模型構建方法。該方法基于傳統頭部模型，根據摩擦理論和試驗經驗，推導接觸壓力和接觸面相對速度與摩擦因數的復合關系式，通過頭部模型跌落沖擊試驗標定復合摩擦曲線參數，得到與真實行人頭部吻合度更高的新型頭部模型。某車型行人保護頭部碰撞仿真計算表明，使用新型頭部模型可極大地提高仿真的準確性。新型頭部模型建模方法適用于不同法規對頭部模型的要求，可提高新車研發效率。

關鍵詞：

行人保護; 頭部模型; C-NCAP; 頭部傷害指數; 摩擦因數; 復合曲線

中圖分類號：U467.14;TP391.92

文獻標志碼：B

New head model modeling method for simulation analysis

of pedestrian protection

GONG Yiling， LI Yue， YANG Qiuyu

（

Closures System of Product Engineering， SAIC Volkswagen Automotive Co.， Ltd.， Shanghai 201805， China）

Abstract：

To evaluate the performance of head impact in the pedestrian protectionmore accurately， a new model modeling method of head impact is proposed. Based on the traditional head model and the friction theory and the experimental experience， the compound relationship between the contact pressure and relative velocity of the contact surface and the friction coefficient is derived. The parameters of the composite friction curve are calibrated by the head model drop impact test， anda new head model is obtained， which is more consistent with the real pedestrian head. The new head model modeling method is suitable for the requirements of different regulations on the head model， which can improve the efficiency of the new car research and development.

Key words：

pedestrian protection; head model; C-NCAP; head injury criterion; friction coefficient; composite curve

0 引 言

近年來，我國汽車需求量和出口量不斷增加，汽車企業新開發的車型需要滿足不同國家的法規。為節約實車試驗成本，在新車型研發初期使用計算機資源進行碰撞仿真驗證和優化已成為汽車企業的首選策略。

汽車與行人碰撞的事故率非常高，沒有防護措施的行人一旦與行駛的汽車發生碰撞，會對行人造成極大的傷害，因此在汽車碰撞研究中行人保護措施意義重大。

本文根據C-NCAP（中國新車評價規則）提出一種新型頭部碰撞模型建模方法，該方法能夠更精確地模擬行人物理頭部屬性，極大程度地提高模型運算的精度，能夠適用于不同法規對頭部模型的要求，提高汽車研發效率。

1 行人保護頭部碰撞有限元模型

C-NCAP把行人保護作為重要的安全評價體系。[1]汽車行人保護評價方法主要分為頭部碰撞和腿部碰撞2種工況。根據規則，頭部碰撞又細分為兒童頭型和成人頭型，車輛發動機艙蓋前部使用兒童頭型，車輛發動機艙蓋后部和前風擋玻璃區域使用成人頭型。評價規則要求的頭部碰撞區域碰撞角度和加速度[2-3]示意見圖1。頭部碰撞加速度曲線可以反映行人保護的頭部碰撞情況，主要用于發動機艙蓋結構優化。本文基于高精度的行人保護兒童頭部碰撞和成人頭部碰撞有限元模型，優化車輛發動機艙蓋結構，從而提高車輛行人保護的得分。[4-5]

1.1 頭部碰撞評價要求

根據新車評價規則，在行人保護頭部碰撞試驗中，頭部模型以一定速度和一定角度與發動機艙蓋發生碰撞，以碰撞過程中以頭部傷害指數（head injury criterion， HIC）值為評價指標。某車型頭部碰撞過程的加速度曲線見圖2，根據新車評價規則，對曲線按照式（1）進行積分則為最終的HIC值。

H=（t2-t1）

∫t2t1

[SX（]ag[SX）]dt2.5

（1）

式中：

t2-t1為HIC達到最大值的時間間隔，新車評價取15 ms;

g為重力加速度;a為碰撞過程中頭部質心的合成加速度;t為時間。

根據C-NCAP要求，行人保護頭部碰撞的HIC分值設定見表1。先根據表1獲得碰撞區域內各個碰撞點HIC值所對應的得分，再根據評分規則得到碰撞區域的總得分。

1.2 行人保護頭部碰撞有限元模型

根據C-NCAP要求，頭部碰撞主要與發動機艙蓋、前擋風玻璃、前保險杠和儀表盤等零部件相關，行人保護頭部碰撞模型示意見圖3。在行人保護頭部碰撞模擬計算中，頭部模型是初始條件，其建模準確性直接影響HIC得分。頭部碰撞是非線性分析工況，因此定義準確的彈塑性材料是非常重要的，本文主要研究頭部模型的建立。

1.3 傳統頭部有限元模型

傳統兒童頭部有限元模型組裝示意見圖4，其中：r1為內層頭骨半徑;h1為內層頭骨高度;r2為蓋板半徑;h2為蓋板高度;R為外層頭皮半徑;H為外層頭皮高度;t為外層頭皮厚度。蓋板設為剛性結構，定義施加初速度的

節點和HIC值評價的觀測點。

蓋板模型使用不可變形剛性單元模擬;

內層頭骨模型使用可變形體單元模擬，定義其半徑并賦以金屬材料屬性;外層頭皮模型使用可變形體單元模擬，定義其厚度和半徑并賦以黏彈性材料屬性。采用不可變形剛性體連接內層頭骨與蓋板;采用接觸關系連接內層頭骨與外層頭皮。外層頭皮與內層頭骨之間、外層頭皮與發動機艙蓋之間各對應一個接觸關系，這2個接觸的摩擦因數一般設為定值。[6-7]

基于傳統的頭部有限元模型，分析某車型發動機艙蓋頭部碰撞區域某個碰撞點的HIC值。試驗與仿真得到該點頭部加速度曲線對比見圖5，HIC得分見表2。雖然試驗與計算得到的HIC值對應的得分相同，但是傳統頭部有限元模型的加速度曲線與試驗吻合度不高，相對誤差達12.5%。當HIC值處于得分臨界點時，試驗與計算得分不一致會影響整體的行人保護評價。因此，有必要引入一種更為精確的頭部模型模擬頭部碰撞工況。

2 新型行人保護頭部模型

在傳統的頭部模型中，內層頭骨與外層頭皮之間的摩擦因數f1、外層頭皮與發動機艙蓋之間的摩擦因數f2都設為定值，而在實際碰撞過程中，這2個摩擦因數與碰撞速度和壓力息息相關。

2.1 頭部碰撞模型中的摩擦因數

在頭部碰撞過程中，設內層頭骨與外層頭皮之間的接觸壓力為p1，外層頭皮與發動機艙蓋之間的接觸壓力為p2，頭部模型的碰撞速度為v，結合摩擦理論，分析壓力、速度與摩擦因數之間的關系。行人保護頭部碰撞模型接觸示意見圖6。

2.2 頭部模型摩擦因數

傳統動摩擦因數與速度之間的經驗公式需要碰撞接觸面形成和破壞過程的活化能數據，實際應用難度很大。[8-9]因此，采用頭部模型沖擊試驗分別測定速度和壓力對摩擦因數[10]的影響。

采用傳統頭部模型進行頭部沖擊摩擦試驗，沖擊速度為0.004～25.000 m/s、壓力為0.8～170.0 kPa。由試驗結果可知：當速度增大時，摩擦因數取得最大值;當壓力增大時，摩擦因數最大值對應較小的速度值。

根據摩擦面的彈性-黏性接觸理論和試驗數據，擬合得到速度v與摩擦因數關系的表達式為

μ=（a+bv）e-cv+d

（2）

式中：a、b、c、d均為擬合因數。

同理，壓力與摩擦因數關系的表達式為

μ=tanarccos

1-[SX（]CPAE[SX）]

（3）

式中：C為常數;P為接觸壓力;A為碰撞過程中的接觸面積;E為材料的彈性模量。

2.3 頭部模型摩擦因數曲線標定

基于前文的理論分析，以兒童頭部模型為試驗對象，根據我國國家標準，通過跌落試驗[11]對行人保護兒童頭部模型進行沖擊試驗標定。

將頭部模型從不同高度瞬間釋放并且跌落到剛性支撐的正方形水平鋼板上，鋼板厚度大于50 mm、邊長大于300 mm，標定試驗實物見圖7。將頭部模型沖擊試驗與新型頭部模型跌落試驗的有限元計算結果所得加速度曲線進行對比，通過調整接觸壓力與摩擦因數、沖擊速度與摩擦因數之間各擬合因數，得到標定后的復合曲線，見圖8。

頭部模型的摩擦因數定義為2條復合曲線：一條為接觸壓力與摩擦因數之間的變化曲線，隨著接觸壓力增大，摩擦因數相應減小;一條為接觸過程中相對速度與摩擦因數之間的變化曲線，隨著相對速度增大，摩擦因數相應增大。采用接觸壓力和接觸面相對速度2個影響因素的復合曲線定義頭部模型2個接觸對相應的摩擦因數。

[12]

3 新型頭部模型的應用

基于摩擦因數復合曲線定義新的頭部模型，分析某車型的行人保護頭部碰撞過程，對比傳統頭部模型和新型頭部模型在碰撞過程中的加速度和HIC值。基于試驗和2種頭部模型，發動機艙蓋某兒童頭部碰撞點的加速度曲線見圖9，該碰撞點HIC值和得分對比見表3。與傳統頭部模型仿真相比，新型頭部模型仿真與沖擊試驗的加速度曲線吻合更好，同時兩者的HIC值更接近，誤差低于5%。由此可見，在行人保護發動機艙蓋碰撞仿真中，引入與接觸壓力和速度相關的摩擦因數復合曲線的兒童頭部模型，可以更加精確地模擬行人保護頭部碰撞過程中的加速度曲線，從而為設計和優化發動機艙蓋的內部結構與局部加強件提供更精準地數據支撐。

在新車型開發過程中，基于摩擦因數復合曲線的新型兒童頭部模型和成人頭部模型仿真，可以更高效精確地優化發動機艙蓋結構，對提高行人保護在發動機艙蓋區域的得分評價具有非常關鍵的作用。

4 結束語

構造在汽車行人保護碰撞中使用的新型頭部碰撞有限元模型，突破傳統模型中接觸關系采用單一摩擦因數的局限性，

使內層頭骨與外層頭皮之間、外層頭皮與發動機艙外板之間均按照接觸關系公式建立接觸，

采用受接觸壓力和接觸面相對速度影響的復合摩擦曲線定義接觸關系中的摩擦因數。將實際碰撞測試使用的成人或兒童頭部碰撞參數代入模型，利用新型頭部碰撞模型進行相應的行人保護碰撞仿真分析。

由仿真分析與試驗結果對比可知，所建立的新型頭部碰撞模型能提高頭部碰撞仿真的精確度，新型頭部碰撞模型的碰撞響應與物理模型吻合度更高。根據標定試驗得到的基于摩擦因數復合曲線的新型兒童頭部模型和成人頭部模型，可用于各個開發車型的發動機艙蓋行人保護頭部碰撞工況中，為節約樣車成本和提高汽車研發效率提供技術支持。

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（編輯 武曉英）