于 藍

(一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司 天津 300462)

0 引 言

本文結(jié)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(jié)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(shù)據(jù)

通過分析試驗過程中車輛狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)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(qū)域的部分，車輛模型數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 車輛CAD模型圖Fig.1 CAD vehicle model

1.2 網(wǎng)格劃分

利用ANSA軟件進行網(wǎng)格劃分，車體鈑金件網(wǎng)格基本尺寸為8,mm，樹脂件為5,mm，網(wǎng)格類型為四邊形及少量三角形殼網(wǎng)格。上部吸能塊為泡沫材料，其網(wǎng)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(jù)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?？紤]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(jù)C-NCAP2018版本要求，對應(yīng)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(diào)節(jié)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(shù)據(jù)輸入有限元模型中，按照標準要求對車輛進行碰撞區(qū)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(dāng)學(xué)生在漢字書寫時，教師監(jiān)督學(xué)生的胸部離桌子的距離應(yīng)為一拳，雙腿與雙腳應(yīng)平放在地面上，整體身體保持在直立的狀態(tài)，避免出現(xiàn)眼睛離書本過近，導(dǎo)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(xué)生的錯誤，督促其端正寫字坐姿。其次，教師以示范的方式，向?qū)W生展示在漢字書寫握筆中的注意事項，讓學(xué)生保持指尖與筆尖的距離應(yīng)為一寸，用拇指和食指捏著鉛筆，避免學(xué)生長時間漢字書寫造成疲勞，同時保證學(xué)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(xué)生漢字書寫綜合能力和素養(yǎng)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(jié)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(xué)特性。腿型受到來自保險杠、下部吸能塊、發(fā)動機艙罩前沿等車身前部的復(fù)雜載荷。大腿、小腿部及膝部產(chǎn)生傷害的具體原因為：大腿部的骨折由股骨和發(fā)動機罩前沿的接觸引發(fā)；小腿骨部的骨折主要由保險杠碰撞小腿，導(dǎo)致產(chǎn)生彎曲力矩所造成；保險杠與膝關(guān)節(jié)的直接接觸以及伴隨傳遞至膝蓋的載荷導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)變形是膝關(guān)節(jié)損傷的原因。膝關(guān)節(jié)有剪切和彎曲兩種變形模式，保險杠和小腿剛接觸時，膝關(guān)節(jié)發(fā)生剪切，再隨下肢運動轉(zhuǎn)為彎曲模式[3]。

2.1 腿部沖擊器姿態(tài)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(jié)果進行對比，腿部沖擊器姿態(tài)基本一致，如圖3所示。

圖3 腿部沖擊器姿態(tài)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(guī)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(guī)則為在ACL、PCL值小于限值(10,mm)前提下，根據(jù)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(xiàn)象解析

為改善仿真結(jié)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(shè)置在膝部中間位置，仿真結(jié)果與試驗結(jié)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(jié)果的膝部加速度大于試驗結(jié)果，G-T曲線從6,ms開始出現(xiàn)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(chǎn)生誤差的原因主要為上部吸能塊剛度過大，從而導(dǎo)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(tǒng)吸收的能量為：

碰撞過程中能量滿足如下等式：

根據(jù)牛頓第二定律：

推導(dǎo)出：

式中：M為腿部沖擊器質(zhì)量，V為沖擊器運動速度，Δx 為腿部沖擊器對保險杠系統(tǒng)的侵入量，F(xiàn)為保險杠系統(tǒng)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(wǎng)格表面建立一層殼單元，與體網(wǎng)格暴露面單元共享節(jié)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(diào)整，將上部吸能塊剛度調(diào)整至如圖6所示。

3.4 計算結(jié)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(xué)模型中可以看出，小腿上部彎矩值與上部吸能塊處產(chǎn)生的彎矩有關(guān)[4]，其值為：

當(dāng)保險杠上部吸能塊剛度K2減小時，其他參數(shù)不變情況下，M2相應(yīng)減小。

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

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

圖8 碰撞力學(xué)模型簡圖Fig.8 Schematic of collision mechanics model

4 結(jié)論及展望

通過與試驗結(jié)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(jié)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(jié)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(shè)置偏大。

依據(jù)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(yōu)化腿部傷害的結(jié)果。結(jié)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(jié)果與試驗結(jié)果對比，精度均在80%,以上，已達到行業(yè)內(nèi)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(xué)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(jié)構(gòu)件例如發(fā)動機艙罩等在成型加工時，材料內(nèi)部會發(fā)生硬化現(xiàn)象，此現(xiàn)象也應(yīng)被考慮至仿真分析中[5]。