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1、基于基于 VPG 的的车辆车辆行人保护头部碰撞仿真分析行人保护头部碰撞仿真分析 任亮 （美国工程技术联合公司南京代表处 210001） 摘摘 要要：本文利用有限元分析方法和碰撞仿真技术，依据 Euro-NCAP 行人保护法规，在 VPG 软件平台上建立 头部冲击器与汽车碰撞的有限元仿真分析模型，利用 LS-DYNA 求解器，对头部与汽车碰撞过程以及头部的 动力学响应进行仿真分析，并根据分析结果对汽车提出改进意见。 关键词关键词：行人保护；碰撞仿真；安全性；VPG；HIC15 1 引言引言 随着汽车工业的飞速发展，现在全球轻型汽车的产量正以每年 3%4%的速度不断增长， 与此同时汽车与行人发生碰
2、撞的事故也在不断增长。 据最新统计， 全世界每年约有 200 万人 死于交通事故，每年由道路交通事故造成的经济损失高达 5180 亿美元。根据世界卫生组织 和世界银行组织编写的世界预防道路交通伤害报告显示，在交通事故中，行人往往是最 大的受害群体，约有 12%的交通事故死亡者为行人1。 为了确保行人的安全，减轻其在与 车辆发生碰撞中的伤害， 各大汽车厂商在汽车研发初期就把行人保护纳入设计的范畴。 采用 仿真分析的手段，以行人保护法规为依据，通过改进车身结构设计，最大程度的确保行人的 生命安全。在中国提高车辆的行人保护能力有着更加实际的意义，据估计，汽车实施行人保 护后，每年至少可挽救 2000
3、 个生命，减少 17000 个重伤人员。 VPG 软件是 ETA(美国工程技术联合) 公司对全球各大汽车生产厂商在 30 年合作咨询基 础上开发出的整车仿真软件，拥有强大的建模能力，完善的自动焊点功能，标准的模型数据 库，模块化的软件集成环境，对 LS-DYNA 关键字完全支持。其中行人保护模块，内置有 最新的 Euro-NCAP(New Car Assessment Programme)和 GRT(Global Technical Regulations)法 规，拥有准确快速的区域划分方法，批量的导入导出文件功能，以及自动评分体系。 本文首先介绍行人保护有限元模型的建立， 针对该模型进行头部
4、碰撞区域划分， 得到用 于定位头部冲击器的碰撞点位置，然后导入头部冲击器模型，利用 LS-DYNA 求解器求解， 最后计算得出行人保护头部得分，并根据分析结果对车辆提出改进意见。 2 行人保护头部碰撞行人保护头部碰撞 2.1 行人保护分析行人保护分析模型模型 通过 CATIA 软件建立几何模型，然后导入到 VPG 中进行网格划分。针对行人保护分析，为了缩短计算求 解时间，对整车模型做相应的简化，截取模型 A 柱之前 的部分，并去除两个前车胎及减震器。该模型的壳单元 和体单元网格尺寸约为 8mm，最大网格尺寸不超过 15mm， 最小尺寸不小于 5mm， 其中零件 356 个，节 点 522289
5、 个，单元个数为 523364。其中焊点采用体单 元（Hex Solid）模拟，螺栓采用刚性单元（Rigid）模拟， 为了提高模型的精度，本文对模型的翘曲以及四边形和 三角形单元内角范围进行了严格的控制，最终建立的用 于行人保护分析的有限元模型如图 1 所示。 2.2 头部碰撞区域划分头部碰撞区域划分 图 1 汽车有限元模型 根据最新发布的 2012 年 2 月 Euro-NCAP 评价体系 6.02，对模型中车辆的保险杠、发 动机罩、挡风玻璃、A 柱和翼子板进行划线，得到的头部碰撞区域如图 2（a）所示。整个 碰撞区域是由左右两侧的 SRL 线（Side Reference Line） ，1
6、000WAD（Wrap Around Distance） 和 2100WAD 四条曲线围成的封闭区域。 在该区域内， 沿着中心线 （Centerline） 每间隔 100mm 标记下一个栅格点（Grid Point） ，把这些栅格点在水平方向上向左右两侧每隔 100mm 布下 一个栅格点，得到如图 2（b）所示的用于定位碰撞冲击器的栅格点。1000WAD 至 1500WAD 之间的栅格点用于摆放儿童头部冲击器模型（Headform） ， 1700WAD 至 2100WAD 之间摆 放成人头部冲击器模型。然后用一个半径 100mm 的球体沿着发动机罩和风挡玻璃滚动，得 到 BRFL（Bonnet
7、 Rear Reference Line）, 1500WAD 和 BRFL 之间的栅格点摆放儿童头部冲 击器，BRFL 和 1700WAD 之间的栅格点摆放成人头部冲击器。 2.3 定位定位头型冲击器头型冲击器模型模型 头型冲击器模型采用 VPG 自带的模型，该模型下端球体直径为 165mm，儿童的质量为 3.5kg，成人的质量为 4.5kg，内部安放加速度传感器，位于模型的几何中心，如图 3 所示为 儿童头型冲击器模型。儿童头型冲击器是以与水平方向夹角 50进行碰撞，成人碰撞角度为 是以 65， 碰 撞 速 度 均 为 11100mm/s 。 如 图 4 所 示 ， 采 用 LS-DYNA
8、中 关键字 *INCLUDE_TRANSFORMATION3的方法，将模型中所有需要摆放头部冲击器的位置都放 （a） 区域划分 （b）栅格点显示 图 2 车辆划线分区 图 3 儿童头型冲击器模型 图 4 定位冲击器模型 置，冲击器与碰撞点之间的间隔设为 20mm。然后将模型根据碰撞点行列坐标，分文件夹一 次性的批量导出到求解器中进行计算。 2.4 仿真结果分析仿真结果分析 由于脑组织的复杂性， 目前没有公认的最完善的评价脑组织损伤标准， 而现在使用最广 泛的头部损伤评价指标是 HIC(Head Injury Criterion)值，它是基于美国韦恩州立大学 Lissner 等人提出的 WSTC
9、 曲线而建立， WSTC 也是最早将头部耐受极限通过线性加速度进行量化， HIC 值定义如下： 5 . 2 12 12 )( )( 2 1 = tt dtA ttHIC t t R 式中 R A代表头部质心合成加速度，t 代表 HIC 值达到最大时的时间间隔，在行人保护计算 中计算值最大为 15ms。 表 1 HIC15 区间颜色对照表 如图 5 所示为(C,0,0)点的加速度曲线，经计算其 HIC15值为 638.6。根据 HIC 值的大小 不同，把其分为五个区间，不同区间用不同的颜色来显示，如表 1 所示。根据不同的颜色显 示， 在后处理视图中可以很方便的看出汽车危险区域的所在， 从而为工
10、程师改进设计提供了 重要的参考依据。 依据评分结果，可以给出以下改进意见： 1. 发动机罩内外板厚度优化。一般汽车发动机罩内外板厚度均在 0.60.8mm 之间，文中模 型的内外板厚度分别为 0.65 和 0.7mm，可以将该厚度分别在许可范围内优化。 2. 修改发动机罩铰链及其加强件，如图 8 所示为模型中发动机罩铰链，将铰链加强板由 L 型结构改为平板型，增加变形吸能空间。 3. 优化发动机罩锁扣后部曲率。增大头部冲击器撞击该处位置的压溃时间，尽量降低锁扣 的二次碰撞对头部的伤害。 绿色 HIC15 650 黄色 650 HIC15 1000 橙色 1000 HIC15 1350 褐色 1
11、350 HIC15 1700 红色 1700 HIC15 图 5 (C,0,0)点的 HIC15 加速度曲线 3 结论结论 本文通过 VPG 软件建立有限元模型，采用 Euro-NCAP 行人保护法规，对车头部分进行 区域划分，计算出区域中各栅格点的 HIC 值，通过结果提出车辆设计修改意见，提高了车 辆的安全性， 达到了行人保护设计的目的， 对各种类型的汽车行人保护碰撞分析具有重要的 参考价值。 参参 考考 文文 献献 1 乔维高，王宇航. 汽车与行人碰撞中行人保护的研究现状及发展趋势J.北京汽车,2008. 2 European New Car Assessment Programme (
12、Euro NCAP) Pedestrian Testing Protocol, Version 6.0, February 2012. 3 LS-DYNA Keyword Manual Volume 1, May 2007, Version 971. Simulation Analysis of Crash in Headform for Pedestrian Protection based on VPG Ren Liang (Nanjing Representative Office of Engineering Technology Associates, Inc 210001) Abs
13、tract： With finite element method and crash simulation technique, according to Euro-NCAP pedestrian protection regulation, an FEA model of the vehicle and headform impactor is created on the VPG platform. Crash process of the headform and the vehicle and dynamic response of the headform are simulation in use of LS-DYNA solver, according to analytical results, several improvements are proposed. Keywords Pedestrian Protection; Crash Simulation; Safety;VPG; HIC15; 图 7 发动机罩铰链 图 8 发动机罩锁扣
