基于LS-DYNA的行人保护仿真与试验对比分析

于 蓝

(一汽丰田技术开发有限公司 天津 300462)

0 引 言

本文结合某款车型，对其进行行人腿部的碰撞仿真分析，并与 C-NCAP试验结果进行对比，验证仿真模型的可靠性。

1 有限元模型建立

1.1 CAD模型数据

通过分析试验过程中车辆状态，发现车辆后部模型对吸能效果影响小，为保证计算效率，只保留车辆前部模型，除去悬架、轮胎及远离试验碰撞区域的部分，车辆模型数据清单如表1所示。

表1 行人保护分析车辆模型清单Tab.1 Vehicle model list of pedestrian protection analysis

车体CAD模型数据如图1所示。

图1 车辆CAD模型图Fig.1 CAD vehicle model

1.2 网格划分

利用ANSA软件进行网格划分，车体钣金件网格基本尺寸为8,mm，树脂件为5,mm，网格类型为四边形及少量三角形壳网格。上部吸能块为泡沫材料，其网格单元为实体单元。

1.3 模型连接

本模型前处理在Oasys-Primer软件中进行，根据实车连接方式进行模拟，其中包括焊点、螺栓、卡扣和粘胶等连接方式。考虑到腿部碰撞能量较小，其中螺栓和卡扣采用NRB方式刚性连接。

1.4 初始条件

根据C-NCAP2018版本要求，对应仿真模型初始条件如下：由于试验车辆为整车，对于仿真模型，将其与车辆后部连接处进行固定约束；腿部模型以40,km/h速度撞击静止车辆；试验准备阶段测得的前轮罩最高点距地间隙为694,mm，调节仿真模型与地面线间隙与试验一致；C-NCAP要求腿部冲击器最低点距地间隙为75,mm。

1.5 仿真计算

将上述工况信息及材料数据输入有限元模型中，按照标准要求对车辆进行碰撞区域划线，选取L+1打点进行仿真计算。计算模型如图2所示。

首先，当学生在汉字书写时，教师监督学生的胸部离桌子的距离应为一拳，双腿与双脚应平放在地面上，整体身体保持在直立的状态，避免出现眼睛离书本过近，导致眼睛近视。同时，正确标准的坐姿也是汉字书写工整、美感的影响因素，教师及时指出学生的错误，督促其端正写字坐姿。其次，教师以示范的方式，向学生展示在汉字书写握笔中的注意事项，让学生保持指尖与笔尖的距离应为一寸，用拇指和食指捏着铅笔，避免学生长时间汉字书写造成疲劳，同时保证学生汉字书写的美观程度。最后，每个汉字是由多个笔画所组成的，通过具体的笔画和顺序，能够使书写的汉字显得更加有美感，促进学生汉字书写综合能力和素养的提升。

图2 Flex碰撞有限元模型图Fig.2 Flex collision finite element model

2 仿真与试验结果对比分析

此腿型的损伤主要考虑小腿部、大腿部、膝部等单体力学特性。腿型受到来自保险杠、下部吸能块、发动机舱罩前沿等车身前部的复杂载荷。大腿、小腿部及膝部产生伤害的具体原因为：大腿部的骨折由股骨和发动机罩前沿的接触引发；小腿骨部的骨折主要由保险杠碰撞小腿，导致产生弯曲力矩所造成；保险杠与膝关节的直接接触以及伴随传递至膝盖的载荷导致的膝关节变形是膝关节损伤的原因。膝关节有剪切和弯曲两种变形模式，保险杠和小腿刚接触时，膝关节发生剪切，再随下肢运动转为弯曲模式[3]。

2.1 腿部冲击器姿态对比

腿部冲击器在22,ms时达到侵入量最大，将仿真与试验结果进行对比，腿部冲击器姿态基本一致，如图3所示。

图3 腿部冲击器姿态仿真-试验对比图Fig.3 Posture simulation-test comparison of leg impactor

2.2 腿部冲击器各项伤害值对比

C-NCAP中行人保护下腿部冲击器试验的评价指标包括小腿弯矩Tibia1、Tibia2、Tibia3、Tibia4，以及膝部韧带伸长量ACL、PCL、MCL。弯矩的评分规则为取4个弯矩值中最差的一个；膝部韧带伸长量的评分规则为在ACL、PCL值小于限值(10,mm)前提下，根据MCL值进行评分，若ACL或PCL值大于或等于限值(10,mm)，则膝部韧带伸长量得0分。

2.3 现象解析

为改善仿真结果，对碰撞过程中柔性腿膝部加速度进行进一步解析，柔性腿加速度计设置在膝部中间位置，仿真结果与试验结果如图4所示。

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

图4显示，仿真结果的膝部加速度大于试验结果，G-T曲线从6,ms开始出现偏差，通过查看碰撞过程动画，观察此时上部吸能块开始受到挤压，故判断产生误差的原因主要为上部吸能块刚度过大，从而导致伤害值普遍偏大。

3 上部吸能块对腿部伤害值影响研究

3.1 上部吸能块作用

在交通事故中，碰撞过程中腿部的动能为：

保险杠系统吸收的能量为：

碰撞过程中能量满足如下等式：

根据牛顿第二定律：

推导出：

式中：M为腿部冲击器质量，V为冲击器运动速度，Δx 为腿部冲击器对保险杠系统的侵入量，F为保险杠系统与腿部冲击器作用力，η为能量吸收率，a为小腿胫骨加速度。

由公式(5)得知，若要降低a，进而降低伤害值，则可考虑增大Δx或增大η，由于Δx受造型限制不能增大，只能增大η。故目前通过改革保险杠上部吸能块来提高能量吸收效率。

3.2 上部吸能块模型

本文中的上部吸能块模型如图5所示。需要注意的是，上部吸能块材料一般为泡沫，刚度非常小，为避免计算过程中，刚度软硬差距大的材料接触和挤压而造成的计算错误，建模时需在体网格表面建立一层壳单元，与体网格暴露面单元共享节点。

图5 上部吸能块模型图Fig.5 Model of upper energy absorber

3.3 上部吸能块吸能块刚度降低对策实施

通过泡沫材料调整，将上部吸能块刚度调整至如图6所示。

3.4 计算结果

图6 泡沫材料静拉伸曲线Fig.6 Static stretching curve of foam material

由图7可以看出，减小了上部吸能块材料刚度后，小腿部碰撞能量得到了较好的吸收，碰撞过程中腿型也得到了进一步支撑，其弯曲程度较之前工况有明显降低。与此同时，小腿部与大腿部的弯曲角度也影响了膝部的伸长量，使其有一定程度减少。

图7 冲击器动作对比Fig.7 Comparison of impactor action

由于上部吸能块刚度降低后，小腿部 Tibia1、2弯矩值都有了明显的减小。由图 8力学模型中可以看出，小腿上部弯矩值与上部吸能块处产生的弯矩有关[4]，其值为：

当保险杠上部吸能块刚度K2减小时，其他参数不变情况下，M2相应减小。

将此结果与试验结果对比，得到各伤害值仿真精度皆在80%,以上，表2为仿真结果精度对照。

表2 仿真结果精度对照表Tab.2 Comparison of simulation results precision

图8 碰撞力学模型简图Fig.8 Schematic of collision mechanics model

4 结论及展望

通过与试验结果对比，证明本文建立的行人保护FlexPLI有限元模型在伤害曲线走势上与试验结果一致，验证仿真模型有一定可靠性。但计算伤害值偏大，对仿真结果进一步解析，得出影响精度原因为保险杠上部吸能块刚度设置偏大。

依据解析进而开展了保险杠上部吸能块刚度对腿部伤害值影响的研究，通过降低其刚度，得到了优化腿部伤害的结果。结果表明，吸能块刚度减小对小腿中上部弯矩及韧带伸长量有很好的改善作用，最高降低Tibia弯矩在20%,以上。后将此结果与试验结果对比，精度均在80%,以上，已达到行业内平均精度。

为进一步提高精度，未来将展开对材料的高速拉伸试验及材料硬化研究。将不同拉伸速率下的材料力学性能输入模型，可以更全面考虑碰撞工况下的材料变形情况；由于钣金结构件例如发动机舱罩等在成型加工时，材料内部会发生硬化现象，此现象也应被考虑至仿真分析中[5]。