行人保护仿真分析中的新型头部模型建模方法

龚益玲 李月 杨秋雨

摘要：为更精确地评价新车型行人保护头部碰撞的性能，提出一种新型头部碰撞模型构建方法。该方法基于传统头部模型，根据摩擦理论和试验经验，推导接触压力和接触面相对速度与摩擦因数的复合关系式，通过头部模型跌落冲击试验标定复合摩擦曲线参数，得到与真实行人头部吻合度更高的新型头部模型。某车型行人保护头部碰撞仿真计算表明，使用新型头部模型可极大地提高仿真的准确性。新型头部模型建模方法适用于不同法规对头部模型的要求，可提高新车研发效率。

关键词：

行人保护; 头部模型; C-NCAP; 头部伤害指数; 摩擦因数; 复合曲线

中图分类号：U467.14;TP391.92

文献标志码：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，我国汽车需求量和出口量不断增加，汽车企业新开发的车型需要满足不同国家的法规。为节约实车试验成本，在新车型研发初期使用计算机资源进行碰撞仿真验证和优化已成为汽车企业的首选策略。

汽车与行人碰撞的事故率非常高，没有防护措施的行人一旦与行驶的汽车发生碰撞，会对行人造成极大的伤害，因此在汽车碰撞研究中行人保护措施意义重大。

本文根据C-NCAP（中国新车评价规则）提出一种新型头部碰撞模型建模方法，该方法能够更精确地模拟行人物理头部属性，极大程度地提高模型运算的精度，能够适用于不同法规对头部模型的要求，提高汽车研发效率。

1 行人保护头部碰撞有限元模型

C-NCAP把行人保护作为重要的安全评价体系。[1]汽车行人保护评价方法主要分为头部碰撞和腿部碰撞2种工况。根据规则，头部碰撞又细分为儿童头型和成人头型，车辆发动机舱盖前部使用儿童头型，车辆发动机舱盖后部和前风挡玻璃区域使用成人头型。评价规则要求的头部碰撞区域碰撞角度和加速度[2-3]示意见图1。头部碰撞加速度曲线可以反映行人保护的头部碰撞情况，主要用于发动机舱盖结构优化。本文基于高精度的行人保护儿童头部碰撞和成人头部碰撞有限元模型，优化车辆发动机舱盖结构，从而提高车辆行人保护的得分。[4-5]

1.1 头部碰撞评价要求

根据新车评价规则，在行人保护头部碰撞试验中，头部模型以一定速度和一定角度与发动机舱盖发生碰撞，以碰撞过程中以头部伤害指数（head injury criterion， HIC）值为评价指标。某车型头部碰撞过程的加速度曲线见图2，根据新车评价规则，对曲线按照式（1）进行积分则为最终的HIC值。

H=（t2-t1）

∫t2t1

[SX（]ag[SX）]dt2.5

（1）

式中：

t2-t1为HIC达到最大值的时间间隔，新车评价取15 ms;

g为重力加速度;a为碰撞过程中头部质心的合成加速度;t为时间。

根据C-NCAP要求，行人保护头部碰撞的HIC分值设定见表1。先根据表1获得碰撞区域内各个碰撞点HIC值所对应的得分，再根据评分规则得到碰撞区域的总得分。

1.2 行人保护头部碰撞有限元模型

根据C-NCAP要求，头部碰撞主要与发动机舱盖、前挡风玻璃、前保险杠和仪表盘等零部件相关，行人保护头部碰撞模型示意见图3。在行人保护头部碰撞模拟计算中，头部模型是初始条件，其建模准确性直接影响HIC得分。头部碰撞是非线性分析工况，因此定义准确的弹塑性材料是非常重要的，本文主要研究头部模型的建立。

1.3 传统头部有限元模型

传统儿童头部有限元模型组装示意见图4，其中：r1为内层头骨半径;h1为内层头骨高度;r2为盖板半径;h2为盖板高度;R为外层头皮半径;H为外层头皮高度;t为外层头皮厚度。盖板设为刚性结构，定义施加初速度的

节点和HIC值评价的观测点。

盖板模型使用不可变形刚性单元模拟;

内层头骨模型使用可变形体单元模拟，定义其半径并赋以金属材料属性;外层头皮模型使用可变形体单元模拟，定义其厚度和半径并赋以黏弹性材料属性。采用不可变形刚性体连接内层头骨与盖板;采用接触关系连接内层头骨与外层头皮。外层头皮与内层头骨之间、外层头皮与发动机舱盖之间各对应一个接触关系，这2个接触的摩擦因数一般设为定值。[6-7]

基于传统的头部有限元模型，分析某车型发动机舱盖头部碰撞区域某个碰撞点的HIC值。试验与仿真得到该点头部加速度曲线对比见图5，HIC得分见表2。虽然试验与计算得到的HIC值对应的得分相同，但是传统头部有限元模型的加速度曲线与试验吻合度不高，相对误差达12.5%。当HIC值处于得分临界点时，试验与计算得分不一致会影响整体的行人保护评价。因此，有必要引入一种更为精确的头部模型模拟头部碰撞工况。

2 新型行人保护头部模型

在传统的头部模型中，内层头骨与外层头皮之间的摩擦因数f1、外层头皮与发动机舱盖之间的摩擦因数f2都设为定值，而在实际碰撞过程中，这2个摩擦因数与碰撞速度和压力息息相关。

2.1 头部碰撞模型中的摩擦因数

在头部碰撞过程中，设内层头骨与外层头皮之间的接触压力为p1，外层头皮与发动机舱盖之间的接触压力为p2，头部模型的碰撞速度为v，结合摩擦理论，分析压力、速度与摩擦因数之间的关系。行人保护头部碰撞模型接触示意见图6。

2.2 头部模型摩擦因数

传统动摩擦因数与速度之间的经验公式需要碰撞接触面形成和破坏过程的活化能数据，实际应用难度很大。[8-9]因此，采用头部模型冲击试验分别测定速度和压力对摩擦因数[10]的影响。

采用传统头部模型进行头部冲击摩擦试验，冲击速度为0.004～25.000 m/s、压力为0.8～170.0 kPa。由试验结果可知：当速度增大时，摩擦因数取得最大值;当压力增大时，摩擦因数最大值对应较小的速度值。

根据摩擦面的弹性-黏性接触理论和试验数据，拟合得到速度v与摩擦因数关系的表达式为

μ=（a+bv）e-cv+d

（2）

式中：a、b、c、d均为拟合因数。

同理，压力与摩擦因数关系的表达式为

μ=tanarccos

1-[SX（]CPAE[SX）]

（3）

式中：C为常数;P为接触压力;A为碰撞过程中的接触面积;E为材料的弹性模量。

2.3 头部模型摩擦因数曲线标定

基于前文的理论分析，以儿童头部模型为试验对象，根据我国国家标准，通过跌落试验[11]对行人保护儿童头部模型进行冲击试验标定。

将头部模型从不同高度瞬间释放并且跌落到刚性支撑的正方形水平钢板上，钢板厚度大于50 mm、边长大于300 mm，标定试验实物见图7。将头部模型冲击试验与新型头部模型跌落试验的有限元计算结果所得加速度曲线进行对比，通过调整接触压力与摩擦因数、冲击速度与摩擦因数之间各拟合因数，得到标定后的复合曲线，见图8。

头部模型的摩擦因数定义为2条复合曲线：一条为接触压力与摩擦因数之间的变化曲线，随着接触压力增大，摩擦因数相应减小;一条为接触过程中相对速度与摩擦因数之间的变化曲线，随着相对速度增大，摩擦因数相应增大。采用接触压力和接触面相对速度2个影响因素的复合曲线定义头部模型2个接触对相应的摩擦因数。

[12]

3 新型头部模型的应用

基于摩擦因数复合曲线定义新的头部模型，分析某车型的行人保护头部碰撞过程，对比传统头部模型和新型头部模型在碰撞过程中的加速度和HIC值。基于试验和2种头部模型，发动机舱盖某儿童头部碰撞点的加速度曲线见图9，该碰撞点HIC值和得分对比见表3。与传统头部模型仿真相比，新型头部模型仿真与冲击试验的加速度曲线吻合更好，同时两者的HIC值更接近，误差低于5%。由此可见，在行人保护发动机舱盖碰撞仿真中，引入与接触压力和速度相关的摩擦因数复合曲线的儿童头部模型，可以更加精确地模拟行人保护头部碰撞过程中的加速度曲线，从而为设计和优化发动机舱盖的内部结构与局部加强件提供更精准地数据支撑。

在新车型开发过程中，基于摩擦因数复合曲线的新型儿童头部模型和成人头部模型仿真，可以更高效精确地优化发动机舱盖结构，对提高行人保护在发动机舱盖区域的得分评价具有非常关键的作用。

4 结束语

构造在汽车行人保护碰撞中使用的新型頭部碰撞有限元模型，突破传统模型中接触关系采用单一摩擦因数的局限性，

使内层头骨与外层头皮之间、外层头皮与发动机舱外板之间均按照接触关系公式建立接触，

采用受接触压力和接触面相对速度影响的复合摩擦曲线定义接触关系中的摩擦因数。将实际碰撞测试使用的成人或儿童头部碰撞参数代入模型，利用新型头部碰撞模型进行相应的行人保护碰撞仿真分析。

由仿真分析与试验结果对比可知，所建立的新型头部碰撞模型能提高头部碰撞仿真的精确度，新型头部碰撞模型的碰撞响应与物理模型吻合度更高。根据标定试验得到的基于摩擦因数复合曲线的新型儿童头部模型和成人头部模型，可用于各个开发车型的发动机舱盖行人保护头部碰撞工况中，为节约样车成本和提高汽车研发效率提供技术支持。

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（编辑 武晓英）