第45卷 第7期 2018年7月
天 津 科 技
TIANJIN SCIENCE & TECHNOLOGY
V ol.45 No.7Jul. 2018
收稿日期：2018-06-04
基础研究
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)
摘 要：基于中国国情考虑，交通事故中行人伤亡率相对较高，在汽车安全领域，对行人安全的保护十分重要。使用Oasys 软件对某车型建立行人保护FlexPLI 柔性腿保护模型，利用LS-DYNA 求解器进行计算，将腿部各项伤害值与C-NCAP2018的试验结果进行比较，验证了仿真模型的可靠度。为改善仿真结
果，通过降低保险杠上部吸能块刚度，使最终仿真结果精度达80%以上，同时分析了吸能块刚度对腿部伤害值的影响。 关键词：行人保护 FlexPLI LS-DYNA C-NCAP
中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：1006-8945(2018)07-0049-04
A Pedestrian Protection Model Based on LS -DYNA ：
Analysis of Simulation and Test Comparison
YU Lan
(FAW Toyota Research & Development Co.，LTD.，Tianjin 300462，China )
Abstract ：Based on the national conditions and the high rate of traffic accidents ，it is important to concern how to protect pedestrians from vehicle injuries ．A pedestrian FlexPLI-vehicle collision CAE model was established using Oasys and calcu-lated in LS-DYNA ．Through comparing each CAE injury value with C-NCAP2018 test results ，the simulation accuracy has been proved ．To increase the simulation effect ，stiffness of upper-absorber material was reduced and the simulation accuracy was increased to 80%．Besides ，the influence of the absorber stiffness on dummy injury value was studied. Key words ：pedestrian ；FlexPLI ；LS-DYNA ；C-NCAP
0 引 言
近年来，交通事故中，驾驶员及乘员死亡率逐渐减少，但行人伤亡率呈逐步增高趋势。据统计， 2015年我国交通事故中行人伤亡率为26%，已占到交通事故伤亡率的1/4以上，因此行人的保护问题显得尤为重要[1]。随着国家法规和C-NCAP 等标准的出台和更新，国内越来越多的汽车公司将行人保护这项要求加入车辆开发和设计中。行人下肢的损伤虽然很少危及生命，但发生的频率高，导致后遗症的情况很多，所以它是行人保护研究中的重要课题。另一方面，为节约成本、缩短开发周期，仿真与试验手段相结合的模式也得到普遍应用[2]。
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
编号模型
编号
模型
编号
模型
1车辆顶板 5前大灯装饰条 10 下部吸能块2A 柱 7前大灯灯罩 11 下格栅 3前挡风玻璃 8拖车钩盖板 12 牌照安装板4发动机舱罩外板9
雾灯灯罩 13 上格栅 14车标 17翼子板 20 上部吸能块15发动机舱罩内板18
散热器支架 21 保险杠防撞梁16
挡泥板 19
吸能盒 - -
车体CAD 模型数据如图1所示。
·
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第45卷 第7期
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8mm ，树脂件为5mm ，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40km/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694mm ，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75mm 。 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。
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22ms 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。
天津一汽丰田
图3 腿部冲击器姿态仿真-试验对比图
Fig.3Posture 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(10mm )前提下，根据MCL 值进行评分，若ACL 或PCL 值大于或等于限值(10mm )
，
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
2018年7月 于蓝：基于LS-DYNA 的行人保护仿真与试验对比分析 ·51·
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：
21
2E MV = (1)
保险杠系统吸收的能量为： =x
W fdx F x ηΔ=⋅Δ⋅∫
(2)
碰撞过程中能量满足如下等式： 21
2MV F x η=⋅Δ⋅
(3)
根据牛顿第二定律： F Ma = (4)
推导出：
2
0.5V a x η
=Δ⋅ (5)
式中：M 为腿部冲击器质量，V 为冲击器运动速度，
x Δ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x Δ或增大η，由于x Δ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
由图7可以看出，减小了上部吸能块材料刚度
图6 泡沫材料静拉伸曲线
Fig.6 Static stretching curve of foam material
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2M 有关[4]，其值为：
2233
2020
()F z F z M L z L +=− (6)
当保险杠上部吸能块刚度2K 减小时，其他参数
不变情况下，2M 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。
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表2 仿真结果精度对照表
Tab.2
Comparison of simulation results precision
打点：W+100 速度：40,km/h
大腿部弯矩Femur/(N ·m )
小腿部弯矩Tibia/(N ·m )
膝部伸长量/mm
试样
1 2 3 1 2 3 4 ACL PCL MCL
Test 270.85 225.97 112.46 154.76 144.51 122.56 128.67 5.02 5.92 16.37
最终CAE 270.93 215.12 118.57 174.45 169.4 121.43 122.22 5.55 5.43 19.22 误差 0.08 -10.85 6.11 19.69 24.89 -1.13 -6.45 0.53 -0.49 2.85 精度 100.0% 95.2% 94.6% 87.3% 82.8% 99.1% 95.0% 89.4% 91.7% 82.6% GTR 目标 - - - 272 272 272 272 10.4 10.4 17.6
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]。■ 参考文献
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