HyperWorks在汽車與行人腿部碰撞仿真中的應用

1 概述

交通事故傷害中，約65%為易受傷害的道路使用者。行人作為道路使用者中的弱勢群體，屬于交通事故中的高危人群，死亡率極高。車輛與行人碰撞事故中，人體的損傷部位可以覆蓋全身，行人頭部和下肢損傷幾率最大。研究表明，行人頭部和下肢損傷在汽車與行人碰撞造成的損傷中各占約30%。盡管人體腿及膝關節(jié)的損傷一般不會有生命危險，但常常會造成人的終生殘廢或喪失工作能力。

本文以小腿部沖擊器為模擬對象，利用HyperWorks的前處理軟件HyperMesh建立沖擊器和整車的有限元模型，對小腿與汽車碰撞過程進行計算機模擬，并通過后處理軟件HyperView對仿真結果進行分析，比較仿真模擬結果與試驗結果，驗證仿真模型及結果的可靠性。

2 有限元模型的建立

小腿部沖擊器及整車模型均在HyperWorks的前處理軟件HyperMesh中建立。HyperMesh是一個高性能的CAE和CFD前處理器，提供最廣泛的CAD、CAE和CFD軟件接口，可以與任何仿真環(huán)境無縫集成，尤其提供了與各種CAD數(shù)據(jù)格式的直接接口，避免為進行數(shù)據(jù)格式轉換而可能造成的數(shù)據(jù)丟失，在汽車、航天等行業(yè)中應用廣泛。

2.1 網(wǎng)格劃分

腿部沖擊器的有限元模型及結構如圖1所示。腿部沖擊器由兩個外覆泡沫的剛性節(jié)組成，沖擊器總長為926mm，質量為13.4kg，小腿非撞擊側安裝加速度傳感器，位置在膝部中心下66mm處。

為了提高運算速度，考慮到汽車與行人碰撞過程中，行人腿部只會影響到汽車保險杠等前部結構，所以在建立的仿真模型中，只取汽車A柱之前的部分并進行一定的簡化，如省略前車燈、霧燈等對碰撞結果影響較小的部件。單元網(wǎng)格尺寸約為8mm左右，最大網(wǎng)格尺寸不超過15mm，最小不小于5mm。其中節(jié)點總數(shù)為221852，單元總數(shù)為214847，component共174個。單元翹曲度以及四邊形和三角形單元內(nèi)角的角度范圍都進行了嚴格的控制。整車中的螺栓連接采用RBE2模擬，涂膠方式采用具有膠黏劑材料特性的六面體單元來實現(xiàn)，其他焊接采用bolt和cweld方式模擬。最終建立的用于行人保護分析的汽車有限元模型。

2.2 約束條件

本文所采用的模型并不是整車模型，而是選取了A柱之前的部分，所以在懸置、A柱和門檻梁處施加一個全約束，約束六個自由度，如圖3所示。這樣仿真既不失其真實性，又提高了運算速度。

2.3 碰撞條件

本文按照GTR法規(guī)的沖擊測試要求進行仿真分析，根據(jù)法規(guī)要求，定義腿部沖擊器的速度為40km/h，碰撞角度為0°。碰撞位置取汽車的牌照中心。仿真模型在LS-DYNA中進行計算，計算時間為40ms。

3 仿真結果分析

本文利用HyperView軟件對仿真結果進行后處理。HyperView是一個強大且全面的CAE仿真和試驗的后處理可視化環(huán)境，具有直觀的、高性能的圖形界面，能夠顯著降低工程分析的時間和成本。

HyperView可以直接輸出法規(guī)所考察的參數(shù)，即脛骨加速度、膝關節(jié)剪切位移和膝關節(jié)彎曲角度。通過比較，仿真結果與試驗數(shù)據(jù)具有較好的一致性，各參數(shù)之間的誤差分別為4.69%、9.91%、1.64%，如圖所示。以上分析結果表明，計算機仿真模擬能較好的反映腿部沖擊器與汽車的碰撞過程，能夠對腿部及膝關節(jié)的損傷程度進行正確預測。

4 結論

由以上分析結果可見，HyperWorks在汽車與行人腿部碰撞仿真分析中發(fā)揮了極大的作用。本文在其軟件支持下，應用有限元法和計算機仿真模擬技術，對腿部沖擊器與汽車的碰撞過程進行模擬分析。其仿真結果與試驗數(shù)據(jù)有較好的一致性，為汽車與行人碰撞過程的研究提供了更有效更經(jīng)濟可行的方法。在新車開發(fā)設計階段，能夠正確預測整車的行人保護安全性能并為其性能優(yōu)化提供參考依據(jù)。