福建电脑2010年第2
期
CAE技术在行人保护中的应用王韶华（同济大学上海200437）
【摘要】：在机动车辆造成的人员伤亡事故中，行人伤亡的人数仅次于车内乘员伤亡人数位居第2位，因此对于行人保护的研究刻不容缓。本论文主要完成两方面的工作：(1)运用计算机技术完成假人小腿冲击器以及车辆主要防撞部件的建模，以备今后研究使用；(2)运用CAE软件完成模拟的行人保护试验，得出模拟碰撞曲线。
【关键词】：EURONCAP行人保护小腿冲击器CAE
引言近年来，随着汽车制造技术的不断进步，汽车的安全措施日益完善。通常情况下，总质量在2.5t以下的非平头乘用车以及在乘用车基础上改制的、总质量在2.5t以下的非平头小货车都已具备了包括安全带、安全气囊，以及各种安全电子系统在内的安全措施，从而大大提高了驾驶的安全性和对乘员的保护。然而，根据世界卫生组织和世界银行牵头编写的《世界预防道路交通伤害报告》显示，在道路交通事故中，行人（包括骑车人）往往是最大的受害群体。根据世界银行2002年的统计，全世界平均每年共有117万人死于道路交通事故，其中有65%是行人。欧盟的有关分析数据也显示，在欧盟的道路交通事故中，行人的死亡数据是车内乘员的9倍，骑车人的死亡数据是车内乘员的8倍。在中国，根据公安部交通管理局的统计，2000、2001、2002年的交通事故中，行人和骑自行车的人死亡人数分别为6414、7046、6798，分别占当年交通事故死亡人数的6.83%、6.65%、6.22%。尽管从比例数字来看并不高，但绝对数字已相当可观。而且，随着近两年汽车保有量的迅速增加，驾驶员素质的参差不齐，以及中国道路长期存在的混合交通特点行人在交通事故中的伤亡总数将居高不下，甚至会有上升趋势。尽管在城市交通管理中已经采取了诸如过街天桥、过街地下通道、人行横道以及交通安全岛等许多措施来保护行人的安全。这些措施也取得了很大的成效，行人伤害的绝对人数仍然十分巨大。因此如何保护行人，减轻其在与车辆发生碰撞时的伤害已经逐渐成为各国汽车安全性研究的新领域和焦点问题，行人碰撞保护是目前汽车安全性研究的最新领域。本论文主要是运用计算机技术完成人体以及车辆关键吸能部件的建模，以备今后研究使用，然后运用CAE（计算机辅助工程）软件完成模拟的行人保护测试方法中的小腿冲击器撞击保险杠的试验，得出模拟碰撞曲线。论文研究的工程应用价值在于使用CAE软件模拟行人保护碰撞测试方法中的小腿冲击器撞击保险杠的试验，得出模拟的撞击曲线，并在将来与实际试验得出的曲线做比较，找出差异之处，并以实际曲线为依据在计算机上对车辆的关键吸能部件进行修改和完善。实际试验与计算机模拟两者相辅相成，共同作用，最终目的为整车厂商提供可行的改良建议，以达到最终降低车辆对行人的伤害指数。这样既节约成本又缩短研发周期，是未来试验的发展方向。1、试验法规与研究现状1.1国内外研究现状欧洲对行人保护试验作了深入的研究，并提出了试验方法。1987年，EEVC（欧洲试验车委员会）成立了工作组WG10，负责行人保护指令中肢体模型试验的评价研究，并于1994年提交了一个评价汽车前部表面与行人碰撞的推荐试验方法；1997年EEVC又成立了工作组WG17，继续对WG10提出的试验方法进行分析研究；1998年2月，EEVCWG17综合考虑了事故统计、生物力学和试验分析领域中的新发现和新技术的应用，提出了改进后的试验方法。从"2005年12月开始，欧盟内所有汽车都要逐步配备行人保护系统。目前EEVC法规提出了三种测试类型：1）腿部模型和保险杠的碰撞试验。对于高保险杠的车辆还应该专门进行大腿模型与保险杠的碰撞试验。试验主要测量膝关节弯曲角度、膝关节剪切变形和小腿上部加速度等参数。
2）大腿模型和发动机罩前缘的碰撞试验。
试验主要测量碰
撞力和弯矩。
3）头部模块和发动机罩上表面的碰撞试验。
试验主要测量
头部损伤值HIC。试验要求每个头部模块在被认为是最容易造成伤害的部位进行九次试验。
行人碰撞保护方面的研究作为目前中国汽车安全性研究的最新领域，其主要的研究方法分为试验和计算机模拟两大方面。
试验模拟：由于目前并没有专门的行人碰撞试验假人（PedestrianDummy），EEVC提出了基于子系统试验（Sub-SystemTests）或称为部件试验（ComponentTests）的试验程序，
即采用称
之为冲击器（Impactor）的单独的试验部件对车身前部的典型部位进行碰撞试验。冲击器代表了行人身体最容易受到伤害以及伤害最严重的部位，并具有与行人相应身体部位类似的力学特性，共分为3类4种冲击器：头部冲击器，包括成人头部冲击器和儿童头部冲击器；大腿冲击器；腿部冲击器。上述4种冲击器分别代表了成人的头部、儿童的头部、成人的大腿或臀部以及成人的腿部。试验的目的是研究在车辆与行人碰撞的过程中影响行人运动的车身前部的结构性能。
计算机模拟：对行人碰撞保护研究的另一个重要手段则是计算机模拟。随着计算机技术的发展，计算机模拟在工程辅助分析中越来越占有突出的地位。以适当的理论建立人体和车辆的计算模型，可以在计算机中虚拟地呈现行人与车辆碰撞的各种工况，从而全方位地把握行人在碰撞后的运动情况以及伤害情况。而且，通过计算机模拟可以快速地了解车辆外形、尺寸的变化对行人碰撞性能的影响，大大地节约了研究的时间和费用。
2、
模型设计与建立
2.1计算机模拟技术汽车实际使用过程中发生碰撞时，汽车的运动轨迹以及车内乘员的运动状态往往十分复杂，因此运动方程式的建立和求解也很复杂。由于碰撞过程中，人和车的运动规律不同，再加上碰撞激烈时车身发生大变形并引起仪表板、前围板等零部件缩入乘客室内，减少了人体与室内物体的距离，也使问题求解复杂化。因此，汽车碰撞的计算机模拟研究一般包括以下三个方面内容：(1)用有限元方法研究汽车碰撞过程中车身、车架变形及动态响应；(2)研究人体在多种碰撞条件下的响应；(3)多体动力学计算。与之相关的最基本的也是最复杂的工作是建立能真实反映实际碰撞过程的数学模型。目前数学建模主要涉及以下研究领域：
(1)建立适用于不同碰撞条件（正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞等）下的车体动力学模型，包括各种汽车部件模型；
(2)建立体现不同人体特征和动力响应特性的假人模型；
(3)建立人体局部结构的生物力学模型；
(4)建立汽车安全系统模型。
2.2模型设计与建立
97福建电脑2010年第2期（下转第106页）2.2.1模型设计依据本论文小腿模型设计依据为欧洲新车评价程序-行人保护测试方法（EUROPEANNEWCARASSESSMENTPRO-GRAMME-PEDESTRA-IANTESTINGPROTO-COL）
中的小腿冲击锤撞
击保险杠的试验。
小腿冲击保险杠实验要求用13.4kg的冲击锤模拟人的腿，（见图1
小腿腿形冲击器）冲击锤由两段刚体组成，中间用可变形的金属棒连接，代表膝关节。小腿自由飞行至少700mm后以40公里/小时的速度垂直撞击车辆前部保险杠。要进行的三次试验，
第一次撞击保险杠中间的1/3区域，另两次分别撞击两侧的1/3
区域。要求膝部弯曲角不大于15°、剪切位移不大于6mm、小腿加速度不大于150g
。
2.2.2模型设计方案本论文的小腿模型建立的使用软件为Altair
Engineering公司出品的HyperMesh软件。
HyperMesh是一个高性能的有限元前后处理器，可以用它建立有限元模型、观察计算结果和进行数据分析。对于一个模型的处理大致可分为以下几个步骤：
·创建原始模型·几何清理·建立Materialcollectors输入材料参数·生成网格根据EEVC（欧洲车辆安全促进委员会）对小腿冲击器的要求，参考TRL公司的冲击器实物，所建立的小腿冲击器有限元模型如图2所示。
3、
模型导入与计算
3.1模型导入软件LS-DYNA的发展与汽车碰撞仿真是密不可分的。在20世纪60年代和70年代中，显示有限元程序在美国能源部实验室开发出来，各种算法已开始成熟，如显式积分、壳单元和接触算法等。在20世纪80年代中期建立第一个整车碰撞模型并进行了计算。由于超级计算机（Gray）的发展使碰撞仿真在工业方面的应用成为可能。在近20年内，汽车碰撞仿真得到了迅速发展，
今天它已完全作为一个必不可少的工具整合在汽车产品设计开发当中，如果没有强大的CAE技术支持，产品可能毫无竞争优势可言。
在汽车行业CAE仿真分析快速增长的需求和机遇主要是受到法规的驱动，如在1985-2002年之间，法规试验要求差不多增加了20倍。其次是从1985年以来软件和计算机硬件的迅速发展和汽车厂商对计算机资源的广泛应用。还有就是汽车厂商由于市场竞争优势需要，要求设计周期缩短。受到物理样机昂贵，试验能力有限及CPU时间价格的降低等原因，促使汽车行业CAE仿真分析快速增长。
3.2模型导入计算结果经过前阶段HyperMesh的处理，最后可将模型导入LS-
DYNA软件进行计算，得出模拟曲线。
整个碰撞试验大概在0ms-200ms就已完成，而小腿冲击试验冲击距离短速度快，所以此次计算大约持续60ms即足以满足整个试验
经过计算后得到的波形如图3,4,5所示：
图3胫骨加速度波形图4膝关节剪切位移波形图5膝关节弯曲角波形其中胫骨最大加速度为173.52g，膝关节最大剪切位移为3.
56mm，膝关节最大弯曲角度为25.25°。
4、
结论
本文的研究工作主要是分析了某车型的EuroNCAP小腿保护性能，通过使用HyperMesh软件完成小腿冲击器的建模，并将完成的模型导入LS-DYNA软件进行计算的出最终的模拟曲线。
参考文献：
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