基于HyperStudy行人與車輛碰撞腿部傷害分析

1 引言

近年來與行人有關(guān)的人車碰撞安全問題，已經(jīng)成為車輛安全性能開發(fā)的熱點(diǎn)[1]。據(jù)日本調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在非致命的汽車與行人碰撞交通事故中，下肢損傷占40%[2]。為了降低行人腿部所受的傷害通常在車輛前端增加防護(hù)結(jié)構(gòu)吸收行人腿部的碰撞能量，來減輕行人腿部所受傷害。腿部防護(hù)結(jié)構(gòu)的材料、厚度及相對與小腿模型的碰撞位置關(guān)系均對行人小腿傷害產(chǎn)生影響。因此本文利用HyperStudy軟件對影響小腿傷害值的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過分析找出主要影響參數(shù)進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

2 Study模型建立

本文首先利用Altair公司HyperMesh軟件進(jìn)行行人與車輛有限元仿真模型搭建，如圖1所示。建模時(shí)僅考慮前端結(jié)構(gòu)對小腿碰撞的影響，基本網(wǎng)格尺寸控制在5mm×5mm[3]。

圖1 行人小腿碰撞有限元模型

將搭建好的有限元模型導(dǎo)出.K文件格式并利用LS-DYNA求解器進(jìn)行計(jì)算。因此在HyperStudy中需要配置LS-DYNA求解器執(zhí)行腳本，并設(shè)置求解器輸入相關(guān)要求，包括存儲(chǔ)路徑、CPU個(gè)數(shù)設(shè)置、運(yùn)算內(nèi)存設(shè)置。

2.1 設(shè)計(jì)變量定義

腿部防護(hù)結(jié)構(gòu)通常由前橫梁吸能泡沫和安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)底部護(hù)板上方的塑料支撐件組成，吸能泡沫壓縮剛度及支撐件的X向剛度的設(shè)計(jì)尤為重要。另外小腿碰撞模型與車輛前端第一接觸時(shí)刻，小腿底部離地面間隙也會(huì)對小腿傷害產(chǎn)生一定影響。如圖2所示，黃色部分為小腿沖擊模塊、綠色部分為緩沖塊泡沫、藍(lán)色部分為下支撐件。

圖2 腿部防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

因此考慮以上因素，選取DOE設(shè)計(jì)變量為小腿底部離地面間隙H、吸能泡沫密度RO、發(fā)動(dòng)機(jī)底部支撐件厚度T。設(shè)計(jì)變量及其水平見表1所示。

表1 設(shè)計(jì)變量及其水平

2.2 響應(yīng)定義

本次實(shí)驗(yàn)分析的目的就是為了降低行人小腿傷害值，系統(tǒng)的輸出（響應(yīng)）是行人小腿傷害值即脛骨加速度(X-ACC)、膝部彎曲角(BENDING)、膝部剪切位移(SHEARING)。HYPERSTUDY中定義的響應(yīng)表達(dá)式見表2所示。

表2 響應(yīng)表達(dá)式

3 DOE分析

3.1 DOE模型建立

DOE控制方法采用完全因子實(shí)驗(yàn)法，它通過對所有變量的所有水平進(jìn)行組合來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[4]。

本例中設(shè)計(jì)變量采用3個(gè)水平等級，在實(shí)驗(yàn)安排后，共產(chǎn)生27組計(jì)算文件，圖3為變量的3D散點(diǎn)圖示，其中Z軸代表變量H值，X、Y軸分別代表RO和T值。

圖3 變量H運(yùn)行的3D矩陣圖示

3.2 DOE結(jié)果分析

計(jì)算后行人小腿傷害值結(jié)果蛇形圖如圖4所示。

圖4 行人小腿傷害值蛇形圖

3.2.1線性相關(guān)性

根據(jù)HyperStudy計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)變量及響應(yīng)的線性相關(guān)性如圖5所示。由圖中可知，設(shè)計(jì)變量發(fā)動(dòng)機(jī)底部支撐件厚度(T)與脛骨加速度值(X-ACC)相關(guān)性較高，達(dá)到0.92，說明T的變化會(huì)顯著影響到X-ACC的變化；設(shè)計(jì)變量發(fā)動(dòng)機(jī)底部支撐件厚度(T)、小腿離地高度(H)與膝部彎曲角(BENDING)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明T與H的增加會(huì)導(dǎo)致BENDING值的降低；設(shè)計(jì)變量發(fā)動(dòng)機(jī)底部支撐件厚度(T)與膝部剪切位移呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系。從結(jié)果來看設(shè)計(jì)變量吸能泡沫密度(RO)對小腿傷害的影響不大。