人车相撞头部伤害影响因素仿真分析及试验

2007年(第29卷)第10期

汽　车　工　程Aut omotive Engineering

2007(Vol .29)No .10

2007194

人车相撞头部伤害影响因素仿真分析及试验

原稿收到日期为2006年7月20日,修改稿收到日期为2006年11月7日。

葛如海,王岐燕,陈晓东,韩　兵

(江苏大学汽车与交通学院,镇江　212013)

[摘要]　在汽车与行人碰撞事故中,行人头部伤害是造成行人重伤或死亡的主要原因。采用有限元三维实体

建模技术,建立了发动机罩和包括头皮、头骨两层球体结构的行人头部有限元模型,分析了头部与发动机罩的瞬态大变形非线性撞击响应,得到了头部与发动机罩相撞时的速度、位置及头部质量、发动机罩的厚度、摩擦因数等因素对头部伤害的影响规律,并对铝质与钢质发动机罩作了比较,结果表明铝质发动机罩对行人头部具有更好的保护效果。

关键词:发动机罩;行人头部;碰撞;有限元分析

Si m ulati on Analysis and Test on I nfluencing Fact ors of

Head Injuries in Car 2pedestrian Accidents

Ge Ruha i ,W ang Q i yan,Chen X i a odong &Han B i n g

School of A uto m obile and Traffic Engineering,J iangsu U niversity,Zhenjiang 212013

[Abstract]　By adop ting 32D finite ele ment modeling technol ogy,finite ele ment models for engine hood and hu man head with t w o 2layer s pherical shell structure f or scal p and skull are established .Nonlinear res ponses t o in 2stantaneous large def or mati on of pedestrian head and engine hood are analyzed,and the influence rule of the i m pact vel ocity and positi on,head mass,the thickness of engine hood and fricti on coefficient on head injury are obtained .Besides,steel and alu m inu m as the material of engine hood are compared,and it comes out that alum inum hood has better p r otecti on effect for pedestrian head .

Keywords:Eng i n e hood;Pedestr i a n head;Collisi on;F i n ite ele m en t ana lysis

前言

随着汽车碰撞安全性研究工作的不断深入,汽车安全结构及安全装置如安全带、安全气囊等已经在汽车上得到了广泛使用。这些安全结构和装置对车内乘员起到了明显的保护作用,使得在汽车与汽车的碰撞事故中的乘员伤亡率大大降低。然而,汽车对行人及其它车外人员造成的伤害仍然很严重。

从行人伤害部位来看,头部和下肢最容易受到伤害

[1]

,下肢的伤害多数引起行人的伤残,它不会

直接导致死亡,而头部伤害导致行人死亡的概率高达64%

[2]

,所以头部伤害是造成行人死亡的主要原

因,因此开展行人头部与汽车碰撞的研究具有重要的意义。文中采用三维有限元法,研究人的头部与

发动机罩相撞时的动态响应问题。

1　仿真分析模型的建立以及试验验证

111　发动机罩模型

研究所用发动机罩采用冷轧低碳钢DC04钢板,主要由内板、外板、内外板支架等组成。仿真所建发动机罩模型外板厚度为018mm ,内板厚度为017mm ,支架厚度为1120mm 。发动机罩的内外板通

过压边的方式连接在一起,内板和外板的胶结部分用刚性单元来模拟。支架和内板之间通过点焊连接,共有7个焊点,焊点用刚性单元来模拟。采用Hyper mesh 软件将其划分壳单元网格,有限元模型

见图1,全部模型共有23178个节点和23272个单元。

2007(Vol .29)No .10葛如海,等:人车相撞头部伤害影响因素仿真分析及试验・839　・

图1　发动机罩有限元网格图

112　头部模型的建立

图2　头部有限元网格图根据EEVC /W G17所

规定的头部模型(以下简称头模)试验条件,建立一个带有皮肤的成人头模头部(图2)。模型为头皮和头骨两层的球体模型,质

量为418kg 。外球直径为

法规规定的165mm ,厚度为5mm 。设定头皮为均匀的、各向同性黏弹性材料,头骨为刚性材料。

表1为头模和发动机罩的材料参数。

表1　头模和发动机罩的材料参数

材料描述杨氏模量/MPa

泊松比

质量密度/kg ・m -3

头皮341501401176发动机罩

210000

0130

7800

图3　发动机罩碰撞区域的标记[3]113　发动机罩碰撞区域标识

按照欧洲轿车评价程序,对发动机罩进行标记,

如图3所示。以A2C 为例,字母A 表示成人头模碰撞区,数字2表示在成人头模碰撞区的第2个1/6份;字母C 是成人头模碰撞区的第2个1/6份的碰撞区C 。研究所用发动机罩仅存在成人头模碰撞区中的C 、D 两区以及儿童头模碰撞区,成人头模碰撞

区的A 、B 两区落在挡风玻璃上。

114　仿真模型的试验验证

试验前先按照欧洲轿车评价程序将发动机罩进行碰撞区域的划分。采用三点简支的边界条件来固定发动机罩,不计发动机罩橡胶密封条的作用。试验在跌落塔试验台上进行,因受跌落塔装置试验条件限制,仅在A2C 、A3C 、C2B 、C2D 4个区域选择冲击点进行试验,而且跌落塔装置发送头模撞击发动机罩的速度也受到限制,依次为1319、1410、810、1814k m /h,碰撞角度均为65°。将发动机罩和头模的有限元模型导入LS 2DY NA 进行碰撞仿真分析,仿真时的条件与试验条件一致。发动机罩内板后部为左右双铰链固定,前部中间使用锁销固定。将发动机罩有限元模型按照实车安装情况施加约束条件,即约束其后部与铰链相连的左右4个螺栓孔的全部自由度和前部锁孔除绕x 轴转动以外的所有自由度。

表2为4个碰撞区试验结果与仿真结果的比较,A3C 区的碰撞试验与仿真达到峰值所用的时间误差较大,是因为距离A2C 区近而受其影响。因篇幅有限,仅给出一个碰撞区内的加速度历程曲线,图4为在A2C 区碰撞时试验和仿真得到的头部撞击点的加速度曲线。可见有限元仿真的加速度最大值及

表2　试验结果与仿真结果的比较

碰撞位置

碰撞速度/

km ・h -1

加速度峰值

峰值时间

成人碰撞区A2C 区

1319

试验值

31g 16m s 仿真值2915g 1515m s 误差418%311%成人碰撞区

A3C 区

1410试验值

2815g 20m s 仿真值31g 16m s 误差817%20%儿童碰撞区C2B 区

810试验值

2111g 19m s 仿真值2219g 17m s 误差318%1015%儿童碰撞区C2D 区

1814试验值

3617g 1918m s 仿真值3616g 17m s 误差

013%

14%

图4　头部撞击试验和有限元方法的对比