头部受汽车仪表板撞击损伤的模拟

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三 维 线 性 粘 弹 性 体 正 应 力 !"##和 剪 应 力 !"%$&经 对 时间的拉氏变换得
式中
5!"##’()*+#","##’()* .-’’(()),"##’() 4 6!"%$&’()*/0"1"%$&’()* 32’’(()),"%&’() #"70"88 粘弹常数 ,"##’()71"%$&’()88 正应变和剪应变
b ] ^] ^ c U*UVWX
YZ[
\ +
X/ _
‘‘aZVW YZ
[
X‘YX + ‘Z
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Leabharlann Baidu
YX
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每 个 节 点 含 有 g个 自 由 度 UV7dV7aV7YZ7Ye7YXA
图 + 硬质仪表板尺寸参数 B>CD+ 2>I;?O>J?H<-HRHI;P;RJLGJR?>?;OO
>?P;?;RHP;-H?;<
从仿真结果可以看出S ’@)撞击仪表 板 中 部 和 曲 率 较 大 部 位 时 的 ,1k 值比撞击仪表板边缘和靠近支承处及曲率较大的部 位时的 ,1k值小3头部质量大9,1k值反而小A ’/)曲面造型 比 箱 型 仪 表 板 造 成 的 撞 击 损 伤 小 ’主 要 表 现 在 中 部 位 置 )A
图 9 儿童头部与箱型硬质仪表板的撞击结果 "#$%9 4+5&6(0(15)’1+-6.#),0(&.(/,/&, 7+8*+,()#&’(&(0/’(2/&()
图 < 儿童头部与曲面造型硬质仪表板的撞击结果 "#$%< 4+5&6(0(15)’1+-6.#),0(&.(/,/&,650;(
*+,()#&’(&(0/’(2/&()
其中 UV7dV7aV分别表示板中面的位移9YZ7Ye 表示中
面法线沿 Z7e方向的转角9而 YX表示法线方向的变
形 梯 度 9_为 厚 度 9X为 坐 标 变 量 A 可 以 看 出 9该 位 移
模型满足位移连续和层间剪应力连续A
h 头部模型参数
依据欧洲车辆安 全 促 进 委 员 会 iijk lm@V 的 规 定9将头部简 化 为 粘 结 在 一 起 的 刚 性 材 料 本 体 和 乙 烯基非线性 非 弹 性 材 料 蒙 皮 的 实 体 模 型9两 者 没有相对滑动A具体参数见表 @A
厚度 O**
弹性模量 OGS/
泊松 比i
密度 j OK$k *l >
表皮 骨架 填充物
SHB m4I Sn
DN! >ND 9N9
J!DD >!DD JND
DN>3 DN>3 DNDC
C>3D CDD:
C!D
图 : 成人头部与曲面造型硬质仪表板的撞击结果 "#$%: 4+5&6(0(15)’1+-/,5)’1.(/,/&,
锤 头 模 型 质 量 为 9N<K$M弹 性 模 量 为 :DRS/M 泊松比为 DN>3M密度为 J<PCK$O*>M直径 C93**E
表 T 软质仪表板模型的参数=第 U组? VWX%T YZ[\]^W_W‘\a\_bZcdea\e\_Wa\c]\fdX]\
^We\]=cd_bag_Zh^?
结构 材料
=>?此类硬质 仪 表 板 的 撞 击 损 伤 远 远 超 过 头 部 损伤极限=@AB值 CDDD?E
F 软质仪表板吸能特性试验
吸 能 试 验 简 化 为 "GHIIJDC中 相 应 法 规 采 用 的方法E即使用质量 C9<K$L半径 C93** 的刚性锤 头对试验构件进 行 碰 撞M锤 头 速 度 方 向 为 撞 击 接 触 面的法向M大小为 J!NCK*O.M计算锤头质心处的加 速 度 时 间 历 程E有 限 元 模 型 及 仪 表 板 尺 寸 参 数 如 图 PM图 CDQC!给出了依据表 J的材料参数并改变 某一参数的软质 仪 表 板 的 试 验 结 果M以 锤 头 质 心 加 速度时间历程表示E
可以看出M影 响 撞 击 物 质 心 加 速 度 最 主 要 的 材 料 因 素 是 骨 架 的 厚 度 和 弹 性 模 量 M因 此 M在 下 面 的 分
第 <期
赵立军 等o头部受汽车仪表板撞击损伤的模拟
;C
析中着重研究软质仪表板的骨架材料及厚度和结构 对撞击结果的影响!
图 "# 不同表皮厚度的软质仪表板撞击结果 $%&’"# ()*+,-*./0%//)1)2--3%452)**/,)6%7,)
^WZ66 加 速 度 向 量 ^=在 接 触 体 内 一 点 的 第 Z
个要素(^WZ1 7_!Z>7^!
收稿日期*!""$ ". !#
赵立军 万哈方尔数滨工据业大学汽车工程学院
赵桂范 哈尔滨工业大学汽车工程学院
讲师(!%,!"’ 山东省威海市 副教授
第 +期
赵立军 等S头部受汽车仪表板撞击损伤的模拟
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^时 刻 两 个 区 域 /和 /的 边 界 条 件(用 ^/) 和 ^/! 分 别表示两物体体积)
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在 任 意 时 刻 ^(每 个 接 触 体 的 边 界 条 件 可 以 定
义为
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HCB8E7j8
klm nMTopLqrpLnLsstOruoMnOvQtLorLRuLRLtwxroKrrRrqywzL{nMqsoOMR|KLqL|orqOnoO|nMT oKrsLRrtLRu oKruwRLvO|qrnsMRnrMTKQvLR KrLu LTorq|qLnKORy MR LsLRrt}~KrrTTr|onMT ORTtQrR|ORyTL|oMqnMR|qLnKORyqrnQtonMTKQvLRKrLuprqrM{oLORruLRuLnLTrqTqLvrMTsLRrt pLnur!rtMsruORL||MquLR|rpOoKoKrnr|QqOowqr"QOqrvrRonuQqORyL|qLnK}
’+)
-’()7.’()72’()73’()88 线 性 微 分 运 算 算
子
采用四参数模型9并采用 :;<=>?模 型 来 模 拟 材 料的粘弹性行为9其机械模型见图 @A
头部建模时 采 用 实 体 单 元9采 用 经 纬 式 单 元 划 分 方 法 9使 节 点 分 布 更 加 符 合 力 的 传 递 和 分 布 规 律 A 经过网格划分9头部模型有 g+\g个节点A图 /给出 了本文使用的头部撞击模型9根据 iijk头部模型 的 有 效 性 检 测 试 验9头 部 模 型 从 +*gII 的 高 度 自 由下落撞击钢制平面9仿真结果如图 /所示9其加速 度 峰 值 介 于 法 规 规 定 的 //fV+ /*fVI"O/A
表 n 头部模型的参数 opqDn rpstuvpwxpupytstuz{|}tp~y{~tw
结构
弹性模量 !"E#H
蒙皮
@/
本体’成人) *VVVV
万方数据
本体’儿童) *VVVV
泊松比 $
V(+f V(+f V(+f
密度
尺寸
%"&C’I[+ "II
)+V *(f’厚度) /fg+ *f’半径) /)+/ f*(f’半径)
的 头 部 在 碰 撞 中 的 机 械 响 应 特 性 对 于 减 少 损 伤 具 有 重 要 的 意 义 )应 用 有 限 元 软 件 对 常 见 仪 表 板 的 吸 能 特 性 和 头 部
撞 击 仪 表 板 后 的 动 态 响 应 进 行 了 仿 真 分 析(得 到 了 各 因 素 对 撞 击 结 果 的 影 响 规 律(并 设 计 了 符 合 头 部 碰 撞 安 全 性
图 @ 头部的粘弹行为机械模型 B>CD@ E;FGH?>FH<IJK;<JLGMIH?G;HKNO
=>OFJ;<HOP>FQ;GH=>JR
高 阶 位 移 模 型S采 用 如 下 位 移 模 型 来 建 立 头 部
和 汽 车仪表板的 T节 点 等 参 板 单 元 的 有 限 元 模 型A
该位移模型满足位移连续和层间剪应力连续A
根据法规 BEj00/V@9头部模 型 以 撞 击 表 面 法 线上 /\(@&I"G的速度与仪表板正面碰撞A仪表板 断 面 造 型 选 用 常 见 的 箱 型 ’过 渡 圆 角 半 径 fVII)和 三次样条曲线两种9尺寸参数及有限元模型如图 +7 图 \所示A图 f+T给出了头部与不同的硬质仪表板 的 撞击结果’,1k为头部 伤 害 指 数 )9以 头 部 质 心 加 速度时间历程表示A
#=DG9E>B 1QoMvM{Otr($RnoqQvrRosLRrt($vsL|ouLvLyr(%OvQtLoOMR(&wRLvO|qrnsMRnr
引言
在 汽 车 安 全 事 故 中(头 部 是 受 到 伤 害 最 多 的 部 位 之 一 ()* $+)汽 车 在 正 面 碰 撞 和 紧 急 制 动 时 (容 易 造 成 乘 员头部和汽 车 仪 表 板 的 碰 撞(开 发 安 全 的 驾 驶 室 内饰组件(研 究 人 的 头 部 在 碰 撞 中 的 机 械 响 应 特 性以及碰撞实验用的人体替代物具有重要的意
%2-)2)18-)982),
图 "" 不同填充物弹性模量的软质仪表板撞击结果 $%&’"" ()*+,-*./0%//)1)2-),8*-%4:.0),/.8:*./
/,)6%7,)%2-)2)18-)982),
图 "> 不同骨架厚度的软质仪表板撞击结果 $%&’"> ()*+,-*./0%//)1)2--3%452)**/18:)=.15*
万方6数50;据(*+,()#&’(&(0/’(2/&()
图 P 锤头和软质仪表板有限元模型及 仪表板尺寸参数
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农业机械学报
第 $%卷 第 $期
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头部受汽车仪表板撞击损伤的模拟
赵立军 赵桂范
&摘 要’ 在 没 有 普 及 汽 车 安 全 气 囊 及 规 定 乘 员 系 安 全 带 的 国 家 和 地 区(开 发 安 全 的 驾 驶 室 内 饰 组 件(研 究 人
义 ) (,+ 本文针对目前最为常用的硬质,软质仪表板( 应用 有 限元软件 对 其 吸 能 特 性 进 行 仿 真 计 算(对 头 颅 与 仪表板的撞 击 响 应 进 行 仿 真 分 析(并 对 计 算 结 果进行比较和研究)
- 数学模型
假 设 两 个 物 体 发 生 碰 撞 ) 用 ^.) 和 ^.! 分 别 表 示
式中 ^.[366 位移的边界条件
^.[466 边界载荷的边界条件
^.[566 发生接触处的边界条件
在 ("(c+的 时 间 区 域 内(系 统 的 接 触 状 态 主 要
由 $组方程控制)
运动方程
式中
77^8^:99Z/ ^YZ1 ^;^WZ
U!i
89Z66 柯西应力 :966 运动变量
^YZ66 接触体压力向量^<的第 Z个要素
的仪表板结构)
关键词*汽车 仪表板 撞击损伤 模拟 动态响应
中图分类号*+,%$-.$/ 0
文 献 标 识 码 *1
234567839:9;<547:<=7>?747@=A75B=>CDAE7BFC=8G==: <=7>7:>H58949C36=I7:=6
JKLMNOPQR JKLMSQOTLR UVWXYZ[\[]^Z^_^‘abc‘de[afaghi
J!
农业机械学报
JDD3年
图 ! 头部与硬质仪表板的有限元模型 "#$%! "#&#’(()(*(&’*+,()+-.(/,/&,
.+0&#&(11#&’(&(0/’(2/&()
图 3 成人头部与箱型硬质仪表板的撞击结果 "#$%3 4+5&6(0(15)’1+-/,5)’1.(/,/&,7+8
*+,()#&’(&(0/’(2/&()
图 / 头部撞击模型和仿真试验结果 B>CD/ ,;HK>I-HFPIJK;<H?KBiE P;OPR;OM<PO
’H)头部撞击模型 ’Q)仿真试验结果
. 头部与硬质仪表板撞击损伤分析
硬质仪表板的材料密度 %为@VV*&C"I+9弹 性 模 量 !为 /(\m#H9剪 切 模 量 /为 @VVE#H9泊 松 比 $为 V(+fA