基于HyperStudy行人与车辆碰撞腿部伤害分析

摘要：本文利用Altair公司HyperStudy软件对某车型小腿伤害值的关键参数进行研究。结果表明：发动机底部支撑件厚度对胫骨加速度影响较大；膝部弯曲角随着发动机底部支撑件厚度与小腿底部离地高度的增加而降低；发动机底部支撑件厚度与小腿底部离地高度相互作用对膝部剪切位移影响较大。
关键词：汽车安全 行人保护 小腿碰撞 HyperStudy 实验设计

1 引言

近年来与行人有关的人车碰撞安全问题，已经成为车辆安全性能开发的热点[1]。据日本调查统计，在非致命的汽车与行人碰撞交通事故中，下肢损伤占40%[2]。为了降低行人腿部所受的伤害通常在车辆前端增加防护结构吸收行人腿部的碰撞能量，来减轻行人腿部所受伤害。腿部防护结构的材料、厚度及相对与小腿模型的碰撞位置关系均对行人小腿伤害产生影响。因此本文利用HyperStudy软件对影响小腿伤害值的关键参数进行DOE实验设计，通过分析找出主要影响参数进而进行设计改进。

2 Study模型建立

本文首先利用Altair公司HyperMesh软件进行行人与车辆有限元仿真模型搭建，如图1所示。建模时仅考虑前端结构对小腿碰撞的影响，基本网格尺寸控制在5mm×5mm[3]。

图1 行人小腿碰撞有限元模型

将搭建好的有限元模型导出.K文件格式并利用LS-DYNA求解器进行计算。因此在HyperStudy中需要配置LS-DYNA求解器执行脚本，并设置求解器输入相关要求，包括存储路径、CPU个数设置、运算内存设置。

2.1 设计变量定义

腿部防护结构通常由前横梁吸能泡沫和安装在发动机底部护板上方的塑料支撑件组成，吸能泡沫压缩刚度及支撑件的X向刚度的设计尤为重要。另外小腿碰撞模型与车辆前端第一接触时刻，小腿底部离地面间隙也会对小腿伤害产生一定影响。如图2所示，黄色部分为小腿冲击模块、绿色部分为缓冲块泡沫、蓝色部分为下支撑件。

图2 腿部防护结构示意图

因此考虑以上因素，选取DOE设计变量为小腿底部离地面间隙H、吸能泡沫密度RO、发动机底部支撑件厚度T。设计变量及其水平见表1所示。

表1 设计变量及其水平

2.2 响应定义

本次实验分析的目的就是为了降低行人小腿伤害值，系统的输出（响应）是行人小腿伤害值即胫骨加速度(X-ACC)、膝部弯曲角(BENDING)、膝部剪切位移(SHEARING)。HYPERSTUDY中定义的响应表达式见表2所示。

表2 响应表达式

3 DOE分析

3.1 DOE模型建立

DOE控制方法采用完全因子实验法，它通过对所有变量的所有水平进行组合来设计实验[4]。

本例中设计变量采用3个水平等级，在实验安排后，共产生27组计算文件，图3为变量的3D散点图示，其中Z轴代表变量H值，X、Y轴分别代表RO和T值。

图3 变量H运行的3D矩阵图示

3.2 DOE结果分析

计算后行人小腿伤害值结果蛇形图如图4所示。

图4 行人小腿伤害值蛇形图

3.2.1线性相关性

根据HyperStudy计算结果，设计变量及响应的线性相关性如图5所示。由图中可知，设计变量发动机底部支撑件厚度(T)与胫骨加速度值(X-ACC)相关性较高，达到0.92，说明T的变化会显著影响到X-ACC的变化；设计变量发动机底部支撑件厚度(T)、小腿离地高度(H)与膝部弯曲角(BENDING)呈负相关关系，说明T与H的增加会导致BENDING值的降低；设计变量发动机底部支撑件厚度(T)与膝部剪切位移呈一定负相关关系。从结果来看设计变量吸能泡沫密度(RO)对小腿伤害的影响不大。

图5 线性相关性示意图

3.2.2 主效应及相互作用

参数的主效应指一个参数的水平改变时所引起的响应平均值的变化的大小。主效应的绝对值越大则表明这个参数对响应的影响就越大。如果一个参数的主效应受到另外参数所取水平的影响，就说明这些参数之间存在相互作用。相互作用的绝对值越大，则有关参数之间的影响就越大[5]。

表3 参数的主效应及相互作用

由表3可以看出，设计变量T对X-ACC影响最大，设计变量H及T对BENDING值影响较大，H×T相互作用时对SHEARING值影响最大，RO对响应影响不大。图6～8为设计变量为H和T时响应面图，由图6～8可知胫骨加速度值及膝部剪切位移值响应的变化趋势(法规要求X-ACC不超过170g、BENDING不超过19°、SHEARING不超过6mm)[6]，结合以上分析T及H取高水平对该车型行人保护小腿碰撞开发较为有利。

图6 X-ACC响应面图

图7 BENDING响应面图

图8 SHEARING响应面图

根据上述分析结果，最终在行人保护开发时进行以下改进，由于前横梁缓冲块泡沫对结果影响不大，因此不改变RO值。通过调整车辆行驶高度提高H值，并通过改变发动机底部支撑件厚度T来提高下支撑刚度。

4 结论

本文利用HyperStudy软件进行DOE实验设计分析了影响小腿碰撞伤害值的关键参数，得出以下结论：

(1) 发动机底部支撑件厚度与胫骨加速度值相关性较高，对其影响较大。
(2) 发动机底部支撑件厚度、小腿离地高度与膝部弯曲角有负线性相关关系。
(3) HyperStudy软件在行人保护安全性能开发中应用提高了开发效率，为今后开发提供参考。

5 参考文献

[1] 张金换,杜汇良,马春生等.汽车碰撞安全性设计[M].北京:清华大学出版社,2010:279-283.
[2] ITARDA. Annual Traffic Accident Report in 2010 [J]. Institute for Traffic Accident Research and Date Analysis of Japan, 2010.
[3] 胡远志,曾必强,谢书港.基于LS-DYNA和Hyperworks的汽车安全仿真与分析[M].北京:清华大学出版社,2011:1-10.
[4] Altair Engineering, Inc. Hyperstudy user's guide [R]. Altair Engineering, Inc, 2011.
[5] 王霄锋.汽车可靠性工程基础. [M]北京：清华大学出版社，2007:274~291.
[6] Regulation (EC) No78/2009 of the European Parliament and of the Council of 14 January 2009.on the type-approval of motor vehicles with regard to the protection of pedestrians and other vulnerable road users[J]. Official Journal of the European unio, 2009, 4(2):1-35.