（光学工程专业论文）人车碰撞中的行人大腿保护研究.pdf

歹 $，ri；。p f净。f 学位论文版权使用授权书 | l i l ll li ll l li l lui iii ii 18 9 4 2 8 5 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：亩f 卫孝 如f 年6 月f 弓日 指导教师签名： 扫“年6 月f 7 日 冉一f “ 人车碰撞中的行人大腿保护研究 r e s e a r c ho f u p p e rl e gp r o t e c t i o ni n v e h i c l e p e d e s t r i a nc o l l i s i o n s 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 伴随着人们生活水平的不断提高，越来越多的家庭步入了汽车时代，汽车给人们 带来方便的同时，也产生了很多社会问题，其中以交通事故最为严重。交通事故不 仅给社会造成巨大的经济损失，还夺取了许多人的生命。行人作为道路交通使用者 中的弱势群体，往往是交通事故中的最严重受害者，因此，研究对行人的保护措施 方法具有极其重要的意义。 大部分行人保护的研究内容都集中在对行人头部和小腿保护的研究，对行人大 腿的研究相对较少。本文以提高某车型的行人大腿保护性能为目标，通过实车试验 与有限元仿真相结合，研究保护行人大腿的方法。主要研究内容如下： 第一，介绍了相关行人的汽车交通事故现状，以及当今主要的行人保护法规和评 价体系，重点介绍了e u r on c a p 评价体系对行人大腿保护性能的评价方法，提取了与 行人大腿保护密切相关的汽车前端结构参数。 第二，运用h y p e r m e s h 软件建立了研究车型的有限元模型，为了提高建模的 准确性，对关键部件进行材料力学性能试验，提取应力应变曲线。按照e u r on c a p 评价体系，对某车型进行实车行人大腿碰撞实验，将实验结果与仿真结果比较，验 证所建仿真模型的准确性。 第三，对某车型的前大灯结构进行改进，改进后进行实车验证，证明了改进的 有效性。其中对大灯支架改进后进行实车试验对比发现：大腿冲击器受到的最大弯 矩降低了3 0 ，所受合力也降低了2 2 3 ，改善效果很明显。 第四，对某车型的水箱上横梁的安装位置进行改进，运用已验证的仿真模型分 析改进的结果。 第五，将传统的乘员用安全气囊运用到行人大腿保护中去，建立了带有安全气 囊的发动机罩有限元模型。经过仿真计算，得出发动机罩安全气囊能很好的保护行 人大腿，还研究了发动机罩安全气囊泄气口面积参数对大腿保护性能的影响。 关键词：行人保护，大腿，有限元法，结构改进，安全气囊 人车碰撞中的行人大腿保护研究 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s ，m o r ea n dm o r ef a m i l i e s p o s s e s st h e i ro w nc a r , c a rb r i n g sn o to n l yc o n v e n i e n c et op e o p l e ，b u ta l s om a k e sm a n y s o c i a lp r o b l e m s ，o fw h i c ht h em o s ts e r i o u si st r a f f i ca c c i d e n t t r a f f i ca c c i d e n t sn o to n l y c a u s eh u g ee c o n o m i cl o s s , b u ta l s oc a p t u r em a n yp e o p l e sl i v e s a st h ev u l n e r a b l er o a d u s e r s ，p e d e s t r i a ni s o f t e nt h ew o r s tv i c t i m so ft r a f f i ca c c i d e n t ，t h e r e f o r e ，t h es t u d yo f p r o t e c t i o np e d e s t r i a ni sg r e a ti m p o r t a n t m o s tp e d e s t r i a np r o t e c t i o nr e s e a r c hi sf o c u s e do nt h ep e d e s t r i a n sh e a da n dl o w e r l e g ，b u tt h er e s e a r c ho fu p p e rl e gi sr e l a t i v e l ys m a l l i nt h ea i mo fi m p r o v i n gt h ep r o t e c t i o n p e r f o r m a n c eo fp e d e s t r i a n su p p e rl e g ，t h r o u g ht h er e a lv e h i c l et e s ta n dt h ef i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h em e t h o d so fu p p e rl e gp r o t e c t i o na r er e s e a r c h e d t h em a i nc o n t e n t s a r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h ec u r r e n ts i t u a t i o nr e l a t e dt op e d e s t r i a n - c a ra c c i d e n ta n dm a i np e d e s t r i a n p r o t e c t i o nr e g u l a t i o n sa n de v a l u a t i o ns y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ee v a l u a t i o nm e t h o do f u p p e rl e gp r o t e c t i o np e r f o r m a n c ei ne u r on c a p i si n t r o d u c e dm a i n l y , a n dt h er e l a t i v e f r o n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ee x t r a c t e d s e c o n d ，u s i n gh y p e r m e s h s o f t w a r et oe s t a b l i s ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h e r e s e a r c hc a rm o d e l i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h ek e y c o m p o n e n t sd om e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s to fm a t e r i a l s ，e x t r a c t i n gs t r e s s s t r a i nc u r v e s i n a c c o r d a n c e 谢t l le u r on c a p ，au p p e rl e gc r a s ht e s t 、j l ，i t l lr e a lc a ri sd o n e ，a n dt h e nt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h er e l a t i v es i m u l a t i o nr e s u l t s a tl a s t ，t h e a c c u r a c yo ft h ef e m o d e li sv e r i f i e d t h i r d ，t h es t r u c t u r eo fh e a d l i g h tw a sm o d i f i e da n dt e s t e db yr e a li m p a c tt e s t ，a n dt h e t e s tr e s u l tw a sg o o d f o u r t h ，t h ei n s t a l l a t i o nl o c a t i o no ff e mw a sc h a n g e di no r d e rt om a k em o r ef r e e s p a c e ，t h e nu s i n gf em o d e l w h i c hh a db e e nv e d f i e dt os i m u l a t et h i sc a s g f i f t h ，a i rb a gw a su s e dt op r o t e c tu p p e rl e go fp e d e s t d a n ，a n daf em o d e lc o n t a i n e d w i ma i rb a gw a sb u i l t t h ep r o t e c t i o np e r f o r m a n c eo fu p p e rl e gw a sv e r yg o o db y s i m u l a t i o n t h ee x h a u s ta r e ao fa i rb a gw a sc h a n g e di no r d e rt or e s e a r c hw h e t h e rt h e r ei s r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m k e yw o r d ：p e d e s t r i a np r o t e c t i o n ，u p p e rl e g ，f e a , r e d e s i g no fs t r u c t u r e ，a i rb a g 江苏大学硕士学位论文 第1 章引言 目录 l 1 1 研究背景1 1 1 1 交通事故现状。1 1 1 2 行人保护法规及评价体系2 1 1 3e u r on c a p 中行人大腿评价方法3 1 2 行人保护主要研究内容与方法。5 1 3 行人大腿保护研究进展。6 1 4 本文研究内容。7 1 5 本章小结8 第二章l s d y n a 软件简介 9 2 1l s d 呵a 理论基础9 2 1 1l s d y n a 软件的概述。9 2 1 2l s d y n a 的控制理论9 2 1 3l s d y n a 的薄壳单元1 1 2 1 4l s d y n a 的材料模型。1 4 2 1 5l s d y n a 的碰撞算法。1 6 2 1 6l s d y n a 的时间步长1 7 2 1 7l s d y n a 的沙漏控制1 7 2 1 8l s d y n a 的重启动1 8 2 2 本章小结1 8 第三章行人保护仿真模型建立 3 1 有限元模型的建立1 9 3 1 1 建模流程1 9 3 1 2 零件的网格划分。1 9 3 2 材料参数的确定。2 3 3 2 1 保险杠蒙皮材料2 4 3 2 2 进气格栅材料试验2 4 3 2 3 前大灯镜面材料试验2 5 3 2 4 前大灯箱体材料试验2 5 3 2 5 发动机罩材料试验2 6 人车碰撞中的行人大腿保护研究 3 2 6 翼子板材料试验2 6 3 3 模型的连接与边界设定2 7 3 4 仿真模型的验证2 9 3 5 本章小结3 1 第四章行人大腿保护的结构研究 3 2 4 1 前大灯结构改进。3 2 4 2 水箱上横梁结构改进3 5 4 3 行人大腿保护的实车结构改进3 7 4 4 本章小结3 9 第5 章发动机罩安全气囊 5 1 发动机罩安全气囊的建模4 0 5 2 发动机罩安全气囊泄气口面积研究4 2 5 3 本章小结4 7 第六章结论与展望 6 1 结论4 8 6 2 展望4 9 致谢 参考文献 硕士期间发表的论文 5 0 5 1 5 4 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 行人保护碰撞问题的研究开始于2 0 世纪7 0 年代，在过去的4 0 年时间里，全世 界的研究人员在如何保护行人安全方面展开了大量且有成效的研究，为改善行人这 一交通弱势群体的安全状况做出了突出贡献n 儿2 3 儿钔眵3 。随着行人保护法规及评价体系 要求的不断提高，传统的被动安全措施已越来越不能满足。主动安全的行人保护就 应运而生，其中以汽车预碰撞安全系统为代表。 在行人保护研究中，大部分都集中在研究行人头部和小腿的保护方面，而关于 行人大腿和骨盆保护研究的却较少，是行人保护研究领域的薄弱环节。本文旨在综 合应运被动安全和主动安全的措施，改善研究车型的行人大腿碰撞保护性能。 1 1 1 交通事故现状 在当今世界交通事故已经成为一个很严重的社会问题，每一起交通事故往往造 成两个以上家庭都受到伤害，每年都有数以十万计的人死于交通事故，由此造成的 经济损失也高达数十亿美元嘲口儿引。，图1 - i 展示了2 0 0 5 年全球主要国家和地区的交 通事故死亡人数及其行人死亡所占比例，在欧美发达国家，虽然交通事故死亡人数 不尽相同，但是行人死亡人数所占比例都在1 0 一2 0 之间，而以日本韩国为代表的 亚洲国家，其行人死亡人数所占比例超过3 0 嘲。 图卜i2 0 0 5 年全球主要国家和地区的交通死亡人数以及行人死亡比例统计 f i g1 - 1t h en u m b e ro ft r a f i s cd e a t h sa n dt h ep r o p o r t i o no fp e d e s t r i a nd e a t h ss t s t i s t i c si n2 0 0 5 中国虽然只有约8 的全球汽车保有量，却造成了全球1 6 的交通事故死亡人数 n 们n 1 j 。如图1 2 所示，随着国内汽车保有量的成倍增长，国内的交通事故伤亡人数依 然居高不下，死亡人数始终维持在1 0 万年左右，其中行人的死亡人数所占比例虽 然相对较低，但是其数量远高于其他国家( 见图1 3 ) 。造成国内行人伤亡人数巨大的 人车碰撞中的行人大腿保护研究 主要原因有交通状况复杂，交通设施亟待改善，交通安全意识淡薄等，这是一个极 其复杂而浩大的社会工程。 + 汽车保有量+ 死亡人敦+ 受伤人敦 死亡，受伤人数x1 ，0 0 0 汽车保有量x1 0 ，0 0 0 图1 - 22 0 0 1 - 2 0 0 7 年中国汽车保有量和交通事故伤亡人数统计 f i g1 2s t a t i s t i t so fc a ro w n e r s h i pi nc h i n aa n dt h en u m b e ro fc a s u a l t i e si n2 0 0 1 2 0 0 7 骑车人 ( 自行车，摩托车 4 7 行人鼍笋 乘用车驾驶员 行人 3 乘用车驾驶员 1 6 2 4 乘用车乘员 6 车司机 4 图1 - 32 0 0 6 年中国交通事故死亡者类型统计 f i g1 3d i f f e r e n tt y p e so ft r a f f i cd e a t h si n2 0 0 6 1 1 2 行人保护法规及评价体系 为了更好的保护行人的安全，全球的各个主要国家都制定了相关的行人保护法 规和评价体系n 2 3 m 4 m5 l ，并且不断的完善。 在众多的行人保护评价体系中，以e u r or 4 c a p ( 欧洲新车评价体系) 最为严格，对 行人保护也最为重视。旧的e u r on c a p 中乘员保护、儿童保护和行人保护等都是遵 循独立打分和分别评价原则，而新版e u r on c a p 遵循独立打分和综合评价，且增加 了主动安全技术的评价，如图卜4 所示。 i 渊澎驵p 2 图1 - 4 新版e u r on c a p f i g1 - 4 n e we u r on c a p 枷 姗 枷 枷 瑚 啪 。 江苏大学硕士学位论文 中国行人保护法规有望在2 0 1 3 年正式实施，届时所有在国内销售的新车型都须 满足这一强制性的技术法规，这会很大程度地改善国内道路交通中行人的安全状况。 同时，行人保护法规的实施也大大推动了汽车厂商和科研机构对行人碰撞保护的研 究，为改善行人保护提供了技术基础。 1 1 3e u r on c a p 中行人大腿评价方法 现行的行人保护法规和评价体系中，e u r on c a p 评价体系是最全面和最严格的。 创始于1 9 9 7 年的e u r on c a p 碰撞测试是欧洲新车安全评鉴协会主导的一项车辆测试 试验。e u r on c a p 是以消费者的角度，针对汽车的安全性进行评审，并将其所获得的车 辆评审报告公布于众，供消费者作为购车的参考依据n 引。 e u r on c a p 大碰撞试验中用标准大腿冲击器代替行人大腿，以冲击器受到的最大 弯矩m 和合力f 作为伤害评价指标。试验步骤如下： 1 ) 确定发动机罩前沿基准线，并在基准线上选取碰撞点a ( 图1 - 5 ) 。 2 ) 测量a 点的保险杠前缘( b l ) 和发动机罩前沿高度( b l e h ) 。 3 ) 由b l ( 保险杠前缘) 和b l e h ( 发动机罩前沿高度) 的大小从图1 - 6 ，1 - 7 ，1 - 8 中选定碰撞试验的能量e 、撞击角度q 和撞击速度v 。 4 ) 根据实验中大腿冲击器所受的最大弯矩m 和合力f ，计算该碰撞点的得分( 满 分为2 分) 。 撞击方向 图卜5 碰撞点的选取n 5 1 f i g1 5 t h es e l e c t i o no fc o l l is i o np o i n t 3 人车碰撞中的行人大腿保护研究 4 1 8 0 0 o o o o 1 2 0 0 o o o o o o 4 0 0 2 o ， 一 - 1 - - 卜- l - i - - 一 ，j 一 “y 一 0 e 彬 一夕 一 二二轳 沙够形 。r 。一 彦膏 一彳 三一一一 ：，7 ， y 。，、， 一 - 1 - - o 鲐鬈少 蒜辛- 花殇彳 _ 匕乡鲐 ，r ： - i 一t - t i ： 5 0 1 0 0 1 5 0 2 5 0 弱o 5 5 0 6 0 0 0 5 07 0 07 5 0 8 0 0 8 5 09 0 0 8 5 01 0 0 01 0 5 0 发动机罩前沿高度( r a m l 图卜6 碰撞能量n 5 1 f i g1 6 t h es e l e c t i o no fc o l l is i o ne n e r g y 5 0 帕 4 0 3 5 3 0 2 5 2 1 5 o 5 o h ，再 q ： 、 口 、 - 、 h 、 ： 、 、k - 4 -l ，k - 。- t - 、k 嚏二 、l - d - o t - - - - - - t - 一 1 5 0 嚣 5 0 嫠 。毯 5 5 04 0 06 5 07 0 07 5 0 8 0 0 8 5 0 8 0 0 9 5 01 0 0 0 1 0 5 0 发动机罩前沿高度( r a m ) 图卜7 碰撞角度。1 5 3 f i g1 - 7t h es e l e e ti o no fc o lli s i o na n g l e 4 弱o a 2 枷 1 6 0 1 s o o 碰撞速度( k m h j 加衢衢4 0 | - - 砉- 隆-1|一 - ” _ i f 野伊 ；j ，： 卜一警2一7 _同 ； i 一 i 誓； 一b 菇 影 - - 4 - 斗 一我蛩i 紫 - - - - 一 e - 、- e 1 r 6 6 0 6 0 0 6 6 0 7 0 0 7 5 08 0 0 8 5 09 0 0 9 5 01 0 0 01 0 6 0 发动机罩前沿高度( r am ) 图卜8 碰撞速度n 5 1 f i g1 8 t h es e l e c t i o no f c o l l is i o ny e l o c i t y ee一爨柱轼笾举 一h一咖怒鞭毒 言量j 8 螂襁 ( o ) 憾娥糍崔 菖e一爨温耳嫠账 江苏大学硕士学位论文 1 2 行人保护主要研究内容与方法 在阅读了大量行人保护相关参考文献的基础上，可以认为行人碰撞保护的主要 研究内容可以归结为以下四个方面口町n 钉： 行人碰撞时伤害机理研究 行人碰撞试验替代冲击器的仿生性能研制 行人碰撞保护的被动安全措施 行人碰撞保护的主动安全措施 在以上四个方面的研究内容中运用到的研究方法可以归纳为以下三种。 ( 1 ) 事故再现 利用尸体或行人碰撞假人进行试验研究能比较客观真实地再现各种行人碰撞事 故，以此获得人体的损伤机理等重要数据n 砌n 钔。但是尸体收集和存放有较大的难 度，且尸体的耐受极限和生物力学响应等随着年龄和性别的不同区别也较大，很难 有统一的标准。碰撞行人假人是根据死尸生物力学试验得到的有关数据而设计出来 的陇2 3 | ，不具有很广泛的代表性。且行人碰撞事故的工况复杂，可重复性差，所 以目前全球还没有统一的行人碰撞假人标准。 ( 2 ) 行人碰撞仿真模拟 随着计算机性能的不断提高和相关分析软件的发展，计算机仿真技术被越来越 多的运用到碰撞仿真分析汇中。仿真技术能降低成本，缩短周期，是目前最流行的 研究方法口4 1 乜明汹2 7 h 绷。计算机仿真不但可以帮助人们更好地了解人体的伤害机理和 耐受极限，为评价标准提供参考依据，而且可以分析汽车的行人保护性能，并初步 验证改进方案的有效性啪制。 ( 3 ) 子系统模块研究 仿真分析不能完全代替试验研究，因此需要使用代表人体不同部位的子系统模 块进行碰撞试验。这也是目前各国行人保护法规和n c a p 使用的试验方法，主要包 括行人头部，大腿和腿部等三种模块。通过这些子系统试验，可以有针对性地对汽 车前部结构进行研究和改进设计口2 m 3 3 埘1 。实践表明，虽然应用子系统模块进行碰撞 试验与尸体或者行人假人试验的结果有一定差别，但是由于子系统试验有统一的标 准，便于实施，具有可重复性，在行人碰撞保护研究中起到至关重要的作用5 矧1 ， 当然该方法仍有需要改进与完善之处。 上述三种研究方法特点各异，应用范围也有所不同，合理的综合运用这些研究 方法，可以更好的研究并改善行人碰撞安全。 5 人车碰撞中的行人大腿保护研究 1 3 行人大腿保护研究进展 根据前述的行人碰撞保护的主要研究内容，下面简要介绍国内外行人碰撞保护 中与大腿相关的主要研究成果。 j e s sg s n e d e k e r 嘞1 等人调查发现成千上万的人受到严重的伤害甚至死亡。据 报道大腿及盆骨的受伤几率在整个行人车辆碰撞中超过1 0 。在车辆行人事 故中1 0 2 0 d 的成人盆骨骨折，6 0 8 0 的儿童盆骨骨折。盆骨骨折的最大影响因素 是“人体骨头的质量 ，而不是车辆的几何造型。所观察到的盆骨和髋臼骨折都发生 在下肢骨质量较差的尸体中，且髋臼骨折与发动机罩盖前端高度有很大的关系，例 如卡车的前端造型。 g u i l l e m o t 叼等人通过对1 9 7 1 年到1 9 9 5 年间交通事故和生物力学实验室收集到 的所有侧碰撞的交通事故进行了研究发现，耻骨骨折有6 1 ，髋臼骨折占1 4 ，骶 髂关节骨折占9 在所有盆骨骨折等级为a i s 2 + 中。骶骨骨折不到4 ，由于大部分 的行人交通事故都是侧碰撞，可以认为基本的伤害趋势是一致的，各种骨折形式如 图1 9 所示。 髋白骨折 骶骨骨折 图1 _ 9骨折形式 f i g1 9f o r mo ff r a c t u r e y a s u h i r om a t s u i 1 等人在所有试验的骨盆环骨折中，骨盆的侧向最大形变郜发 生在骨折之后，这就意味着盆骨的错位不是引起骨折的诱因，而是骨折的结果，所 以盆骨的侧向最大变形不能用来作为骨折风险的评估指标。通过如图1 1 0 所示的试 验分析，当受到9 6 k n 的碰撞力时，盆骨骨折的可能行为5 0 受力为8 9 k n 时，概 率为2 0 。 6 江苏大学硕士学位论文 舅步支撂 图1 - 1 0 受压试验 f i gl 一1 0c o m p r e s s i o nt e s t a t s u m r ok o u o s u h 等人研究了新的大腿碰撞试验中的能量计算方法，发现大多数 试验中m ( = 撞击力大腿接触力) 都超过1 ，平均值为1 3 4 ，但随着b l e 的升高，比值 趋向于1 ，相反，b l e 的降低，比值不断增大。这个结果意味着e e v c 法规试验可能 回产生显著的偏差当用来计算能量时，尤其是b l e 较小时。 1 4 本文研究内容 据e u r o n c a p 官方数据统计，多数获得五星安全的车型在大腿碰撞环节的得分 并不十分理想。随着评价标准的不断提高，想要获得五星安全也变得更加困难，但 也意味着在行人大腿保护中存在很大的提升空间。为此本文将利用大腿碰撞的实车 试验和仿真的方法，通过对车辆结构的改进，提高大腿试验的得分。 表卜2不同车型的行人大腿试验得分1 5 1 t a b1 2t h es c o r eo fd if f e r e n tc a rm o d l ei nu p p e rl e gt e st 车型2 0 1 0 款b m w 52 0 0 9 款2 0 0 9 款2 0 0 9 款 奥迪a 4雪弗莱c r u z e马自达6 星级 5 55 5 人腿得分 0o01 5 6 澌 j 互嚣纂糍翟麓，黼强雹l 赳蒽礅i 蕊么豳弱弱蕊劂_ 黝嘲k嘲鼷藏潍 墨茹趁强盆茹蕊 i - 呐-一 一嘲觥 瞄“m m 嗣 磁二赫一。；藏塑 鬈；，藏一。加。，蚕 鬈该；纛磁习 本课题依托某车型的行人保护研究项目，以e u r on c a p 为评价标准，提高该车型 行人大腿保护性能为目标展开研究，采用整车碰撞试验和计算机仿真等方法。主要 研究内容包括： 7 人车碰撞中的行人大腿保护研究 1 建立适用于行人保护研究的某车型仿真模型，并对关键零部件做材料力学性能 试验，校验仿真模型。 2 对车身前端结构进行改进，包括增加发动机罩前端自由空间，水箱上横梁的结 构与位置优化，以及对汽车前大灯的结构改进，其中采用实车试验或仿真验证上述 改进。 3 建立带有发动机罩安全气囊的仿真模型，通过仿真来验证发动机罩安全气囊对 行人大腿的保护性能，并研究了安全气囊相关参数对保护性能的影响。技术路线如 下图1 1 1 所示 理论分析 l c a d 梗型 上 上 b h 师牛身姑倒事鳅醒惺 i 材料性能试验 上 l if 螽型 设计原则 仿真评估 l 改进设计 i i l il 增加发 前大灯 发动机 水箱上 动机罩 及萁支 罩安全馐粱结 前端自 架改进 气囊构与位 由空间 设计 置优化 lll i 验证分析与讨论 1 5 本章小结 图1 - 1 1 技术路线图 f i gl 一1 1t e c h n o l o g ym a p 本章首先介绍了交通事故的现状以及行人在交通事故中的弱势地位，对现行的 行人保护法规和标准做了介绍，其中详细说明t e u r on c a p 评价体系中的行人大腿试 验流程和方法。最后例举了行人大腿保护研究的进展并提出了本文的研究内容。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章l s - d y n a 软件简介 2 1l s - d y n a 理论基础 2 1 1l s - d y n a 软件的概述 l s d y n a 是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种 复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型 等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领 域被广泛认可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性h 。 由j 0 h a l l q u i s t 主持开发完成的d y n a 程序系列被公认为是显式有限元程序的 鼻祖和理论先导，是目前所有显式求解程序( 包括显式板成型程序) 的基础代码。 1 9 8 8 年j 0 h a l l q u i s t 创建l s t c 公司，推出l s - d y n a 程序系列，并于1 9 9 7 年将 l s - d y n a 2 d 、l s d y n a 3 d 、l s t o p a z 2 d 、l s - t o p a z 3 d 等程序合成一个软件包，称为 i s - d y n a 。 2 1 2l s - d y n a 的控制理论 在l s - d y n a 软件中采用l a n r a n g i a n 增量算法m 蜘，假设初始时刻某单元质点的 坐标为x ；o = 1 2 囝，任意时刻该点的坐标为毛( i = 1 ，2 ，3 ) ，则该点的运动方程为： 毛2 五( 置， i = l ，2 ，3 ( 2 1 ) 初始条件： 1 动量方程： 鼍( x l ，0 ) = x l 毫( x j ，0 ) = k ( x i ，0 ) o i i 。i a t2 茂 表达式中： p 当前质量密度， q 柯西应力， 五单位质量体积力， 碧加速度。 2 质量守恒方程：p 2 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 9 人车碰撞中的行人大腿保护研究 表达式中：p 当前质量密度， 风初始质量密度， 3 能量方程 雪= v s 可如一( p + q ) v 4 偏应力 s , j = 嘞+ ( p + q ) c r o 5 压力p = 一妻孤一g j 表达式中：y 实时构形的体积： 岛应变率张量： q 体积粘性阻力。 该单元的边界条件如图2 - 1 所示： x t x t 图2 - 1 边界条件示意图 f i g2 1b o u n d a r yc o n d i ti o n ( 1 ) 面受力边界 咒，= t t ( f ) ( 2 ) 位移边界条件 而( x ，f ) = k ( f ) 在s 2 位移边界上 式中k i ( f ) ，i = 1 ，2 ，3 是给定位移边界条件。 ( 3 ) 滑动接触面间断处的跳跃条件 ( 西一町) 万= o 当对= 巧接触时沿接触边界s o 伽辽金法弱式平衡方程式为 坛一吩，厂成k 棚+ _ 坼一呀_ j 如程+ 航万厂t i k 搬= 0 1 0 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 。( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - l o ) ( 2 - 1 1 ) 江苏大学硕士学位论文 式中反；为s 2 边界上满足位移边界条件。 应用散度定理： i j ( 嘞占麓砂= = f o - 0 n j 万拶+ ( + 一哪一妒，j 拶 y s 1s 。 。 ( o o a x e ) 一d l i j 6x i 2a h 6x t j 上敲为：8 z = l p 笼p x i 四+ 1 6 x 1 j d v l p f ，x i d v 一廷p x i d s = o ( 2 - 1 2 ) ppp s “ 这就是虚功原理的分变列式。 2 1 3l s - d y n 的薄壳单元 l s d y n a 软件中有7 种单元类型它们分别是： ( 1 ) l i n k l 6 0 ：桁架单元 ( 2 ) b e a m l 6 1 ：梁单元 ( 3 ) s h e l l l 6 3 薄壳单元 ( 4 ) s o l i d l 6 4 - 块单元 ( 5 ) c o m b l l 6 5 ：弹簧与阻尼单元 ( 6 ) m a s s l 6 6 ：结构质量 ( 7 ) l i n k l 6 7 ：缆单元 所有显式动力单元为三维的，每种单元可用于几乎所有材料模型，都有几种不 同算法，均具有一个线性位移函数，目前尚没有具有二次位移函数的高阶单元。每 种显式动力单元缺省为单点积分。 考虑到汽车的零部件大部分都是有薄壳板件冲压而成的，在仿真中得用到三维 薄壳单元进行空间离散。在l s d y n a 软件中壳单元的算法共有1 6 中嘲，主要区别在 于沙漏控制方式和积分方法的不同。其中以b e l y t s c h k o t s a y 四边形薄壳单元计算 效率最高。 b e l y t s c h k o t s a y 薄壳单元适用大位移和大转动的仿真分析中，它的四节点四边 形非线性薄壳单元采用的是多层单点积分模式，材料模型是非线性，沙漏通过粘性 阻尼来控制。 b e l y t s c h k o t s a y 薄壳单元空间位置是以单元的中面为参考面，通过单元的4 个 节点和厚度f 来定义，在单元表面上的任意点坐标可以设为，y 。，z 。，用 “，y l ，z l x 4 ，y 4 ，z 4 ) 来定义单元的4 个节点 人车碰撞中的行人大腿保护研究 图2 - 2 为单元局部坐标系基矢量的定义方式，其中色和含：为参考面的切向矢量， 色为参考面的法向矢量。 豢2 l 图2 - 2 单元局部坐标系 s 气 铲面 l s ，i i - - 属i i 面 s 1 = r 2 1 一( 厂2 1 含3 ) 含3 岛 铲商 单元的纤维初始方向厂与色矢量重合，当单元在变形时，矢量色，舍：，e 3 随之旋转， 其中矢量厂和矢量色必须满足夹角小于0 o l 。 i 毒，厂一1 | 万，艿= o 0 1 ( 2 1 9 ) 运用m i n d li n 假设，通过参考面上对应点的速度矢量y ”和角速度矢量 可以求得任意点的速度矢量y v = y ”一钯0 式中，2 为该点到参考面的距离。 ( 2 2 0 ) ” 埘 埘 m 沼 似 弦 论文 ( 2 2 1 ) 在求解运动方程后可以得到单元节点的位移速度矢量k ，角速度矢量岛和坐标 矢量x l ，因此，根据四节点四边形单元的双线性节点插值，可以求得单元参考面上 任意点的速度矢量y 肘，角速度矢量秒”和坐标矢量，其算式为： v “= f ( 孝，7 7 彤 秒m = n ，( 孝，7 7 ) 岛 ( 2 - 2 2 ) 工m = n t ( 孝，7 7 ) 而 式中，( 孝，功 z = 1 2 ，3 4 为双线性函数，其列式为： b e l y t s c h k o t s a y 薄壳单元积分是从单元形心处沿厚度进行积分，此处的 善= 0 ，刁= 0 。通过联立公式( 2 2 0 ) 、( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 后代入到公式( 2 2 1 ) 后，便 可得到形心处的速度应变： d 。= o l f + 勰，钆 d y = b 2 f 一幼2 f 面印= 如吒+ 马，吒+ 三( 曰：，丸一b 1 ，包) ( 2 2 4 ) 2 d 。= b 1 1 v d + n t 9 讥 2 d w = b 2 f 屹一n f 如 其中矩阵吼：婴，曰：，：婴。 o x o y 按照单元材料性质的本构方程，可求得单元局部坐标系中积分点处的应力矢量 彦，= 【丸，彦，钆，吒，彦。】 ( 2 2 5 ) q u2厶 协 功 功 协 一 一 + + 砸 务 d 务 易 一 + + 一 0 o o o 14141414 = = | | = 功 功 功 功 六 六 六 己 _，一，一，-， 1 2 3 4 人车碰撞中的行人大腿保护研究 沿壳体板厚方向的应力丸= 0 ( 平面应力状态) 。 沿壳元壁厚积分可以求得内力和内力矩阵，其算式为： 孚= d z ，血；= 一l 艺a q d z ( 2 - 2 6 ) 根据虚功率原理可以计算单元中心的合力和合力矩与单元局部坐标系下的节点 力与节点力矩的关系： ；d - a ( b 1 t i ：+ b 札 ：、) 啦- a ( b u i 嚣+ b u 嚣、 i d = a k ( b 1 l i 苎+ b 姒i 釜) ( 2 - 2 7 ) 豌w = a ( 召2 ，豌曼+ b u m 善一对羔4 ) 豌w = - a ( b i f 豌三+ 曰2 f 豌一蝎麓4 ) 疡d = 0 2 1 4l s - d y n a 的材料模型 l s d y n a 程序目前有1 0 0 多种金属和非金属材料可供选择，如弹性、弹塑性、 超弹性、塑性、泡沫、玻璃、地质、土壤、混凝土、流体、复合材料、炸药及起爆 燃烧、刚性材料外，l s d y n a 还提供了接口，用户可以自定义材料，并可考虑材料 失效、损伤、粘性、蠕变、与温度相关、与应变率相关等性质。，按照材料特性可 以分为三种。 1 ) 各向同性材料 假设。时刻的材料构形为x ( t n ) ，戈( f 一) ，仃( f 一) 为应力矢量以及f h 时刻的构形为 x ( t n + 1 ) ，j c ( t 。h ) ，则可以通过公式2 - 2 8 求得一+ l 时刻的矢量盯o 一+ 1 ) ( r 。h ) = ( f 。) + 嘞l 馘 ( 2 - 2 8 ， 由于在本体结构大变形时会产生大转动，所以应力率是刚体转动时具有的不变 性张量，其中j a u m a n n 应力率仃盯满足上述要求，其表达式为2 2 9 盯扩= 彦扩一仃址q 移一q 脑 ( 2 - 2 9 ) 表达式式中，q 盯旋转张量。 1 4 住论丈 q 牙= 辑一刳 弦3 。) 各向同性材料的本构关系为： 矿扩= c 槲如 ( 2 3 1 ) 表达式式中，应变率气= 氧等+ 割 c 涮材料的弹性常数。 将式( 2 2 9 ) 和式( 2 3 1 ) 代入式( 2 2 8 ) 得： 。越，= 。，+ c 朔毛l + ； 缸。+ 。，q 茸( f 。哇 + 盯弦。，q 矗l & 。( 2 - 3 2 ， 2 ) 分段线性塑性材料