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基于部件试验法规的行人保护优化设计及其头部伤害评价方法研究 摘要 与发达国家的汽车所造成的人员损伤中乘员比例远大于行人的特点不同，我 国的行人损伤占据了很大的比例。针对我国行人伤亡事故居高不下的特点，相关 的行人保护研究必须要提到一定的高度上来，目前我国已参照g t r 标准发布实施 了推荐性行人保护法规。本文以该推荐性国标为基础开展了某款车型的行人保护 研究工作，主要的研究工作有： 1 、根据国内现行推荐法规的要求进行某款微型客车的行人保护分析工作。主 要是基于法规要求的部件试验数据进行头部和腿部冲击试验模型的验证工作，通 过试验及仿真分析的方法对车型的行人保护性能进行评价。 2 、根据有限元分析和实际工程经验，在车型的概念设计造型阶段针对行人保 护要求进行相关的造型及结构优化。 3 、针对该车型现阶段行人保护改进中头部伤害值的优化目标和优化背景，进 行基于k r i g i n g 近似模型的稳健性优化设计，提高头部优化设计中关键点设计目标 对变量波动的稳健性及对设计约束条件的可靠性。 4 、基于实际工程中接触到的微型客车和微型轿车头部伤害特点的不同，通过 m a d y m o 软件研究行人头部伤害在两种不同研究方式下即人车碰撞仿真研究和 子系统部件试验仿真研究下的差异，根据仿真得出的差异及原因分析针对现阶段 的部件试验评价方式提出相应的参考建议，从而增强法规部件冲击试验评价方法 在不同车型上的适用性。 关键词：行人保护；部件试验；稳健性优化；m a d y m o ；人车碰撞 硕士学位论文 a b s t r a c t d i f f e r e n tf r o mt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tt h ed a m a g ep r o p o r t i o nf o rp a s s e n g e r s c a u s e db yc a r si sf a rg r e a t e rt h a nt h ep e d e s t r i a n si nt h ed e v e l o p e dc o u n t r y ，t h ed a m a g e p r o p o r t i o nf o rp e d e s t r i a n so fo u rc o u n t r yo c c u p i e sv e r yl a r g ep r o p o r t i o n o w i n gt ot h e h i g hp e d e s t r i a nc a s u a l t ya c c i d e n to fo u rc o u n t r y ，t h er e l e v a n tp e d e s t r i a ns t u d ym u s t c o m et oc e r t a i nh e i g h t o u rc o u n t r yh a sa l r e a d yc o n s u l t e dg t rs t a n d a r d ，i s s u e da n d i m p l e m e n t e dt h er e c o m m e n d a t o r yp e d e s t r i a na n dp r o t e c t e dt h er e g u l a t i o na tp r e s e n t t h i sp a p e rs t u d i e ss o m ep e d e s t r i a n so fs t y l eb a s e do nt h i sr e c o m m e n d a t o r yn a t i o n a l s t a n d a r d t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i st e x ti sa sf o l l o w s ： 1 a n a l y s e do fam i n i v a np e d e s t r i a np r o t e c t i o n i n c l u d i n gv a l i d a t i o no fh e a da n d l e gi m p a c tt e s tm o d e la n de v a l u a t i o no fp e d e s t r i a np r o t e c t i o np e r f o r m a n c eo ft h e m i n i v a nb a s e do n r e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t st h r o u g ht e s t a n ds i m u l a t i o na n a l y s i s m e t h o d s 2 a c c o r d i n gt oa n a l y s i s o ff i n i t ee l e m e n ta n da c t u a lp r o j e c te x p e r i e n c e ，t h e m o d e l i n g a n ds t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o nd u r i n gc o n c e p td e s i g ns t a g e w a sm a d ef o r p e d e s t r i a np r o t e c t i o nr e q u i r e m e n t s 3 a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o ng o a la n dt h eb a c k g r o u n do fi n ju r i n gv a l u eo f h e a dw h i l ei m p r o v i n ga n do p t i m i z e s ，c a r r i e do nt h er o b u s to p t i m i z a t i o nd e s i g nb a s e d o nk r i g i n gm o d e ，t h u sh a di m p r o v e dt h es a n ea n dd e p e n d a b i l i t yt ot h ed e s i g n c o n s t r a i n tt h a tt h ed e s i g no b je c to ft h ek e yf l u c t u a t e st ot h ev a r i a b l ei nt h eh e a d o p t i m i z a t i o nd e s i g n 4 b a s e do nt h ea c t u a le n g i n e e r i n gt om i n ip a s s e n g e rc a ra n dm i n ic a rh e a di n ju r y c h a r a c t e r i s t i c s ，t h r o u g ht h em a d y m os o f t w a r es t u d i e dt h ed i f f e r e n c eo fp e d e s t r i a n h e a di n j u r i e si nt w od i f f e r e n tr e s e a r c hm a n n e ri e p e d e s t r i a n - v e h i c l ec o l l i s i o n s i m u l a t i o na n ds y s t e mc o m p o n e n t st e s ts i m u l a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ed i f f e r e n c ea n dt h ec a u s ea n a l y s e sf o rt h ep r e s e n ts t a g ec o m p o n e n tt e s te v a l u a t i o n m e t h o dw a ss h o w e da n dp u tf o r w a r dt h er e f e r e n c es u g g e s t i o n s ，s oa st oe n h a n c e r e g u l a t o r yc o m p o n e n t si m p a c t t e s te v a l u a t i o nm e t h o di nd i f f e r e n tm o d e l so f a p p l i c a b i l i t y k e y w o r d s ：p e d e s t r i a np r o t e c t i o n ；c o m p o n e n tt e s t ；r o b u s td e s i g n ；m a d y m o ； p e o p l e - c a rc o l l i d e s i i i 基于部件试验法规的行人保护优化设计及其头部伤害评价方法研究 插图索引 图1 1w g l 0 提出的部件冲击试验3 图1 2 线性得分图8 图1 3 行人保护等级8 图1 4 日本j n c a p 头型试验示意图9 图2 1l s d y n a 有限元求解流一1 2 图2 2 行人保护碰撞区域1 5 图2 3 头型冲击器标定试验1 7 图2 4 儿童头型标定结果1 7 图2 5 成人头型标定结果1 7 图2 - 6 下腿型冲击器静态弯曲标定试验的俯视示意图一1 8 图2 7 下腿型冲击器静态剪切标定试验的俯视示意图一1 8 图2 8 弯曲标定试验载荷角度要求18 图2 - 9 剪切标定试验载荷位移要求1 9 图2 1 0 弯曲试验标定结果一1 9 图2 1 1 剪切试验标定结果一1 9 图2 1 2 下腿型冲击器动态标定试验2 0 图2 1 3 下腿型动态标定结果一2 0 图2 1 4 上腿型冲击器动态标定试验2 1 图2 1 5 上腿型标定结果一2 1 图2 1 6 车体有限元模型一2 3 图2 1 7 头部冲击试验区域划分一2 5 图2 1 8 头部试验冲击点选择2 6 图2 1 9 腿部试验冲击点选择2 6 图2 2 0 主要能量参数变化一2 7 图2 2 1 质量缩放2 7 图2 2 2 头部碰撞区域试验仿真划分对比2 7 图2 - 2 3 头部碰撞区域试验仿真划分对比2 8 图2 2 4 第一碰撞点试验仿真对比一2 8 图2 2 5 第二碰撞点试验仿真对比一2 8 图2 2 6 第三碰撞点试验仿真对比一2 9 图2 2 7 第四碰撞点试验仿真对比一2 9 v i 硕士学位论文 图2 2 8 第五碰撞点试验仿真对比一2 9 图2 2 9 第六碰撞点试验仿真对比3 0 图2 3 0 腿部碰撞点位置一3 0 图2 3 1 腿部第一碰撞点试验仿真曲线对比3 l 图2 3 2 腿部第二碰撞点试验仿真曲线对比3 1 图3 1 近似模型建立示意图3 7 图3 2 望小特性稳健性优化设计示意图4 0 图3 3 随机抽样4 0 图3 4 描述性抽样一4 0 图3 5 田口鲁棒设计流程4 3 图4 1m a d y m 0 3 d 的结构示意图一4 6 图4 2 微型轿车行有限元模型4 7 图4 3 碰撞点位置及伤害曲线4 7 图4 4m a d y m o 多体模型4 8 图4 5m a d y m o 接触参数输入4 8 图4 - 6 头部各个区域碰撞点的试验仿真曲线对比4 9 图4 - 7 腿部碰撞点试验仿真曲线验证5 0 图4 8 微型客车m a d y m o 假人模型5 1 图4 - 9 头部碰撞点试验仿真对比51 图4 - 10 中部碰撞位置头部伤害曲线对比5 2 图4 1 l 部件试验中头部伤害曲线对比5 3 图4 - 1 2 中部位置人车碰撞行人运动姿势对比一5 4 图4 - 1 3 车体中部碰撞位置速度历程曲线5 5 图4 - 1 4 车体侧面碰撞位置速度历程曲线5 5 v i i 基于部件试验法规的行人保护优化设计及其头部伤害评价方法研究 附表索引 表1 1 相关国家和地区碰撞事故行人伤害部位统计2 表1 2 不同国家和地区的行人保护法规对比9 表2 1 网格质量控制标准表1 3 表2 2 下腿型动态标定指标2 1 表2 3 上腿型标定评价指标对比2 2 表2 4 行人保护子系统试验需要详细建模部件列表2 2 表2 5 实验仿真伤害值对比3 0 表2 - 6 腿部碰撞点伤害指标对比3 2 表2 7 不同碰撞点伤害分析及造型规划建议3 4 表2 8 腿部伤害分析及造型结构建议3 5 表3 1 变量取值及其分布状态4 1 表3 - 2k r i g i n g 模型预测值与仿真值对比4 2 表3 3 初始设计表4 2 表3 4 田口鲁棒设计及d o e 最优解比较4 3 表3 5 最终结果对比4 3 表4 1 头部试验仿真值h i c ，j 对比5 0 表4 2 腿部试验仿真对比5 1 表4 3 微型客车试验仿真h i c ，j 值对比5 2 表4 - 4 微型客车腿部伤害指标对比5 2 表4 5 车体中部位置头部伤害对比5 3 表4 - 6 车体侧面位置头部伤害对比5 3 表4 7 接触时刻相对速度与角度对比5 5 表4 8 调整后的部件试验评价对比5 6 v i l i 硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 汽车产业作为国民经济支柱产业的作用越来越重要，其对其他产业的发展有 着很强的带动作用。近年来，国内汽车产业取得了迅猛的发展，0 9 年一举成为全 球产销量第一大国。但随着汽车产业的迅猛发展和汽车占有率的提高，也给社 会带来了一系列的问题和压力，如安全问题、环保压力和能源压力等，其中又以 安全问题最为突出。 随着汽车的普及，安全性已经逐渐成为汽车市场的新卖点。汽车安全有分主 动安全和被动安全之分，主动安全性主要体现在研究如何提高车辆的动力性、操 纵稳定性和舒适性以及提高灯光视野等方面。汽车的被动安全性是碰撞无法避免 时在发生意外的碰撞事故时，如何对车内乘员及所涉及的道路使用者如行人等进 行保护以尽可能的减少其可能受到的伤害【2 j 。 自7 0 年代欧盟开始行人保护的立法工作以来在过去的3 0 年中，各国的立法机 构和汽车制造厂商在汽车乘员的保护上通过不懈的努力使得碰撞事故中乘员的伤 害无论在数量上还是在严重程度上都在呈不断减小的趋势。随着车辆结构对内部 乘员的保护作用越来越完善，车内乘员伤亡人数的逐年不断减少，但行人与车辆 发生碰撞而导致的车外行人的伤亡比率却在呈逐年增加的趋势。相关资料统计显 示，车内乘员与易受伤害的道路使用者( 如行人、摩托车驾驶员、自行车驾驶员) 两者间的死亡之比大约是3 ：l ，混合性交通比较严重的国家，如中国等发展中国 家，此伤亡比例更是高达l ：3 【3 j 。根据实际的交通事故统计分析，行人与乘员死 亡的比例在欧洲约为1 2 ，美国为1 1 ，而中国则超过5 0 1 4 j 。据统计每年在欧 洲有8 0 0 0 左右的行人和骑自行车人死于汽车碰撞事故，3 0 0 0 0 0 左右的行人和骑白 行车人在汽车碰撞事故中受伤，在北美每年造成了5 0 0 0 人的死亡和8 5 0 0 0 人受伤。 在中国每年所造成的行人及骑自行车人的死亡和受伤人数分别高达2 1 0 0 0 人和 7 0 0 0 0 人。 行人与车辆碰撞中所受伤害呈现多种不同的形式，有关国家和地区碰撞事故 中行人受到伤害部位的统计分布情况见表1 1 。 基于部件试验法规的行人保护优化设计及其头部伤害评价方法研究 由表可以看出行人最易受伤的部位是头部和下肢。腿部的伤害有可能致残， 而头部伤害则很可能导致死亡。对行人身体各部位伤害的原因的研究表明，3 6 4 的行人头部伤害是车身风挡玻璃等装置导致的，行人臀部的伤害有4 0 1 是由 发动机罩斜边所造成的，4 4 2 的腿部伤害则是由保险杠及其附属部件造成的。 此外在车辆对行人的碰撞伤害研究上，欧洲车辆安全促进委员会( e e v c ) 曾对 欧盟国家中的道路交通事故进行了长达2 2 年的调查、分析和研究。e e v c 的研究 结论主要有： 1 、 通过对事故的分析发现，在大部分的人车事故中，人体与车辆的前部发 生碰撞，所以车辆的前部形状和刚度都是与碰撞伤害程度相关的重要参 数。而且在2 3 的人车事故中，行人与车辆的碰撞速度小于4 0 k m h 。 2 、 通过对受伤群体的研究发现，在行人死亡的总数中，2 5 岁以上的人占7 9 ： 在行人受伤的总数中，2 0 岁以下的人占4 0 。 3 、 通过对行人人体受伤的研究发现，头部和下肢是最容易受伤的两个部位， 其次是胸部、腹部、脊椎和上肢。这些伤害都与汽车的某些特定部位有 直接关系。 硕士学位论文 1 2 国内外行人保护研究现状 1 2 1 国外行人保护研究现状： 国外行人保护相关的研究主要集中在以下几个方面： 1 2 1 1 行人保护评价方法的研究 国外汽车与行人的碰撞领域相关的研究工作开始于7 0 年代初，欧洲车辆安全 促进委员会e e v c ( e u r o p e a ne n h a n c e dv e h i c l e s a f e t yc o m m i t t e e ) 设立了e e v c w g l 0 的工作小组，专门负责研究有关行人与车辆碰撞保护的试验评价方法。 w g l 0 小组利用尸体和混合站立姿势假人进行试验，来模拟车辆撞击行人过程中 行人相关组织和关节的运动，从而获得其伤害方式和伤害评价指数。w g l 0 - 1 - 作小 组通过研究指出，以混合站立姿势假人进行碰撞试验所得到的结果，其变异性过 大，无法得到统一的标准试验评价方法。基于此w g l o 工作小组提出了用相应的 子系统冲击模拟器来代替行人与车辆的整体碰撞试验的评价方式并根据子系统冲 击器提出了下述的系列子系统部件试验方案【5 j ，分别为： 1 ) 下腿型冲击器( 含膝关节) 与保险杠碰撞； 2 ) 上腿型冲击器与发送机罩前缘碰撞； 3 ) j l 童、成人头型冲击器与发动机罩碰撞。 图i 1w g l 0 提出的部件冲击试验 但e e v cw g l o d , 组所提出的模拟冲击器和相应的试验方法，对车辆的造型限 制比较多，从而遭到了汽车制造厂的普遍批评。基于此欧盟进一步成立e e v c w g l 7 工作小组，以重新评估行人与车辆碰撞的试验评价方法。该小组于1 9 9 8 年提 出了新的提案，此提案基本保留了w g l0 小组提出的试验评价方法，但新增了 s u v ( s p o r tu t i l i t yv e h i c l e ，运动型多用途汽车) 和4 x 4 车辆的上腿型与保险杠的冲 击试验。其目的是对保险杠位置较高的车辆，以上腿型冲击器代替下腿型冲击器 基于部件试验法规的行人保护优化设计及其头部伤害评价方法研究 来进行保险杠的冲击试验从而增强该试验评价方式在不同车型上的适用性。 1 2 1 2 行人人体建模的研究 行人人体模型主要集中在假人整体模型和部件试验模型上。过去由于没有专 门开发的适用于行人保护研究的行人假人，通常以正碰试验假人代替行人保护假 人来进行相关的研究，导致试验过程中假人的运动特性和伤害与实际事故中行人 表现存在着较大的差别。目前欧洲和日本正在开发生物拟合性能较好的行人假人， 其中日本丰田公司已经开发出了一款拟合度较高的并已经可以用于试验研究的新 型行人保护行人假人p o l a r 系列假人【6 】。另外用于部件冲击试验的主要是以e e v c w g l o k 出的行人撞击模拟器为主。 除了用于碰撞试验用的假人及子系统部件试验模块外，为了仿真分析的研究 需要也开发了仿真用的行人整体假人和子系统模块如头部和腿部冲击器模型。行 人整体假人有有限元假人及多体假人两种，行人整体有限元假人由于现阶段试验 研究的制约大多是由正碰假人模型转化而来缺少专门为行人保护研究而开发的专 用行人保护整体假人。与有限元假人建模相比，多体假人的建模一直处于比较领 先的位置，e l 前常用于人车碰撞研究的行人专用假人有查尔莫斯行人保护模型 ( c h a l m e r sp m ，y a n ge ta 1 ，19 9 7 ，y a n ge ta 1 ，2 0 0 2 ) ，t n o 行人保护模型( t n o p m ，t n o ，2 0 0 4 ) ，a d e l a i d e 大学开发的行人模型( u ap m ，g a r r e t t ，19 9 8 ) 以及h o n d a 行 人保护模型( h o n d ap m ，o k a m o t oe ta 1 ，2 0 0 0 ) 。在子系统部件冲击模块的建模上目 前针对各个国家和地区的法规均有了相应的有限元和多体模型，这其中主要有 a r u p 公司开发的头型及上下腿型有限元冲击模块及m a d y m o 自带的多体模块 等。 1 2 1 3 行人保护新技术的研究 与整车耐撞性技术研究相同，国外行人保护技术的研究也体现在主动安全领 域和被动安全领域。主动安全技术方面的研究主要有车辆智能安全保障系统包括 安全系统、危险预警系统以及防撞系统等。被动安全技术方面的研究主要有引擎 罩弹升技术、可变形铰链和吸能翼子板以及行人安全气囊等【7 】。 1 2 1 3 计算机模拟仿真技术的研究 在计算机模拟仿真研究方面，s t e v em a r k 等人对行人大腿的碰撞安全性进行 了有限元仿真研究，该研究利用计算机模型准确的预测了行人大腿部受力 8 1 。 t o s h i h i r oi s h i k a w a 等人通过比较相同条件下的部件试验和全尺寸假人试验的 结果找到了他们的具体差别【9 j 。 t h o m a sf r a n k 等人根据欧洲工业委员会的要求建立了一些列的人体冲击器模 型，经过验证后被应用于克莱斯勒和保时捷等轿车的有限元仿真中【1 0 】。 4 硕士学位论文 1 2 2 国内行人保护研究现状 国内相关的行人保护研究也起步较早，如湖南大学的杨济匡教授等人于 19 9 2 年就开始以自行建立的下肢多刚体模型分析侧向撞击过程中膝关节和腿部的 生物力学响应以研究腿部伤害风险j 。来自清华大学的陆秋明和黄世霖等，应用 多刚体系统动力学方法开发了交通事故中三维模拟计算机软件系统m u l 3 d ，并应 用该软件系统对真实的车辆碰撞行人的交通事故进行了模拟计算，得出的结果与 真实事故中的被撞行人的运动姿态比较接近【l2 1 。 国内于2 0 0 9 年开始实施g b t2 4 5 5 0 汽车对行人的碰撞保护，其基本照搬 了g t r 标准。目前国内的行人保护研究主要是参照这一推荐法规来进行相关车型 的行人保护性能分析和改进研究，g t r 行人保护标准的制定也参考了欧盟e e v c 法规，其评价方式及评价指标基本一致，只是在具体操作上略有不同。中国的车 型分布及人体结构与g t r 标准及e e v c 标准所参照的欧洲市场存在着一定的差 距，相关的研究如湖南大学的曹立波教授通过m a d y m o 研究了平头微型车对行 人的头部碰撞伤害情况得出了早期e e v c 所确立的部件试验方法无法用于平头微 型车的头部伤害评估【l 。3 | 。 1 3 汽车对行人的碰撞伤害及其评价方法介绍 行人与车体从接触碰撞到碰撞结束时刻整个碰撞持续时间仅为1 0 0 1 5 0 m s ， 整个碰撞的动态过程可以分为3 个阶段。 1 、接触阶段 此时行人开始与车辆前端的保险杠接触，该处的接触力引起人体的平移和转 动，转动的大小与碰撞点和行人重心间的距离有关，距离越大则产生的旋转运动 越大。在动量矩的作用下行人的头部和胸部分别撞击到发动机罩、前风挡玻璃或 边框 2 、飞出阶段 此时由于前一阶段的接触行人获得了一定的加速度，此时行人或飞出跌落在 车道上或由于碰撞速度过高被压入车体。如果行人跌落在车道上此时与车道的碰 撞称为二次碰撞，二次碰撞之后行人还与其他障碍物发生第三方碰撞。 3 、滑落阶段 该阶段行人从跌落逐渐到静止。 目前除了人一车事故仿真需要综合关注3 个阶段外，车辆对行人的碰撞伤害相 关研究只关注碰撞的第一阶段。人一车碰撞中汽车对行人的碰撞伤害及对行人的保 护研究主要有试验研究及计算机仿真模拟两大方面。 基于部件试验法规的行人保护优化设计及其头部伤害评价方法研究 1 3 1 试验研究 行人与车辆的碰撞是一个比较复杂的过程，在行人与车辆发生碰撞时，车 辆速度、与行人的碰撞角度以及行人的运动姿势和所采取的规避动作都可能会影 响到碰撞的结果。根据相关的研究表明，在人车碰撞交通事故中造成行人伤害的 主要原因及其影响因素有碰撞时车辆的速度、车辆前部形状及碰撞区域的能量吸 收特性等【1 4 】。 目前的行人保护试验研究有两个方面，一是行人一车辆碰撞的试验研究，该 研究利用实车以一定的冲击速度来撞击处于一定姿势的试验行人假人的一种试验 研究。另一种试验研究是子系统冲击试验研究，该试验研究利用行人的子系统部 件如头部模块、腿部模块等冲击处于静止状态的整车或汽车前部部件。除此之外， 还有志愿者试验和人体尸体试验等研究方法。两种方法中以第一种行人假人碰撞 试验更接近于实际的人一车碰撞事故，但过去由于没有专门开发的适用于行人保护 研究的行人假人，通常以正碰试验假人代替行人保护假人来进行相关的研究，导 致试验过程中假人的运动特性和伤害与实际事故中行人表现存在着较大的差别。 但随着行人保护关注度的提高和行人保护规范的逐步推进，关于行人保护行人假 人的开发和研究也取得了较大的进展。目前欧洲和日本正在开发生物拟合性能较 好的行人假人，其中日本丰田公司已经开发出了一款拟合度较高的并已经可以用 于试验研究的新型行人保护行人假人。但目前这种试验方法费用较高，测试过程 比较复杂，且假人的姿势及碰撞前假人相对于实车的位置等因素对碰撞结果影响 较大，试验结果的重复性较低。 另一种试验方法部件模型试验相比行人假人碰撞试验，成本相对低廉，可 以有针对性地评价碰撞时车体不同部位对人体的损伤情况，灵活地采取不同的方 案进行试验。但由于部件试验只是考虑汽车某些区域对单独的行人子系统的伤害 情况，所以无法全面地了解行人和各种不同车型发生碰撞时的运动情况和伤害特 点，与行人假人碰撞试验研究相比具有一定的局限性。但由于行人保护部件冲击 试验评价相比实际的车辆撞击行人假人试验具有规范统一和简单易行等特点，且 根据事故统计和模拟仿真的分析，部件冲击试验在很大程度上代表了大部分车型 对行人的实际伤害水平。目前比较典型的试验方法为欧洲车辆安全委员会( e e v c ) 推荐的行人子系统模块与汽车前部表面的冲击试验试验方法，即2 0 0 3 1 0 2 e c 法规 提出的要求。全球现行的不同行人保护法规基本都是参考这一试验方法来开展的。 e e v c 行人保护部件试验评价主要包括以下几个方面： ( 1 ) 头型模块与发动机罩表面的冲击试验。试验主要测量头部损伤值h i c 。 ( 2 ) 腿型模块与保险杠的冲击试验。试验主要测量膝关节弯曲角度、剪切变 形和小腿上部加速度等参数。 6 硕士学位论文 ( 3 ) 大腿模块与发动机罩前缘的冲击试验。试验主要测量腿部碰撞力和弯矩。 1 3 2 计算机仿真研究 随着仿真计算的发展和计算机性能的提高，现代计算机仿真技术得到了越来 越广泛的应用。在行人保护领域，利用现代计算机模拟仿真技术，可以全方位系 统的地把握行人在与车体碰撞后的运动及其伤害情况。而且可以通过修改模型参 数等快速地了解车辆外形、尺寸等的变化对行人碰撞伤害的影响，可以方便的模 拟各种人一车事故研究其伤害特点，从而大大节约研究的时间和费用。国外开展行 人保护方面的研究工作比较早，其主要运用的具有代表性的仿真工具有美国 c a l s p a n 公司开发的c a l 3 d 软件，荷兰t n o 开发的m a d y m o 软件以及法国e s i 公司 的p a m c r a s h 软件等。这些软件中一类是基于多刚体系统动力学理论，如 m a d y m o 软件，另一类是基于有限元理论建模，女h p a m c r a s h 软件。采用多刚 体计算模型的优点是计算模型的建立较为方便，工作量小，计算时间快捷，可以 高效率地了解行人的运动情况，但是对行人具体伤害情况的掌握却比较困难。有 限元计算模型可以精确地了解行人不同身体部位的伤害情况，从而更准确地评价 车辆在行人保护方面的性能。但是人体有限元模型的建立十分复杂，涉及到生物 力学和人机工程学等领域的复杂理论和试验数据，工作量很大，而且计算时间也 相对较长【l5 | 。 1 4 各国行人保护法规的介绍 现阶段的行人保护法规体系主要有欧洲，日本以及g t r 全球标准。早期欧洲 汽车制造商协会( a c e a ) 日本汽车制造商协会( j a m a ) 和韩国汽车制造商协会 ( k a m a ) 于2 0 0 1 年共同签署约定，分两个阶段实施行人保护标准，这就是早期的 欧洲汽车制造商约定，也是最早的与行人保护有关的法规。 在该方案实施不久，欧洲议会( e c ) 为切实降低人车碰撞中的行人损伤，决定 针对行人保护制定专门的强制的技术指令。这就是于2 0 0 3 年1 1 月1 7 日制定通过并 发布的e c 技术指令2 0 0 3 1 0 2 e c 技术指令与机动车辆发生碰撞前和碰撞时 对行人和其他易受伤害的道路使用者的保护，正式以强制立法的行驶加强行人碰 撞安全保护6 1 。在欧洲除法规提案外，欧洲的新车评估计划( e u r o n c a p ) 也纳入了 行人保护评价规范，以不同于乘员安全评级的星级公布，从而促使汽车制造厂商 提高新开发车型的行人保护性能【l7 1 。 欧洲2 0 0 3 1 0 2 e c 技术指令规定，所有车重不超过2 5 t 的m 1 类车以及由m i 类车 衍生出的n 1 类车辆，都应符合规范。此技术指令分两阶段执行，2 0 0 5 年1 0 月1 日 开始第l 阶段的实施。从2 0 1o 年9 月1 日开始实施第2 阶段，规定所有新生产的车辆 都必须符合技术指令。 基于部件试验法规的行人保护优化设计及其头部伤害评价方法研究 欧洲新车评价e u r o n c a p 于2 0 0 1 年1 月起开始增设行人保护的测试项目，以促 使更多汽车生产商加强对行人安会问题的考虑推动行人保护安全的进步和发展。 e u r o n c a p 在试验评价方式上与e e v c 法规相同，其总共进行6 次儿童头型碰撞、6 次成人头型碰撞和3 次上腿型碰撞及3 次下腿型碰撞( 或选择性上腿型) 以考察车型 的行人保护性能。采用打分制，每次试验满分2 分，共3 6 分，以伤害指标阶梯式评 分，具体评分见图。以每次试验得分相加得出行人保护等级：其中表示 受到介于1 1 到2 0 可能性的严重伤害，表示受到介于2 l 到3 5 可能性 的严重伤害，表示受到介于3 6 到4 5 可能性的严重伤害，表示受到大于 4 6 可能性的严重伤害( 参见图1 3 ) 。 l l o1 星l i vv + ，iz 搏分值 图1 2 线性得分图 2 8 - 3 6 p o i n t s = j r 嘲 1 9 2 7p o i n 咿 1 0 ”1 8 秘i n t s 2 卜9 1 m i n t s 2 0 p o i n t $ = _ 图l - 3 行人保护等级 日本现在实施的行人保护法规是t r i a s 6 3 行人头部保护基准，同时在 j - n c a p 中也引进了行人保护这一独立的评价项引1 8 j 。两者的考察情况基本相同。 j - n c a p 于2 0 0 3 年开始实施，其标准也参照了欧盟行人保护法规，但其评价体系又 有所不同。基于日本严重的头部伤害和导致的死亡情况，j - n c a p 目前只评价行人 的头部伤害而不考虑腿部的伤害情况。头部伤害指标与欧盟的大致一样。具体指 标为伤害区域l 3 的h i c 不大于2 0 0 0 ，2 3 的h i c 不大于10 0 0 。但针对不同的车型其 规定了不同的评价参数，具体如下所示： 硕士学位论文 图1 4 日本j n c a p 头型试验示意图 除了上述一些国家和地区适用的行人保护法规外，目前国际上较为通用的 适用技术标准为g t r ( g r a n dt u r i s m or a c i n g ) 和a c e a ( e u r o p e a na u t o m o b i l e m a n u f a c t u r e r s a s s o c i a t i o n 欧洲汽车制造协会) 标准。我国己颁布实施的g b t2 4 5 5 0 汽车对行人碰撞保护完全采用了g t r 标准。g t r 标准与欧盟e e v c 基本相同， 只是评价车型的区域划分和具体操作上略有不同。不同国家和地区的行人保护法 规对比见表1 2 【j 。 表1 2 不同国家和地区的行人保护法规对比 试验程序内容欧盟第一阶段欧盟第二阶段日本 g t r 儿童头部对试验条件 发动机罩的 冲击试验 头部质量k g 35 冲击速度 ( k m h ) 冲击角度 ，( 。) 评价指标h i c ，j 值 成人头部对试验条件 发动机罩的 冲击试验 3 5 5 0 3 5 3 5 5 0 3 5 3 2 s e d6 5 s u v6 0 v a n2 5 3 5 3 5 5 0 5 1 0 0 0 ( 2 3 区域)s 1 0 0 0 ( 2 3 区域)s 1 0 0 0 ( 2 3 区域)s 1 0 0 0 ( 2 3 区域) 2 0 0 0 ( 1 3 区域) 2 0 0 0 ( 1 3 区域) 2 0 0 0 ( 1 3 区域) 2 0 0 0 ( 1 1 3 区域) 头部质量k g 3 5 冲击速度 ( k m h ) 冲击角度 ( o ) 评价指标h 1 c j 值 3 5 5 0 4 5 3 5 6 5 4 5 3 5 s e d6 5 s u v9 0 v a n5 0 4 5 3 5 6 5 s 1 0 0 0 ( 2 3 区域) 1 1 0 0 0 ( 2 3 区域)! 1 0 0 0 ( 2 3 区域)! 1 0 0 0 ( 2 3 区域) _ 2 0 0 0 ( 1 3 区域) _ 2 0 0 0 ( 1 3 区域) 2 0 0 0 ( 1 ，3 区域) 2 0 0 0 ( 1 3 区域) 9 基于部件试验法规的行人保护优化设计及其头部伤害评价方法研究 续表： 试验程序内容欧盟第一阶段 欧盟第二阶段日本 g t r 下腿型质量 l3 4 1 3 4 k g 试验条件 冲击速度 ( k i n h ) 下腿型对保冲击角度 险杠的冲击 ，( 。) 试验胫骨加速度 儋 弯曲角度 评价指标三2 l ( 。) 膝盖位移 1 6 m m 上腿型质量 85 1 05 k g 冲击速度 上腿型对发试验条件撕了而 ( k m h ) 动机罩的冲 冲击角度 击试验0 ( o ) 力k n1 7 5 评价指标 弯矩n ms 5 1 0 实施日期 0 s 7 5 s 5 1 0 2 0 0 8 1 5 本课题的主要研究工作 1 、本文在充分了解不同行人保护法规体系的基础上，基于现行推荐法规的要 求建立了行人保护部件冲击试验模型。在天津技术中心开展了相应的法规部件冲 击试验，基于试验数据进行了部件试验模型的验证工作。通过试验及仿真分析对 车型的行人保护性能进行评价。 2 、根据行人保护有限元分析工作和实际工程经验，在车型的概念设计阶段进 行针对行人保护要求的造型及结构优化。 3 、针对该车型现阶段行人保护改进中头部伤害值的优化目标和优化背景，考 虑通过稳健性优化设计的方法结合近似模型技术，以提高了头部优化设计中关键 1 0 硕士学位论文 点设计目标对变量波动的稳健性及对设计约束条件的可靠性。 4 、基于实际工程中接触到的微型客车和微型轿车头部伤害特点的不同，通过 m a d y m o 软件研究行人头部伤害在两种不同研究方式下即人车碰撞仿真研究和 子系统部件试验仿真研究下的差异，根据仿真得出的差异及原因分析针对现阶段 的部件试验评价方式提出相应的参考建议，从而增强现行法规部件冲击试验评价 方法在不同车型上的适用性。 基于部件试验法规的行人保护优化设计及其头部伤害评价方法研究 第2 章基于部件试验的行人保护有限元仿真研究 2 1 行人保护有限元建模 汽车碰撞过程是一个瞬态的复杂的物理过程，这个过程中包含了大位移、大 转动以及大应变等特征的几何非线性，材料弹塑性变形特征的材料非线性以及复 杂接触摩擦特征的接触非线性等。有限元方法的核心思想是将一个连续的求解区 域离散成一组有限的，按一定方式连接在一起的单元集合体。单元本身可以有各 种不同的形状，且其能够按照各种不同的连接方式进行结合，因此可以通过有限 元单元集合来对各种复杂的形状区域进行离散化建模，再根据实际要求进行各种 加载和约束并进行有限元计算求解【20 1 。 2 1 1 有限元建模平台 仿真模型建立的精度在很大程度上了影响了分析结果的精度，因此建立一个 适用于行人保护分析的具有较高可信度和精度的有限元模型是整个分析工作的基 础【2 1 1 。 本文有限元模型的建立及求解计算都是基于l s d y n a 软件的。l s d y n a 软 件是当前最常用的显式有限元动力分析软件，能够求解各种二维、三维非线性结 构的高速碰撞、爆炸及金属成型等非线性动力冲击问题【22 1 。目前的最新版本是 l s d y n a 9 7 1 ，现在比较常用的版本是l s d y n a 9 7 0 及9 7 1 。它们对于几何非线 性、材料非线性和接触非线性的求解具有很强的适用性。l s d y n a 软件以 l a g r a n g e 算法为主，同时兼有a l e 和e u l e r 等算法；以显式有限元求解为主，同时 兼有隐式求解的功能。 l s d y n a 作为一个比较通用的求解器，能够兼容绝大部分的主流有限元前 后处理工具，如f e m b 、h y p e r w o r k s 、a n s a 、p a t r a n 、a n s y s 等等。具体 的求解工作流程如图6 1 所示。 图2 1l s d y n a 有限元求解流 本文的前后处理软件使用目前较为通用和主流的h y