基于HyperStudy行人與車輛碰撞腿部傷害分析

1 引言

近年來與行人有關的人車碰撞安全問題，已經成為車輛安全性能開發的熱點[1]。據日本調查統計，在非致命的汽車與行人碰撞交通事故中，下肢損傷占40%[2]。為了降低行人腿部所受的傷害通常在車輛前端增加防護結構吸收行人腿部的碰撞能量，來減輕行人腿部所受傷害。腿部防護結構的材料、厚度及相對與小腿模型的碰撞位置關系均對行人小腿傷害產生影響。因此本文利用HyperStudy軟件對影響小腿傷害值的關鍵參數進行DOE實驗設計，通過分析找出主要影響參數進而進行設計改進。

2 Study模型建立

本文首先利用Altair公司HyperMesh軟件進行行人與車輛有限元仿真模型搭建，如圖1所示。建模時僅考慮前端結構對小腿碰撞的影響，基本網格尺寸控制在5mm×5mm[3]。

圖1 行人小腿碰撞有限元模型

將搭建好的有限元模型導出.K文件格式并利用LS-DYNA求解器進行計算。因此在HyperStudy中需要配置LS-DYNA求解器執行腳本，并設置求解器輸入相關要求，包括存儲路徑、CPU個數設置、運算內存設置。

2.1 設計變量定義

腿部防護結構通常由前橫梁吸能泡沫和安裝在發動機底部護板上方的塑料支撐件組成，吸能泡沫壓縮剛度及支撐件的X向剛度的設計尤為重要。另外小腿碰撞模型與車輛前端第一接觸時刻，小腿底部離地面間隙也會對小腿傷害產生一定影響。如圖2所示，黃色部分為小腿沖擊模塊、綠色部分為緩沖塊泡沫、藍色部分為下支撐件。

圖2 腿部防護結構示意圖

因此考慮以上因素，選取DOE設計變量為小腿底部離地面間隙H、吸能泡沫密度RO、發動機底部支撐件厚度T。設計變量及其水平見表1所示。

表1 設計變量及其水平

2.2 響應定義

本次實驗分析的目的就是為了降低行人小腿傷害值，系統的輸出（響應）是行人小腿傷害值即脛骨加速度(X-ACC)、膝部彎曲角(BENDING)、膝部剪切位移(SHEARING)。HYPERSTUDY中定義的響應表達式見表2所示。

表2 響應表達式

3 DOE分析

3.1 DOE模型建立

DOE控制方法采用完全因子實驗法，它通過對所有變量的所有水平進行組合來設計實驗[4]。

本例中設計變量采用3個水平等級，在實驗安排后，共產生27組計算文件，圖3為變量的3D散點圖示，其中Z軸代表變量H值，X、Y軸分別代表RO和T值。

圖3 變量H運行的3D矩陣圖示

3.2 DOE結果分析

計算后行人小腿傷害值結果蛇形圖如圖4所示。

圖4 行人小腿傷害值蛇形圖

3.2.1線性相關性

根據HyperStudy計算結果，設計變量及響應的線性相關性如圖5所示。由圖中可知，設計變量發動機底部支撐件厚度(T)與脛骨加速度值(X-ACC)相關性較高，達到0.92，說明T的變化會顯著影響到X-ACC的變化；設計變量發動機底部支撐件厚度(T)、小腿離地高度(H)與膝部彎曲角(BENDING)呈負相關關系，說明T與H的增加會導致BENDING值的降低；設計變量發動機底部支撐件厚度(T)與膝部剪切位移呈一定負相關關系。從結果來看設計變量吸能泡沫密度(RO)對小腿傷害的影響不大。