1 概述

交通事故伤害中，约65%为易受伤害的道路使用者。行人作为道路使用者中的弱势群体，属于交通事故中的高危人群，死亡率极高。车辆与行人碰撞事故中，人体的损伤部位可以覆盖全身，行人头部和下肢损伤几率最大。研究表明，行人头部和下肢损伤在汽车与行人碰撞造成的损伤中各占约30%。尽管人体腿及膝关节的损伤一般不会有生命危险，但常常会造成人的终生残废或丧失工作能力。

国外在行人保护方面做了大量的研究工作，并将研究成果最终体现在行人保护法规的制定中。目前，欧盟国家、美国、澳大利亚、加拿大、日本、韩国和中国都已制定或正在制定符合各国国情和交通状况的行人保护标准。各国行人保护法规的测试内容和评价标准略有不同，但比较典型的行人保护试验方法均为汽车与行人碰撞安全性的部件冲击试验评价方法。试验主要包括以下几个方面：
1）腿部模块和保险杠的碰撞试验。试验主要测量膝关节弯曲角度、膝关节剪切变形和小腿上部加速度等参数。
2）大腿模块和发动机罩前缘的碰撞试验。试验主要测量碰撞力和弯矩。
3）头部模块（包括成人头部和儿童头部）和发动机罩上表面的碰撞试验。试验主要测量头部损伤值HIC。

利用各模块冲击器与汽车进行碰撞试验，能够真实反映汽车的行人安全保护性能，但是冲击器的制造和相关的试验需要很大的资金投入，而且每次碰撞试验后冲击器的某些部件需要更换，不能重复使用，使研究费用进一步增多。通过建立冲击器的碰撞模型，并应用有限元仿真分析技术，可以实现各模块冲击器与汽车碰撞过程的仿真。不仅可以对碰撞过程进行细致的动态演示，还可以在新车开发阶段对整车的碰撞安全性能进行预测和改进优化。

本文以小腿部冲击器为模拟对象，利用HyperWorks的前处理软件HyperMesh建立冲击器和整车的有限元模型，对小腿与汽车碰撞过程进行计算机模拟，并通过后处理软件HyperView对仿真结果进行分析，比较仿真模拟结果与试验结果，验证仿真模型及结果的可靠性。

2 有限元模型的建立

小腿部冲击器及整车模型均在HyperWorks的前处理软件HyperMesh中建立。HyperMesh是一个高性能的CAE和CFD前处理器，提供最广泛的CAD、CAE和CFD软件接口，可以与任何仿真环境无缝集成，尤其提供了与各种CAD数据格式的直接接口，避免为进行数据格式转换而可能造成的数据丢失，在汽车、航天等行业中应用广泛。

2.1 网格划分

腿部冲击器的有限元模型及结构如图1所示。腿部冲击器由两个外覆泡沫的刚性节组成，冲击器总长为926mm，质量为13.4kg，小腿非撞击侧安装加速度传感器，位置在膝部中心下66mm处。

图1 腿部冲击器有限元模型及结构示意图

为了提高运算速度，考虑到汽车与行人碰撞过程中，行人腿部只会影响到汽车保险杠等前部结构，所以在建立的仿真模型中，只取汽车A柱之前的部分并进行一定的简化，如省略前车灯、雾灯等对碰撞结果影响较小的部件。单元网格尺寸约为8mm左右，最大网格尺寸不超过15mm，最小不小于5mm。其中节点总数为221852，单元总数为214847，component共174个。单元翘曲度以及四边形和三角形单元内角的角度范围都进行了严格的控制。整车中的螺栓连接采用RBE2模拟，涂胶方式采用具有胶黏剂材料特性的六面体单元来实现，其他焊接采用bolt和cweld方式模拟。最终建立的用于行人保护分析的汽车有限元模型 。如图2所示。

图2 某车型行人保护有限元模型

2.2 约束条件

本文所采用的模型并不是整车模型，而是选取了A柱之前的部分，所以在悬置、A柱和门槛梁处施加一个全约束，约束六个自由度，如图3所示。这样仿真既不失其真实性，又提高了运算速度。

2.3 碰撞条件

本文按照GTR法规的冲击测试要求进行仿真分析，根据法规要求，定义腿部冲击器的速度为40km/h，碰撞角度为0°。碰撞位置取汽车的牌照中心，如图4所示。仿真模型在LS-DYNA中进行计算，计算时间为40ms。

图3 整车约束条件                 图4 腿部冲击器与汽车碰撞仿真模型

3 仿真结果分析

本文利用HyperView软件对仿真结果进行后处理。HyperView是一个强大且全面的CAE仿真和试验的后处理可视化环境，具有直观的、高性能的图形界面，能够显著降低工程分析的时间和成本。

HyperView可以直接输出法规所考察的参数，即胫骨加速度、膝关节剪切位移和膝关节弯曲角度。通过比较，仿真结果与试验数据具有较好的一致性，各参数之间的误差分别为4.69%、9.91%、1.64%，如图5、图6、图7所示。以上分析结果表明，计算机仿真模拟能较好的反映腿部冲击器与汽车的碰撞过程，能够对腿部及膝关节的损伤程度进行正确预测。

图5 胫骨加速度仿真与试验结果对比

图6 膝关节剪切位移仿真与试验结果对比

图7 膝关节弯曲角度仿真与试验结果对比

4 结论

由以上分析结果可见，HyperWorks在汽车与行人腿部碰撞仿真分析中发挥了极大的作用。本文在其软件支持下，应用有限元法和计算机仿真模拟技术，对腿部冲击器与汽车的碰撞过程进行模拟分析。其仿真结果与试验数据有较好的一致性，为汽车与行人碰撞过程的研究提供了更有效更经济可行的方法。在新车开发设计阶段，能够正确预测整车的行人保护安全性能并为其性能优化提供参考依据。