莫明立,杨海威，贺岩松

(1．重庆工商职业学院 汽车工程学院，重庆 400052；2．重庆大学 机械工程学院，重庆 400044)



轿车-行人腿部碰撞的有限元仿真与分析

莫明立1,杨海威2，贺岩松2

(1．重庆工商职业学院 汽车工程学院，重庆 400052；2．重庆大学 机械工程学院，重庆 400044)

在行人与轿车碰撞的交通事故中，行人下肢是主要的受伤部位。运用Hypermesh软件，建立了某型轿车保险杠对行人下肢的碰撞有限元模型，采用LS-DYNA进行了求解计算，得到了符合欧洲E-NCAP法规的胫骨加速度、膝部弯曲角和膝部剪切位移等三方面的伤害值仿真结果，并与相应试验结果进行了对比，指出了该车需要针对前保险杠行人保护性能进行结构优化与改进。

交通工程；交通安全；人车碰撞；保险杠；仿真分析

随着我国汽车产销量的高速发展及家用汽车的广泛普及，交通事故问题越来越严重，成为日益突出的社会问题。 2011年我国道路交通事故死亡人数多达6万余人，给社会和家庭造成了巨大损失。行人是交通参与者中的弱势群体，没有像车内乘成员那样的保护空间，在道路交通事故中极易受到严重伤害，行人死亡人数占到整个死亡人数的1/4。在行人受伤案例中，有45%的腿部伤害是由保险杠与行人下肢相撞造成[1- 4]。

国内外对行人保护的研究开展较早，在20世纪60年代中期，澳大利亚Robertson等开始对行人安全问题开展研究[5- 8]；美国和欧盟于20世纪70年代中期开始对人体损伤机理、耐受限度、损伤防护及安全措施开展研究[9]；在20世纪80年代初，研究人员开始关注交通事故的调查与分析，并建立相应的事故数据库(如德国的GIDAS，日本的ITARDA等)，通过对交通事故的统计和分析，为行人保护的试验方法和车辆结构改进提供支持；到20世纪80年代末，欧洲车辆安全委员会(EEVC)开始有关行人保护试验模型及试验程序的研究，提出了较完善的行人保护性能评价试验程序；2001年E-NCAP将行人保护试验引入到新车星级评价体系之中[10]。

因此，研究轿车对行人腿部的碰撞保护，对轿车前部-人的碰撞进行有限元仿真计算与分析，进而优化轿车保险杆结构设计，降低行人碰撞损伤，减少事故财产及精神损失，对汽车制造厂商和广大交通参与者都有着重要意义。

1 行人模型与行人腿部碰撞试验评价

1.1 行人碰撞模型

行人碰撞模型的建立是研究汽车对行人损伤的基础，具有较高人体生物逼真度的行人模型对试验的有效性与准确性有着重要影响。国内外在行人模型方面开展了许多研究工作，开发出了一系列生物拟合性较好的专用行人假人，包含可用于实车试验的实物模型和用于仿真的有限元/多刚体模型。行人模型广泛应用于分析轿车前部造型及结构对行人损伤的影响，其试验结果与人体在实际碰撞中的损伤基本相符[11]。

1.2 行人腿部碰撞伤害试验评价

欧洲车辆安全委员会采用部件代替人体关键部位来考察汽车前部对行人的伤害情况[12]，如图1。

图1 EEVC行人保护法规冲击器试验

试验包含：①小腿撞击器模型与保险杠的碰撞试验。通过小腿冲击器膝关节的弯曲角度、剪切变形和胫骨加速度来考察轿车前部对行人小腿的保护性能，用以指导改进轿车的保险杆设计；②大腿冲击器模型与发动机罩的碰撞试验。通过测量碰撞过程中冲击器的受力情况,考核发动机舱盖对行人大腿的伤害情况；③头部冲击器模型与发动机罩的碰撞试验。头部试验分为成人头部碰撞和儿童头部碰撞两个部分，头部的损伤情况用HIC值来评价。

行人冲击器模型由于其结构简单、试验成本低、可重复性高，广泛的用于分析轿车前部对行人的损伤程度，是评价新车行人安全性能的主要方法。国际标准化组织(ISO)、国际技术法规组织(GTR)、美国的UN/ECE工作组、日本国土交通省(MLIT)等机构也提出了相应的试验法规，我国于2009年出台了对于行人的保护法规。

1.3 行人碰撞损伤评价

在轿车与行人的交通事故中，行人受到接触力和惯性力综合作用，身体的部位(如骨骼、肌肉、韧带等)会产生相应力学响应，当这些响应超过人体承受极限，就会导致人体组织永久性伤害。腿部伤害是行人在交通事故中致残的主要原因，国内外学者通过对腿部伤害机理方面的研究，分别从生理学、力学、社会学等角度对人体解剖结构的损坏、功能丧失及社会经济损失等方面进行评定，制定了相应的损伤评价标准。主要有：生理学尺度标准(GCS)、简略损伤标准(AIS)以及社会学尺度标准(ICS)[13]。交通事故中，人体的损伤通常采用AIS标准来认定。表1为AIS与人体损伤程度之间的对应关系，AIS等级越高，表明伤害程度越严重。

行人下肢的损伤主要有骨骼骨折、软组织损伤、关节损伤，按照AIS分级，一般在1到3级之间。在行人保护法规中，对行人下肢的损伤考核通常采用EEVC提出的力学评价标准，考核膝关节弯曲角度、剪切位移、胫骨加速度等3个方面。

表1 AIS损伤评分原则

2 碰撞仿真与分析

行人与汽车碰撞通常是大位移、大变形的瞬态过程，即使采用高速摄像机也很难捕捉到车上多个零件的变形过程。运用Hypermesh软件建立腿部对保险杠的碰撞模型，并利用LS-DYNA进行求解计算，可方便地获取汽车各个部件的应力、变形过程，且能方便地进行多个零部件的替换和对比验证，试验成本大大降低，开发效率显著提高，广泛应用于汽车碰撞以及汽车与行人的碰撞分析之中。

2.1 有限元计算模型建立

为降低计算工作量，缩短仿真时间，车辆模型中只选取了轿车前端对试验影响较大的部件，包含前保险杠、前防撞梁、前纵梁、冷凝器及支架、大灯、翼子板、发动机舱盖等，去掉悬架、副车架以及远离保险杠的零部件。前保险杠、大灯、格栅等与腿部直接接触的部件取单元尺寸为4 mm；翼子板、机舱盖等离保险杠较近的零部件采用6 mm的单元，远离保险杠的零部件采用8 mm的单元建模。车辆前部模型包含341 052个节点，329 857个单元，其中三角形单元占总单元比例约为4%。

腿部有限元模型长926 mm，重13.4 kg。根据E-NCAP法规设定边界条件，腿部撞击速度为11.1 m/s，撞击器底端与地面距离为25 mm，如图2。仿真计算和试验的撞击点一致，分别在横向坐标y=0 mm和y=397 mm处。

设置车辆与冲击器接触、车辆自身接触、模型沙漏控制模式、时间步长等参数，仿真计算时间设为45 ms。速度、加速度、力以及能量的输出时间间隔均为0.1 ms，将建立的模型导入LS-DYNA求解器进行求解。

图2 仿真模型与工况

2.2 仿真结果分析

从仿真计算输出中提取的全局能量变化曲线、能量值等可以看出在碰撞过程中总能量保持稳定，内能与动能增减情况正常，沙漏能及接触截面能最大值与总能量比值均满足碰撞仿真精度要求。有限元模型运动姿态仿真与试验结果能保持较好的一致性，同时整个碰撞过程零部件没有异常脱落和变形。

分别提取仿真试验中y=0 mm处和y=397 mm处的伤害值曲线，并按照E-NCAP法规规定，对伤害值曲线进行滤波处理，对滤波后的伤害值曲线与试验进行对比，峰值数据见表2。

表2 仿真值与试验值对比

由表2可知，仿真与试验获得的伤害值变化趋势的一致性较好，峰值大小比较接近，说明有限元模型具有可信的仿真准确性，可以作为实际分析的基础。

在y=0 mm处的胫骨加速度、膝部弯曲角和膝部剪切位移的仿真与试验结果曲线如图3。

图3 y=0 mm处试验与仿真伤害曲线

由表2 和图3可知，该车在行人保护的3个伤害指标中，两个撞击点的胫骨加速度分别达到195.9g和212.0g，均超过了150g；膝部弯曲角分别达到了22.2°和18.8°，超过了法规上限15°。可见其中除了剪切位移满足法规要求外，其余2项全部超标，说明该车的前保险杠行人保护性能较差，需要进行结构优化与改进。

3 保险杠结构改进建议

根据上述人腿部碰撞的有限元仿真与分析得知，案例保险杠在发生于行人碰撞时，行人的腿部损伤较大。为此有必要对其结构进行结构改进，具体建议是：适当增加保险杠前部的圆弧半径和圆弧长度能增加能量的吸收，保险杠厚度为1.5～2 mm也能较好的吸收碰撞能量；降低保险杠高度能有效的减少膝关节弯曲程度和位移和小腿碰撞时的加速度；增加保险杠后缩尺寸可有效减少碰撞时的胫骨加速度[14-15]。

4 结 语

采用Hypermesh软件建立某型轿车的前部保险杠对行人下肢的碰撞有限元模型，利用LS-DYNA软件进行求解，并与试验结果进行了对比，有限元仿真和试验获得的伤害值变化趋势结果具有较好的一致性；根据欧洲E-NCAP法规对比了在规定位置处的胫骨加速度、膝部弯曲角和膝部剪切位移等伤害性指标的仿真与试验结果，指出该车的前保险杠行人保护性能较差，需要进行优化改进。

[1] 乔维高,王宇航.汽车与行人碰撞中行人保护的研究现状及发展趋势[J].北京汽车,2008,4:22-24. Qiao Weigao,Wang Yuhang.Research on the present situation and development trend of pedestrian protection in collision [J].Journal of Beijing Auto,2008,4: 22-24.

[2] World Health Organization.Global Status Report on Road Safety [R].Switzerland: Department of Violence & Injury Prevention & Disability,2009.

[3] 孔春玉.车辆碰撞行人事故与损伤流行病学调查研究[D].长沙:湖南大学,2010. Kong Chunyu.An In-Depth Investigation of Vehicle-Pedestrian Impact Accidents and Injury Epidemiology [D].Changsha: Hunan University,2010.

[4] 王芳.汽车行人事故中行人伤害机理的研究[D].西安:长安大学,2011. Wang Fang.The Research on the Injury Mechanism of Pedestrian in Vehicle-Pedestrian Collisions [D].Xi’an: Chang’an university,2011.

[5] 陈勇.儿童行人在汽车碰撞中头部损伤的防护技术研究[D].长沙:湖南大学,2008. Chen Yong.The Research on Protection of Head Injury of Child Pedestrian in Car Crash [D].Changsha: Hunan University,2008.

[6] Viano C,King A I,Melvin J W,et al.Injury biomechanics research: an essential element in the prevention of trauma [J].Journal of Biomechanics,1989,22(5): 403-417.

[7] 邱峻.中国交通事故和交通伤成因、特点与趋势研究[D].重庆:第三军医大学,2009. Qiu Jun.Analysis on Causes,Features and Trend of Road Traffic Crashes and Traffic Injuries in China [D].Chongqing: Third Military Medical University of Chinese P.L.A,2009.

[8] Robertson J S,Melen A J,Ryan G A.Traffic accident in Adelaide,South Australia [R].AU: Australia Road Research Board,1966: 52-53.

[9] Pitz H B,Hassler C R,Herrdge J T,et al.Experimental Study of Pedestrian Injury Minimization through Vehicle Design [C]// California : Conference of 19thSTAPP Car Crash.1975: 251-255.

[10] European New Car Assessment Program.Pedestrian Testing Protocol Version 5.3[S].Euro NCAP,2011.

[11] 乔维高,王希诚.汽车前部结构对行人碰撞伤害影响的仿真研究[J].武汉理工大学学报: 交通科学与工程版,2008,32(2): 218-221. Qiao Weigao,Wang Xicheng.Simulation on injury severity of pedestrian impacted by improved vehicle front structure [J].Journal of Wuhan University of Technology: Transportation Science & Engineering,2008,32(2):218-221.

[12] EEVC Working Group 17 Report: Improved Test Methods to Evaluate Pedestrian Protection Afforded by Passenger Cars [R].Brussels: EEVC,1998.

[13] Wismans J M,Jahssen E G,Beusenberg M,et al.Injury Biomechanics [M].3rdEd.Netherlands: TNO and Eindhoven University,2000.

[14] 程秀生,张吉国,周刚,等.汽车保险杠参数对人体腿部损伤程度的影响[J].吉林大学学报,2003,33(2):25-31. Cheng Xiusheng,Zhang Jiguo,Zhou Gang,et al.Effect of bumper parameters on leg and knee injuries [J].Journal of Jilin University: Engineering and Technology,2003,33(2): 25-31.

[15] 李继川,程秀生.汽车前部保险杠的耐撞性及结构优化方法[J].汽车工程,2008,30(11):984-986. Li Jichuan,Cheng Xiusheng.Crashworthiness and structural optimization of front bumper [J].Automobile Engineering,2008,30(11):984-986.

Finite Element Simulation and Analysis of Vehicle-Pedestrian Leg Collision

Mo Mingli1, Yang Haiwei2, He Yansong2

(1. College of Automotive Engineering, Chongqing Technology & Business Institute, Chongqing 400052, China;2. College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The lower extremities are the main injured part when a pedestrian is involved in a traffic accident. A finite element model of collision between the car bumper and pedestrian lower leg was developed with Hypermesh software, and LS-DYNA software was used to calculate and solve. The pedestrian leg injury index of tibia acceleration, knee bending angle and knee shearing displacement were presented according to E-NCAP methods. The finite element model simulation results were validated with those of the car testing. It is indicated that it is necessary for the car to optimize the bumper system in order to improve the pedestrian leg protection.

traffic engineering; traffic safety; pedestrian-vehicle accidents; car bumper; simulated analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.20

2014-03-10；

2014-04-23

莫明立(1973—)，男，四川遂宁人，副教授，主要从事汽车安全与故障诊断方面的研究。E-mail: 150011354@qq.com。

U612

A

1674-0696(2015)04-103-04