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非金属结构对行人头部保护仿真精度的影响分析
2018-09-03 22:03:19· 来源：上汽安全与CAE技术
随着2018版中国新车评价规程（C-NCAP）加入了行人保护的测试部分，行人保护性能开发也越来越受到各汽车制造商的关注。然而，C-NCAP头部评价标准中包含近200个测试点，需预先向测试机构提供所有点预测结果，若在开发过程中将所有点均进行试验测试，将耗费大量的时间和开发费用。因此，如何更准确地通过CAE仿真的手段进行行人头部保护项目开发，以此大幅减少试验数量是目前各大汽车制造商的重要研究课题。
随着2018版中国新车评价规程（C-NCAP）加入了行人保护的测试部分，行人保护性能开发也越来越受到各汽车制造商的关注。然而，C-NCAP头部评价标准中包含近200个测试点，需预先向测试机构提供所有点预测结果，若在开发过程中将所有点均进行试验测试，将耗费大量的时间和开发费用。因此，如何更准确地通过CAE仿真的手段进行行人头部保护项目开发，以此大幅减少试验数量是目前各大汽车制造商的重要研究课题。
当前金属材料仿真已相对准确，而非金属结构由于自身材料特性及仿真分析方法的原因，仿真精度仍有待进一步提升。因此，基于非金属结构对行人头部保护仿真精度的影响分析具有重要的现实意义。
▲头部保护目标测试点*及头型撞击试验示意图
*引用自2018版C-NCAP规程
1.内外板涂胶对仿真精度的影响
发动机盖涂胶为灰黑色软质黏性胶，涂装完成后还需经过电泳、烘烤等使其固化，形成具有蓬松气孔的类海绵质胶体，该胶体将发动机盖内外板牢牢的胶结在一起，在仿真分析中通常采用体单元进行模拟。
▲发动机盖成品涂胶
然而，由于涂胶的软质特性，使其在生产制造过程中不同批次的工程样件可能具有一定的形状差异性，如下图所示，这将可能对最终测试结果产生影响。
▲零件01涂胶宽度较宽
▲零件02涂胶宽度较窄
基于这种可能的差异，对某轿车车型同一测试点采用差异较大的工程样件进行测试，结果表明：在测试点附近涂胶量较大的样件在头型冲击后未产生失效，头部伤害值HIC为700以上；而涂胶量较小的样件在头型冲击后产生失效，头部伤害值HIC仅为500多，二者差异较为明显。可见，涂胶量较少时，在头型冲击过程中易产生失效，头部伤害值较小。
▲涂胶未失效
▲涂胶失效
从上述试验结果可知，涂胶宽度对行人保护结果的影响很大。因此，应控制最终成品件涂胶宽度的一致性。
同时，本文对该车型某测试点进行了不同涂胶宽度的仿真分析，如下图所示为测试点不同涂胶宽度下的加速度曲线及头部伤害值HIC对比：
结果表明：在仿真分析中，不同涂胶宽度同样在行人头部碰撞过程中反映出不同的刚度特性，随着涂胶宽度的减小，头部加速度第二波峰显著下降。最终使头部伤害值HIC约下降13%，涂胶宽度对行人保护头部伤害值的差异可在仿真分析中体现。
2.进气格栅材料失效对仿真精度的影响
空调进气格栅位于发动机前舱内，后端与前挡风玻璃卡接在一起，前端固定在流水槽钣金上，两侧固定于shotgun上，本文基于某国产SUV车型建立了有限元模型，模型及布置位置如图所示。该零件位于发动机盖下方，行人头部通过发动机盖内外板与其间接接触，将对发动机盖变形吸能产生阻碍作用，是行人头部保护开发设计的最重点优化零件之一。
▲空调进气格栅模型及所在位置示意图
由于该零件采用类PP塑料材质，因此，在行人碰撞过程中易产生断裂失效，典型空调进气格栅区域行人头部碰撞后零件损坏如下图所示：
▲某SUV车型空调进气格栅典型断裂失效
为了研究空调进气格栅材料是否失效对行人头部保护结果的影响，本文基于上文建立的有限元模型，分别代入包含不同失效程度参数的材料卡片，采用应变失效准则进行失效模拟，进行对比仿真分析。本文在该车型空调进气格栅区域选取了典型失效的C-NCAP测试点进行研究，该测试点加速度-时间曲线对比如下图所示：
▲不同失效参数加速度-时间曲线
如图中蓝色曲线所示，在4ms时，空调进气格栅产生断裂失效，加速度下行，使头部伤害HIC值降低；而红线曲线在4ms位置加速值继续增大，使HIC值增大。结果表明：仿真失效与不失效所得的仿真头部伤害值之间差异高达365，极大地影响了行人保护得分结果。综上所述，材料失效与否对行人头部保护结果影响极大，如何准确模拟空调进气格栅材料的断裂失效，对行人保护仿真精度的提升具有重要的现实意义。
▲C_8_-5点试验与仿真失效裂纹对比
上汽行人保护团队通过对断裂特性及仿真方法的分析，对空调进气格栅区域仿真精度提升的研究已经取得了一定地进展，如上图为某SUV车型空调进气格栅区域测试点仿真分析与试验结果的对比，从中可以看出，同试验结果相比，仿真失效裂纹具有较高的一致性，HIC值的误差也在允许的误差范围内。
当前金属材料仿真已相对准确，而非金属结构由于自身材料特性及仿真分析方法的原因，仿真精度仍有待进一步提升。因此，基于非金属结构对行人头部保护仿真精度的影响分析具有重要的现实意义。
▲头部保护目标测试点*及头型撞击试验示意图
*引用自2018版C-NCAP规程
1.内外板涂胶对仿真精度的影响
发动机盖涂胶为灰黑色软质黏性胶，涂装完成后还需经过电泳、烘烤等使其固化，形成具有蓬松气孔的类海绵质胶体，该胶体将发动机盖内外板牢牢的胶结在一起，在仿真分析中通常采用体单元进行模拟。
▲发动机盖成品涂胶
然而，由于涂胶的软质特性，使其在生产制造过程中不同批次的工程样件可能具有一定的形状差异性，如下图所示，这将可能对最终测试结果产生影响。
▲零件01涂胶宽度较宽
▲零件02涂胶宽度较窄
基于这种可能的差异，对某轿车车型同一测试点采用差异较大的工程样件进行测试，结果表明：在测试点附近涂胶量较大的样件在头型冲击后未产生失效，头部伤害值HIC为700以上；而涂胶量较小的样件在头型冲击后产生失效，头部伤害值HIC仅为500多，二者差异较为明显。可见，涂胶量较少时，在头型冲击过程中易产生失效，头部伤害值较小。
▲涂胶未失效
▲涂胶失效
从上述试验结果可知，涂胶宽度对行人保护结果的影响很大。因此，应控制最终成品件涂胶宽度的一致性。
同时，本文对该车型某测试点进行了不同涂胶宽度的仿真分析，如下图所示为测试点不同涂胶宽度下的加速度曲线及头部伤害值HIC对比：
结果表明：在仿真分析中，不同涂胶宽度同样在行人头部碰撞过程中反映出不同的刚度特性，随着涂胶宽度的减小，头部加速度第二波峰显著下降。最终使头部伤害值HIC约下降13%，涂胶宽度对行人保护头部伤害值的差异可在仿真分析中体现。
2.进气格栅材料失效对仿真精度的影响
空调进气格栅位于发动机前舱内，后端与前挡风玻璃卡接在一起，前端固定在流水槽钣金上，两侧固定于shotgun上，本文基于某国产SUV车型建立了有限元模型，模型及布置位置如图所示。该零件位于发动机盖下方，行人头部通过发动机盖内外板与其间接接触，将对发动机盖变形吸能产生阻碍作用，是行人头部保护开发设计的最重点优化零件之一。
▲空调进气格栅模型及所在位置示意图
由于该零件采用类PP塑料材质，因此，在行人碰撞过程中易产生断裂失效，典型空调进气格栅区域行人头部碰撞后零件损坏如下图所示：
▲某SUV车型空调进气格栅典型断裂失效
为了研究空调进气格栅材料是否失效对行人头部保护结果的影响，本文基于上文建立的有限元模型，分别代入包含不同失效程度参数的材料卡片，采用应变失效准则进行失效模拟，进行对比仿真分析。本文在该车型空调进气格栅区域选取了典型失效的C-NCAP测试点进行研究，该测试点加速度-时间曲线对比如下图所示：
▲不同失效参数加速度-时间曲线
如图中蓝色曲线所示，在4ms时，空调进气格栅产生断裂失效，加速度下行，使头部伤害HIC值降低；而红线曲线在4ms位置加速值继续增大，使HIC值增大。结果表明：仿真失效与不失效所得的仿真头部伤害值之间差异高达365，极大地影响了行人保护得分结果。综上所述，材料失效与否对行人头部保护结果影响极大，如何准确模拟空调进气格栅材料的断裂失效，对行人保护仿真精度的提升具有重要的现实意义。
▲C_8_-5点试验与仿真失效裂纹对比
上汽行人保护团队通过对断裂特性及仿真方法的分析，对空调进气格栅区域仿真精度提升的研究已经取得了一定地进展，如上图为某SUV车型空调进气格栅区域测试点仿真分析与试验结果的对比，从中可以看出，同试验结果相比，仿真失效裂纹具有较高的一致性，HIC值的误差也在允许的误差范围内。
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