碰撞仿真技术在人体腿及膝关节与汽车保险杠碰撞研究中的应用

根据汽车与行人碰撞时人体腿及膝关节部位的生物力学特性 ,应用有限元方法和碰撞模拟技术 ,对用于研究人体腿及膝关节与汽车保险杠碰撞的腿部仿形器的碰撞过程进行计算机模拟碰撞研究 ,与对应的腿部仿形器和保险杠的碰撞试验对比 ,有较好的吻合 ,从而为进一步研究行人与汽车碰撞时汽车保险杠和前部结构参数对人体腿及膝关节和其他部位损伤程度的影响 ,提供更有效更经济的方法。

行人小腿碰撞有限元建模方法的研究

首先根据欧盟EEVC标准要求,建立了模拟行人皮肤、肌肉和骨骼的小腿冲击器模型,并通过静态和动态试验进行了验证。接着建立包括保险杠、纵梁和发动机罩等在内的车辆前端模型,结合上述小腿冲击器模型,组成行人小腿-车辆前端碰撞模型。最后,对该碰撞模型进行仿真与验证。

满足行人腿部保护要求的保险杠部件改进

介绍我国行人保护推荐标准中的下腿型对保险杠的试验,并对刚性下腿型冲击器模型进行标定,确定其满足标准对试验冲击器的要求。将保险杠总成几何模型合理简化并转化为有限元网格,赋予应变率相关的材料,按照标准选择碰撞点,建立了完整的下腿型对保险杠试验的有限元模型。根据试算结果,对吸能泡沫部件进行改进设计,并应用于仿真分析,验证了下腿型冲击器的各项指标满足行人保护要求;同时根据仿真能量统计得出结论,吸能泡沫部件对于行人腿部保护具有重要作用。并总结了改进吸能部件的方法。

行人安全测试现行腿型冲击器的生物逼真度

探究了在车辆结构碰撞中腿型冲击器与真实人体响应的差异性。选择了高生物逼真度冲击器和更科学的、可反映实际碰撞事故中人体损伤情况的评价方法。在轿车和运动型多功能车(SUV)车型上,运用有限元方法,分析了3种腿型冲击器和人体模型动力学响应情况;对比了小腿、大腿、膝关节以及骨盆部位的损伤指标。结果表明:先进行人腿型(aPLI)中膝关节内侧副韧带腿型(MCL)比柔性腿型(Flex-PLI)的生物逼真度更好;aPLI腿型的大腿弯矩比刚性腿型(TRL)生物逼真度更好;但aPLI腿型对SUV车型发罩前缘对骨盆造成的损伤评估不全面。因此,在行人下肢评价中采用aPLI腿型和TRL腿型测试,能更全面地评估行人的损伤情况。

行人大腿冲击器的生物仿真度

针对汽车行人保护碰撞试验中大腿冲击器的生物力学特性问题,采用THUMS(total human model for safety)人体模型与大腿冲击器进行对比仿真分析.模拟THUMS-SUV行人交通事故,并对THUMS人体模型大腿所受冲击力和弯矩进行了输出.根据事故中行人大腿初始碰撞条件和行人大腿最低能量状态,分别建立两种工况的行人大腿冲击器碰撞模型并进行模拟,对比分析行人大腿冲击器和THUMS人体模型大腿的动态响应、最大瞬间冲击力和最大弯矩.仿真结果表明:相对THUMS人体模型而言,大腿冲击器的最大瞬间冲击力偏高而最大弯矩偏低,行人小腿和上身的运动和接触作用,会影响大腿部位的接触力和最大弯矩,因此大腿冲击器的生物仿真度有待提高.

小腿冲击器动力学分析简化模型

针对行人与车辆碰撞中行人小腿的保护问题,建立基于MCKF模型和简单梁理论的新型小腿冲击器二维多体动力学模型.用柔性体模拟韧带以满足小腿冲击器对膝关节建模的较高精度要求;将不同阻尼系数和刚度系数引入多体模型以满足某些连接部位的阻尼和刚性要求.参考ECRNo.631/2009中的小腿冲击器动态试验并改进原始的刚性冲击锤的材料,将由此建立的MCKF模型与LSTC公司建立的模型进行对比,结果表明:MCKF模型可准确预测小腿冲击器加速度、弯曲角度和剪切位移,EA曲线的趋势与LSTC公司的模型类似.MCKF模型可辅助设计师完成车辆前部结构的前期开发工作.