[发明专利]一种行人头部冲击器模型设计方法

权利要求书

1.一种行人头部冲击器模型设计方法，其特征在于，步骤如下：

(1)行人头部冲击器有限元模型的建立：根据行人头部冲击器各项指标建立行人头部冲击器有限元模型，行人头部冲击器有限元模型包括底板、皮肤、球体和加速度传感器，在合成的皮肤外表面加一层包裹单元，避免仿真过程中出现负体积；对行人头部冲击器有限元模型进行网格划分，网格划分需要保证每个部分共面处网格节点相互重合；之后为底板、皮肤、球体、加速度传感器和包裹单元赋予材料、密度和属性；其中，合成皮肤所用的是粘弹性材料模型，粘弹性材料模型的三个参数：体积弹性模量BULK、短效剪切模量G0和长效剪切模量G1作为设计过程中的三个设计变量；由于这三个参数数值不影响模型的质量、质心和转动惯量，在初始设计时任意取值；

(2)各项指标的检查：利用有限元方法计算行人头部冲击器有限元模型的质量、质心坐标、惯性矩是否满足规定；

(3)通过跌落试验进行行人头部冲击器有限元模型的标定：以体积弹性模量BULK、短效剪切模量G0和长效剪切模量G1作为设计变量对行人头部冲击器模型进行参数优化，得到满足要求的固有频率和跌落试验合成加速度峰值；具体如下：

跌落试验设冲击器施加初始速度V₀，V₀的值由以下公式确定：

V₀＝gt (2)

其中，H为跌落高度，优化问题的数学模型如下：

式中，A_c(B_k,G0,G1)表示冲击器跌落试验合成加速度峰值；A_cmax和A_cmin分别表示标准规定的合成加速度区间的最大、最小值；f₁(B_k,G0,G1)表示冲击器第一固有频率；B_k表示合成皮肤粘弹性材料中的体积弹性模量BULK；跌落试验设计方法为优化拉丁超立方；

跌落试验设计过程由四个模块构成，模块一作用是定义跌落试验设计变量并进行跌落仿真试验，然后将相应的仿真结果输出到下一个模块；模块二作用是接收模块一输入的仿真结果，从仿真结果中采集合成加速度峰值A_c(B_k,G0,G1)，并将A_c(B_k,G0,G1)参数传递到模块三中；模块三利用传入的参数A_c(B_k,G0,G1)定义y,令y＝A_c(B_k,G0,G1)-(A_cmax+A_cmin)/2，最后将计算结果y存储到跌落试验设计的样本点库中作为相应样本点的一个结果值；模块四是对行人头部冲击器有限元模型进行模态分析并输出第一固有频率值f₁，最后将计算结果f₁存储到跌落试验设计的样本点库中作为与模块三中相应样本点的另一个结果值，模块四的3个跌落试验设计变量与模块一的跌落试验设计变量是相互关联的；在跌落试验设计中，y作为优化的最小目标函数值；由于需要采集N个样本点数据，所以模块一到模块四一共需要循环计算N次，每次设计变量的数值都在变化，最终得到N个不同的样本点数据以作为建立近似模型的数据依据；

N个样本点采集完成之后，利用径向基神经网络法建立近似模型，近似模型与实际物理模型的误差大小采用R方分析去衡量，R方响应值越接近1，近似模型与实际模型之间的误差越小，R方响应值大于0.9时，认为近似模型精确性较高，能够代替实际物理模型进行计算；

近似模型建立之后，利用此近似模型对式(3)所表达的优化问题进行参数优化，优化算法采用序列二次规划，经过迭代之后得到优化计算结果，最后将最优的计算结果数据利用有限元软件进行验证，得到最终的设计结果。