[发明专利]一种行人头部冲击器模型设计方法

说明书

本发明提供一种行人头部冲击器模型设计方法，属于头部冲击器设计领域。在科学研究中，行人头部冲击器是模拟行人头部的重要工具，而为了节约成本，通过有限元数值模拟技术来评价各种不同结构类型的发动机罩的安全保护性能已成为一种不可或缺的研究方式。本发明为头部碰撞仿真测试建立了成人头部冲击器有限元模型，并对模型的各项数据进行了验证。验证结果表明，本研究开发的头模有限元模型的特征满足法规要求。

技术领域

本发明涉及一种行人头部冲击器模型有限元数值模拟以及参数优化方法，属于行人头部冲击器设计领域

技术背景

行人头部冲击器是研究行人保护的关键性工具，通过有限元数值模拟技术对发动机罩进行碰撞保护性能评估一直都是不可或缺的重要手段，头型冲击器的性能参数准确与否直接关系到碰撞仿真结果的可靠性。中国新车相关规范中明确规定了儿童和成人冲击器的各项性能指标(表1列举了成人头部冲击器的相关指标，其中GC表示球体的几何中心)。

表1成人头部冲击器各项指标

Tso-Liang Teng等人根据欧洲车辆安全委员会(EEVC)规定的标准利用有限元软件建立了行人头部有限元模型。Costin等人介绍了一种成人头部冲击器有限元建模方法，并利用该模型对一款优化后的发动机罩进行了有限元碰撞仿真。Yasuhiro Matsui根据国际标准化组织(ISO)和国际协调研究活动组织(IHRA)标准研制出了实体模型并利用有限元进行了验证。但是这些方法都是建立在实体模型以及试验数据的基础之上的，过程复杂且工作量大，耗时长。因此，通过有限元方法以及参数优化设计出符合标准的行人头部冲击器模型，避免复杂的试验测试过程，可以大大简化工作量，提高工作效率。

发明内容

针对行人保护中行人头部撞击发动机罩的数值模拟问题，本发明提供了一种建立成人头部冲击器有限元模型方法，通过这种方式，可以在没有试验的条件下，也能够完成头部冲击器的建立并进行后续研究。

一种行人头部冲击器模型设计方法，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)人头部冲击器有限元模型的标定(跌落试验)：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：