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面向自适应约束系统的多体征乘员碰撞仿真与损伤分析

张恺  
【摘要】:在汽车碰撞事故中,弱势群体如老年、肥胖、女性乘员相较中等体型中年男性乘员有着更高的受伤及死亡比例。人口老龄化和肥胖人口比例的增加这两大因素使这一社会问题日益显著。传统乘员约束系统在设计时,常常只以50百分位男性假人作为设计目标。在如何准确评估弱势群体在碰撞中的力学响应、改进约束系统的构型以拓宽其保护效能等方面的研究还存在明显的不足。自适应约束系统旨在根据乘员体征以及碰撞类型主动调整约束系统参数以提高对乘员的保护效果,但目前其研究仍然停留在概念层面。限制其发展的一个重要因素便是缺少合适的研究工具。在进行自适应约束系统的设计时,需要充分考虑具有不同人体特征的乘员在碰撞过程中的动力学响应,目前的碰撞测试假人以及人体模型远远不能满足这一研究需求。近年来,密歇根大学交通研究所(UMTRI)提出了参数化有限元人体模型的概念,目的在于构建能够涵盖人体骨骼和体表几何形态多样性的模型。但限于当时的研究数据和手段,该方法尚不能全自动、大规模生成差异化人体模型。此外,由于此前选取的基准人体模型较为复杂,致使进行大规模碰撞仿真的计算成本急剧增大,利用多个人体模型进行约束系统优化设计的可行性受到了严重限制。因此,为进一步拓展参数化人体有限元模型在表征人体多样性方面的能力、研究不同人体参数对乘员碰撞损伤风险的影响机理、探究利用参数化人体模型开展约束系统优化设计及自适应约束系统开发的可行性,本文提出了一种全自动、快速生成高效人体有限元模型的建立方法,并利用该方法生成了100余个人体有限元模型以表征人体多样性;首次对典型参数化有限元人体模型开展了全面的碰撞仿真验证;利用多体征差异化人体模型进行了局部刚性冲击仿真及整车正面碰撞仿真并分析了其力学响应和乘员损伤风险;利用多个参数化人体模型对约束系统进行了正面碰撞优化设计并对基于参数化人体模型的自适应约束系统设计思路进行了初步探究。具体的研究重点与创新点如下:1、根据全新的基准人体有限元模型的特征,提出了一套全自动、快速生成高效人体有限元模型的方法。该方法基于已建立的人体主要骨骼参数化模型(胸腔、骨盆、股骨、胫骨)和体表参数化模型,通过骨骼特征点定位、径向基函数插值和局部网格变形策略,将一个计算效率较高的基准有限元模型映射到目标几何上。基于人口统计数据,采用拉丁超立方采样方法均匀选取成年男性和女性各50名,将这100个样本所对应的年龄、身高、BMI(Body Mass Index,身体质量指数)和性别作为输入参数,快速、自动生成差异化的人体有限元模型。分析表明:这些模型不仅具有较好的网格质量,同时能够充分体现人群的多样性。2、参数化人体有限元模型的验证。利用文献中可检索到的大量尸体试验结果,对生成的中等体型男性模型开展了全面的局部刚性冲击与台车碰撞仿真。结果表明:该人体模型具有良好的生物逼真度,进而验证了参数化建模方法的有效性。首次对大样本量的人体有限元模型开展了局部碰撞仿真,评估了多体征人体模型的求解稳定性,并研究了各个体征参数对人体动力学响应的影响。结果表明:局部冲击载荷下人体体征差异所导致的力学响应差异明显,而常用的5百分位、50百分位及95百分位人体并不能很好地涵盖人体力学响应的差异性。3、多体征参数化人体有限元模型整车碰撞仿真及乘员损伤分析。为进一步探究人体多样性在汽车碰撞中对人体损伤的影响,以某一中级轿车在美国新车评价规程(US-NCAP)中的正面碰撞为例,结合UMTRI驾驶员坐姿回归统计模型,提出了一套适用于多体征人体有限元模型的碰撞仿真方法和乘员损伤评价方法。该方法具有较强的可重复性和一致性,重点解决了人体在车内定位、快速仿真设置、损伤评价等科学问题。结果表明:在碰撞过程中个体损伤差异明显;随着BMI的增大,下肢损伤风险加剧;初始约束系统构型对50百分位附近男性群体有较好的保护效果,但使得矮小、女性、肥胖人群的损伤风险偏高。4、基于参数化人体有限元模型的约束系统优化。针对已得到的人群损伤分布特征,选取了三个损伤风险较高的人体模型(瘦小女性、小个肥胖女性、大个肥胖男性)作为研究对象,以约束系统六个主要参数作为优化设计变量,构建径向基函数响应面模型,对多个参数化人体有限元模型开展了约束系统优化设计研究。优化结果表明:通过调节约束系统参数,个体的损伤风险显著降低。最后,探究了多体征人体有限元模型在不同约束系统构型下的损伤分布特点。研究表明:最有利于小个肥胖女性的约束系统构型能够显著提高女性、小个人群的保护效果,但削弱了对其他群体的保护效能。因此,单一的约束系统设计无法为整个人群都提供较好的保护,自适应约束系统的研发具有重要意义。本文的研究工作为进一步研究人体差异对损伤机理的影响提供了依据,为科学地开展多体征人体模型整车碰撞仿真及乘员损伤分析提供了参考,为自适应约束系统的开发提供了可资借鉴的工具;在最大限度地拓宽约束系统对乘员保护方面具有重要意义。


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