许宇能  陆善彬  叶辉

同济大学汽车学院  上海  201804

吉林大学汽车工程学院  长春  130022

　　摘要：为了实现在行人保护数值仿真之前的自动、快速、准确的前处理工作，以代替重复、繁琐且精度不高的手动参考线划分、硬点确定和模型定位，本论文在HyperMesh二次开发的基础上，根据欧洲法规（Euro NCAP）对参考线划分、硬点确定和模型定位的要求，完成了汽车行人保护数值仿真自动化前处理系统的开发，系统主要解决的问题是：保险杠上下参考线的自动创建，发动机罩前沿参考线、侧面参考线和包络线的自动创建，发动机罩硬点的自动搜索，头部模型对发动机罩的自动定位，腿部模型对保险杠的自动定位，大腿模型对保险杠和发动机罩的自动定位，可以使前处理工作变得准确而迅速。

　　1 前言

　　2009年我国发布了首部汽车对行人的碰撞保护法规（GB/T 24550-2009）[1]，行人保护已成为汽车碰撞安全研究领域的热点。

　　在行人碰撞保护CAE分析中，车辆前部碰撞区域的准确划分、冲击器模型的准确定位是关键技术。在车身造型设计阶段，必须对汽车造型的行人碰撞安全性进行评估，以消除可能对行人造成严重伤害的造型设计。这时，精确的参考线划分和冲击器模型定位是正确进行CAE仿真分析的前提。
 
　　HyperMesh是现今业内公认的一流CAE仿真分析前处理软件[2]，其本身提供的二次开发接口可以有效地提高CAE工作效率和准确性，本文基于TCL语言开发了带有自动参考线划分、硬点搜索和冲击器模型定位功能的模块，替代了繁重的手动操作，例如进行侧面参考线划分时，通常需要经过确定模型边界点坐标、绘制参考线、平移确定切点、连接切点生成轮廓线、修整轮廓线等操作；又如进行大腿模型对发动机罩前沿部位定位时，需要计算发动机罩前沿参考线高度、保险杠前伸量、查表得出大腿冲击角度、旋转并平移大腿模型、检查初始穿透并调整至合理位置、计算偏移向量等操作；而对于包络线的划分和硬点的寻找等则更加复杂，有的甚至无法用手动操作的方法实现。

　　由此可见，问题的矛盾在于如何将分析人员从繁琐、重复且耗时的划线和定位工作中解放出来，同时提高划线和定位的精确度，将原本用时几小时甚至几天的工作缩减为几分钟，提高前处理的效率，为仿真分析做好铺垫。本课题便是基于这一理念所开发的一个自动、快速、准确的行人保护数值仿真前处理系统。

　　2系统功能简述

　　该系统主要由参考线创建模块、硬点搜索模块和自动定位模块组成，按照Euro NCAP法规[3，4]对行人保护的规定和要求，完成了汽车行人保护数值仿真自动化前处理的工作。

　　2.1参考线创建模块

　　功能：根据所选部件和选项设置，完成车辆行人保护碰撞区域各参考线的自动划分，为冲击器模型碰撞目标点的选择提供参考依据。

　　2.2硬点搜索模块

　　功能：搜索硬点并自动创建硬点报告。所谓硬点，是指发动机罩下方坚硬物件与发动机罩距离较近的点，即碰撞中最可能产生伤害的点。硬点的搜索能为头部模型对发动机罩碰撞时的选点提供参考依据。

　　如图3所示为硬点搜索模块操作界面，图4为硬点自动搜索和自动创建硬点报告结果。

　　2.3自动定位模块

　　功能：读入用户填写的信息文件，根据法规要求批量完成行人保护数值仿真前处理定位工作，包括腿部模型对保险杠定位、大腿模型对保险杠定位、大腿模型对发动机罩定位、成人及儿童头部模型对发动机罩定位；并自动创建求解器输入文件。

　　如图5所示为自动定位模块操作界面，图6为头部模型自动定位的结果。

　　3 算法研究

　　3.1参考线创建算法

　　参考线创建算法包括有保险杠上下参考线创建算法、发动机罩前沿参考线创建算法、发动机罩侧面参考线创建算法、发动机罩包络线创建算法等，下面对其中所用到的截面线生成算法进行一下简要介绍。

　　在程序中经常要用到的一个方法是平面与部件相交生成截面线。由于部件通常为有限元模型，其表面为众多细小的单元，因此生成的截面线不是光滑的几何曲线，而是由许多短小的直线段连接而成的。当部件表面存在凹痕或突起时，如图7所示，生成的截面线不符合法规要求，因为法规要求的是紧贴保险杠表面拉紧的软绳，软绳不会存在凹陷，特别是当凹痕或突起较大时，会使截面线在等分时误差增大。在程序中，解决该问题所用的方法如图8所示：

图8　截面线生成算法程序流程图

　　在程序中设置了两重循环，保证能把“内凹”的节点全部剔除掉，最终的截面线是“外凸”曲线，符合法规规定“软绳”的效果。程序中对每三个连续的节点（如图4.4中的a,a+1,a+2点）进行判断，如果是“内凹”型，则剔除中间点（a+1点），然后向左边推进一个节点，对a-1,a,a+2进行相同的判断和操作，如此循环直到相邻的三节点组成“外凸”型；如果a,a+1,a+2三节点为“外凸”型，则向右边推进一个节点，对a+1,a+2,a+3进行相同的判断和操作，如此循环直到节点结束。

　　最后将筛选后剩余的点用命令连接起来，得到一条“外凸”的光滑曲线，截面线完成。

　　3.2硬点搜索算法

　　硬点搜索算法中包括有硬点位置搜索算法和硬点报告的自动创建。在硬点搜索时，需首先排除发动机罩下方没有硬件的区域，以缩小硬点的搜索范围，节省搜索时间，解决方法如图9，图10所示：

图9硬点搜索区域边线投影范围判断示意图 图10硬点搜索区域节点投影范围判断示意图

　　当 时，说明所选区域沿xz平面没有交线，不必查找。

　　图12中a为硬点搜索时的投影方向，程序中设定的值为：Adult：65度；Child：50度。当 时不必查找，即当 或 时不必查找。

　　3.3模型自动定位算法

　　模型自动定位算法包括有腿部模型对保险杠定位算法、大腿模型对保险杠定位算法、大腿模型对发动机罩定位算法、头部模型对发动机罩定位算法。在大腿模型对发动机罩定位算法中，需要查曲线图表确定法规规定的碰撞角度、速度、动能，下面以角度为例对自动查表插值算法进行介绍。

　　程序将法规给定的模型碰撞速度曲线图表进行拟合转换为数学模型，如图11所示，以实现自动查表和自动定位，程序实现方法如图12所示。

图11　速度曲线拟合结果　　　　　　　　图12插值法求速度示意图

　　程序步骤如下：

　　1) 计算得到保险杠前伸量：y2，若y2大于400mm则取为400mm，若y2小于0mm则取为0mm；发动机罩前沿参考线高度：x2；

　　2) 求出y2值对应的五个速度曲线上的值：X1,X2,X3,X4,X5；

　　3) 将x2，X1，X2，X3，X4，X5六个值从小到大排序，得出x2所在的区域，20km/h以下－区域0，20km/h至25km/h－区域1，25km/h至30km/h－区域2，30km/h至35km/h－区域3，35km/h至40km/h－区域4，40km/h以上－区域5；

　　4) 若在区域0速度为20km/h；若在区域5速度为40km/h，若在其它区域，用插值法求速度，例如若所求碰撞点所在的区域是4，该点的速度为35+L1/(L1+L2)*(40-35)km/h

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　　4 算法验证

　　4.1参考线创建算法验证

　　为了验证所开发参考线自动划分程序的精确度，将其划分结果与Oasys软件的划分结果进行比较。如图13所示，表1将自开发程序划分的参考线上的10个节点与Oasys参考线相应节点的xyz坐标值进行对比。

(a)自开发程序划线效果                 (b) Oasys划线效果

图13　包络线创建结果

　　表1　参考线划分结果对比

　　由表1的对比结果可以知道，所开发的参考线自动划分程序与Oasys软件具有相同的精确度。其最大坐标差值为5.545mm，占法规规定成人头部模型直径的3.3%，在可接受范围内，说明了所开发的程序具有一定精度。

　　4.2硬点搜索算法验证

　　将十个碰撞点碰撞仿真进行仿真，如图14所示，然后将仿真后的hic15值进行整理，如表3所示。

图14　头部撞击发动机罩仿真结果

表2　硬点区域与非硬点区域HIC值对比

　　表中node0至node4为硬点程序搜索结果给出的5个硬点位置，node5至9为在发动机罩上随机选取的位置。由表可知，由硬点搜索程序给出的五个硬点的头部伤害值大体大于非硬点区域头部伤害值，且随硬点距离的增大伤害值有下降趋势，说明自开发硬点搜索程序有较高的准确度和可信度。

　　4.3自动定位算法验证

　　为了验证所开发自动定位程序的精确度，将其定位结果，即模型从初始位置至碰撞位置的平移向量，与Oasys软件的定位结果进行比较，如表3所示。

表3自动定位结果对比

　　由表3的对比结果可以知道，所开发的头部定位程序与Oasys软件具有相同的精确度。其最大坐标差值为2.412mm，占法规规定成人头部模型直径的1.46%，在可接受范围内，说明了所开发的程序有一定精度。

　　5 结论

　　本文是基于HyperMesh二次开发接口所进行的行人保护数值仿真前处理系统开发，它能使分析人员从繁琐、重复、耗时的前处理工作中解放出来，主要实现了行人碰撞区域参考线自动划分、硬点自动搜索并自动生成报告、多目标点冲击器模型自动定位三大功能，大大提高了前处理的效率和精度。

　　6 参考文献

　　[1] GB/T 24550-2009《汽车对行人的碰撞保护》　2009.10

　　[2] 于开平，周传月．HyperMesh从入门到精通[M]．科学出版社，2005

　　[3]  European Enhanced Vehicle-safety Working Group 17 report-Improved test methods to evaluate pedestrian protection afforded by passenger ,the Netherlands:TN0 Crash-Sagety Research Centre,1998,6-8

　　[4] European Enhanced Vehicle-safety Working Group 10 Reports-Proposals for methods to evaluate pedestrian protection afforded by passenger ,the Netherlands:TN0 Crash-Satety Research Centre,1994

　　[5] 赵海鸥．LS-DYNA 动力分析指南[M]．北京：兵器工业出版，2003.9

System for Pre-Treatment Work of Numerical Simulation of Automotive Pedestrian Protection
　　
Xu Yuneng    Lu Shanbin   Ye Hui

　　Abstract：In order to achieve the numerical simulation of pedestrian protection automatically, quickly and accurately prior to the pre-treatment work to replace the duplication, red tape and lower accuracy manual creation of reference line, hard points detection and positioning of model,  this article, which is based on HyperMesh secondary development, according to the requirements of reference line, hard points detection and model positioning of European regulations (Euro NCAP), complete the development of numerical simulation of automotive pedestrian protection system. This automated pre-treatment system is to solve the following problems: the automatic creation of Upper and Lower Bumper Reference Line, Bonnet Leading Edge Reference Line, Bonnet Side Reference Line and Wrap Around Distance, the automatic search of bonnet hard points for the headform, headform to bonnet positioning, legform to bumper positioning, upper legform to bumper and bonnet positioning, it can make the pre-treatment work faster and more accurate.

　　Keywords：HyperMesh Pedestrian Protection Reference Line Positioning         Hard Points Algorithm