一种汽车碰撞假人头部损伤预测方法

技术领域

本发明一般涉及车辆安全测试技术领域，具体涉及一种汽车碰撞假人头部损伤预测方法。

背景技术

随着目前国内汽车保有量的增加，汽车安全性越来越受到消费者的重视，目前在汽车开发过程中检测其安全性能的方法主要是通过汽车碰撞试验，考虑汽车碰撞试验具有较大的危险性，汽车碰撞假人成为了汽车碰撞试验的基础工具，代替真人进行试验，从而实现对真人在真实碰撞过程中的情况进行模拟，对汽车安全的发展有着至关重要的作用。

对头部损伤的预测有助于对车辆的安全性能改进进行指导，目前研究头部损伤的方法包括尸体实验或者志愿者试验，对于尸体实验来说尸体样本的获取和试验开展较为困难，对于志愿者实验来说，具有较大局限性，因为人体的耐受限度有限，无法做中高速度下的试验。基于以上两种方法的局限性，目前逐渐采用有限元法仿真来研究头部损伤，有限元模型虽然可以较为细致地评估头部碰撞所受损伤，但是需要获取尽可能多的测试参数以提高计算准确率，由于测试参数的数量较多且获取方式不便，使得存在对头部损伤预测效率低的问题。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种汽车碰撞假人头部损伤预测方法以解决上述问题。

本发明提供一种汽车碰撞假人头部损伤预测方法，包括如下步骤：

将假人头部与刚性平板碰撞，假人头部为空心球状壳体；

获取碰撞过程中的第一数据集，所述第一数据集至少包括：假人头部的质量、半径、壳体厚度、碰撞前速度，以及刚性平板的质量、碰撞前速度；所述碰撞前速度为二者刚接触时的速度；

根据所述第一数据集计算所述碰撞过程中假人头部与刚性平板的最大接触力；

将所述碰撞过程持续时间划分为若干个时间区间；

根据所述最大接触力计算每个所述时间区间内假人头部的损伤数值，并选出最大的损伤数值作为损伤值，所述损伤值用于表征所述碰撞过程中假人头部的受损程度。

根据本发明提供的技术方案，所述根据所述最大接触力计算每个所述时间区间内假人头部的损伤数值，并选取最大的损伤数值作为损伤值之后，还包括如下步骤：

调用损伤等级数据库，根据所述损伤值判断假人头部的损伤等级；所述损伤等级数据库包括若干个损伤等级范围，以及每个所述损伤等级范围对应的损伤等级。

根据本发明提供的技术方案，所述根据所述第一数据集计算所述碰撞过程中假人头部与刚性平板的最大接触力，包括如下步骤：

根据动能定理和所述第一数据集，计算假人头部的碰撞后速度以及所述刚性平板的碰撞后速度；所述碰撞后速度为二者碰撞结束时刻的速度；

根据所述第一数据集、假人头部的碰撞后速度和刚性平板的碰撞后速度，结合能量守恒定律计算碰撞过程中假人头部与刚性平板的最大接触力

根据本发明提供的技术方案，假人头部的碰撞后速度按照如下公式计算：

公式（2）

其中，

刚性平板的碰撞后速度按照如下公式计算：

公式（6）

其中，

根据本发明提供的技术方案，假人头部与刚性平板在碰撞过程开始前和结束后的总能量满足：碰撞开始前的总动能，等于碰撞结束后的总动能、赫兹接触损失的能量、壳体变形损失的能量和碰撞速度损失的能量之和。

根据本发明提供的技术方案，所述根据所述第一数据集、假人头部的碰撞后速度和刚性平板的碰撞后速度，结合能量守恒定律计算碰撞过程中假人头部与刚性平板的最大接触力

根据本发明提供的技术方案，所述损伤值由如下公式表示：

公式（24）

其中，

根据本发明提供的技术方案，所述赫兹接触损失的能量根据如下公式计算：

公式（11）

其中，

根据本发明提供的技术方案，所述壳体变形损失的能量根据如下公式计算：

公式（14）

其中，

根据本发明提供的技术方案，所述碰撞速度损失的能量根据如下公式计算：

公式（16）

其中，

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过获取所述第一数据集，根据所述第一数据集，可计算出碰撞过程中假人头部和刚性平板的最大接触力；通过将所述碰撞过程持续的时间划分为若干个时间区间，根据最大接触力计算出每个时间区间内假人头部的损伤数值，保证损伤数值计算的准确性，并通过比较以最大的损伤数值作为指导汽车安全功能改进的损伤值；通过给与假人头部和刚性平板不同的碰撞速度，可以实现在不同工况下进行头部损伤的预测。本发明提供的方法无需获取数量较多且难以获取的测试参数，节省了测试时间；通过对一些常规且易获取的测试参数进行获取并计算，可以准确计算出假人头部与刚性平板碰撞过程的最大接触力，以所述最大接触力即可准确且快速的计算出假人头部的损伤值，提高了假人头部损伤值的预测效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的汽车碰撞假人头部损伤预测方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

请参考图1，本发明提供一种汽车碰撞假人头部损伤预测方法，包括如下步骤：

S1、将假人头部与刚性平板碰撞，假人头部为空心球状壳体；

S2、获取碰撞过程中的第一数据集，所述第一数据集至少包括：假人头部的质量、半径、壳体厚度、碰撞前速度，以及刚性平板的质量、碰撞前速度；所述碰撞前速度为二者刚接触时的速度；

S3、根据所述第一数据集计算所述碰撞过程中假人头部与刚性平板的最大接触力；

S4、将所述碰撞过程持续时间划分为若干个时间区间；

S5、根据所述最大接触力计算每个所述时间区间内假人头部的损伤数值，并选取最大的损伤数值作为损伤值，所述损伤值用于表征所述碰撞过程中假人头部的受损程度。

进一步地，所述根据所述第一数据集计算所述碰撞过程中假人头部与刚性平板的最大接触力，包括如下步骤：

S31、根据动能定理和所述第一数据集，计算假人头部的碰撞后速度以及所述刚性平板的碰撞后速度；所述碰撞后速度为二者碰撞结束时刻的速度；

S32、根据所述第一数据集、假人头部的碰撞后速度和刚性平板的碰撞后速度，结合能量守恒定律计算碰撞过程中假人头部与刚性平板的最大接触力

本发明以假人头部为对象，预测其在碰撞过程中的损伤情况。通过将假人头部简化成一个空心球状壳体，搭建一个假人头部的碰撞模型，同时为了更好地反应假人头部碰撞特征，将假人头部形状及壳体厚度考虑在内，形成一个头部损伤预测模型，该模型可以实现在不同工况下对头部损伤

将假人头部简化成一个空心球状壳体，其质量为

常规用于假人头部和刚性平板的碰撞系统的碰撞测试，往往是分别给予假人头部和刚性平板一个速度，让假人头部和刚性平板以该速度进行碰撞，之后进行损伤值的获取。在本发明中，为了方便进行试验，将刚性平板固定在地面，将假人头部吊起并置于刚性平板上方，通过松开假人头部，以自由落体的方式使假人头部获得碰撞前速度

本发明提供的预测方法的具体步骤如下：

首先根据动能定理和所述第一数据集，计算假人头部的碰撞后速度以及所述刚性平板的碰撞后速度；所述碰撞后速度为二者碰撞结束时刻的速度；

假人头部碰撞后速度按照如下公式计算：

公式（1）

推导之后得到公式（2）：

公式（2）

其中，

在碰撞过程中，假人头部和刚性平板之间的冲击力在假人头部接触刚性平板时刻开始由0逐渐增大，在假人头部反弹之后冲击力逐渐减小，直至假人头部与刚性平板不接触时冲击力降为0；参照以往多次测试的结果，根据经验假设冲击力近似以正弦曲线中先增后减的趋势变化，则

公式（3）

其中，

公式（4）

其中，

公式（5）；

进而，由于碰撞前后的相对速度不变，所以刚性平板的碰撞后速度按照如下公式（6）计算：

公式（6）

其中，

在一优选实施方式中，假人头部与刚性平板在碰撞开始前和结束后的总能量满足：碰撞开始前的总动能，等于碰撞结束后的总动能、赫兹接触损失的能量、壳体变形损失的能量和碰撞速度损失的能量之和。

具体的，假人头部和刚性平板碰撞之后，根据能量守恒定律，碰撞过程开始时刻的总能量等于碰撞过程结束时刻的总能量；碰撞过程开始时刻的总能量包括：假人头部和刚性平板碰撞前的总动能；碰撞过程结束时刻的总能量包括：假人头部和刚性平板碰撞后的总动能、赫兹接触损失的能量、壳体变形损失的能量和碰撞速度损失的能量。

这里之所以考虑碰撞后的总能量除碰撞后的总动能之外，还包括赫兹接触损失的能量、壳体变形损失的能量和碰撞速度损失的能量这三部分，主要是将碰撞之后的能量划分成多部分，使得碰撞之后包括的能量组成更具体，对于能量损失的种类考虑的更全面，进而通过对多种能量的损失的计算，保证最终预测出的最大接触力更符合实际。

其中，赫兹接触损失的能量、壳体变形损失的能量和碰撞速度损失的能量计算方法如下：

一、赫兹接触损失的能量

在赫兹接触中，赫兹接触受到的力和赫兹接触受到的变形之间的关系满足如下公式（7）：

公式（7）

其中，

公式（8）

其中，

等效半径

公式（9）

等效弹性模量

公式（10）

其中，

因此赫兹接触损失的能量可根据对公式（7）积分获得，所述赫兹接触损失的能量根据如下公式（11）计算：

公式（11）

其中，

二、壳体变形损失的能量

在壳体变形接触中，假人头部壳体变形受到的力与假人头部弯曲变形之间的关系满足如下公式（12）：

公式（12）

其中，

公式（13）；

因此，壳体变形损失的能量可根据对公式（12）积分获得，所述壳体变形损失的能量根据如下公式（14）计算：

公式（14）

其中，

三、碰撞速度损失的能量

在假人头部与刚性平板碰撞后会存在反弹现象，因而这里引入恢复系数

公式（15）；

因此，碰撞速度损失的能量可根据如下公式（16）计算：

公式（16）

其中，

由于

公式（17），

进而，公式（4）中的

公式（18）；

结合公式（17），公式（18）整理后得如下公式（19）所示：

公式（19）。

综上所述，根据能量守恒定律，碰撞前后的总能量的关系如下公式（20）所示：

公式（20）

其中，E

公式（21）；

将公式（11）、公式（14）、公式（16）和公式（21）带入公式（20），获得如下公式（22）：

公式（22）

公式（22）整理后得碰撞过程中的最大接触力的隐式表达式，如下公式（23）表示：

公式（23）；

求解公式（23）获得碰撞过程中的最大接触力

基于相同的原理，在另一具体实施方式中，还可以通过如下方式计算最大接触力

获得最大接触力

在已知碰撞过程中的最大接触力

公式（24）

其中，

公式（24）可在已知最大接触力

在另一实施方式中，在已知碰撞过程中的最大接触力

公式（25）

其中，

在已知碰撞过程中假人头部的加速度之后，还可根据另一个损伤计算公式计算出碰撞过程中的损伤值，另一个损伤计算公式如下公式（26）所示：

公式（26）；

公式（26）可在已知加速度的情况下计算损伤值。

进一步地，步骤S5之后，还包括如下步骤：

调用损伤等级数据库，根据所述损伤值判断假人头部的损伤等级；所述损伤等级数据库包括若干个损伤等级范围，以及每个所述损伤等级范围对应的损伤等级。

所述损伤等级数据库如下表1所示：

表 1损伤等级数据库

具体的，当计算出所述损伤值之后，将所述损伤值与损伤等级数据库中每个损伤等级范围对应的阈值进行比较，判断所述损伤值满足哪个损伤等级范围，根据损伤值满足的损伤等级范围获得对应的损伤等级，进而可根据损伤等级对汽车安全功能的改进提供不同程度的指导。

本发明通过获取所述第一数据集，根据动量定理和所述第一数据集可计算出假人头部和刚性平板在碰撞过程结束时刻的速度；根据能量守恒定律，结合所述第一数据集和假人头部与刚性平板碰撞过程结束时刻的速度，可计算出碰撞过程中假人头部和刚性平板的最大接触力，期间无需对复杂的参数进行获取，损伤值计算过程中涉及的难以获取的参数都可通过不同公式之间的结合消去；根据假人头部与刚性平面碰撞过程的最大接触力或者加速度可快速计算假人头部的损伤值，提高计算假人头部损伤值的效率；将碰撞之后的总能量划分为碰撞之后的总动能、赫兹接触损失的能量、壳体变形损失的能量和碰撞速度损失的能量，使得对于能量损失的种类考虑的更全面，由于赫兹接触、壳体变形损失的能量中都涉及碰撞过程中假人头部与刚性平板的受力，所以可使计算得到的碰撞过程中的最大接触力更为准确，进而使得最终计算的假人头部的损伤值更为准确，对汽车安全性能的改进更具有参考价值。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中发明的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。