CN114970288B - 碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法，包括：建立假人模型皮肤件的体单元层；在所述体单元层的外表面建立壳单元层；在所述皮肤件碰撞区域的壳单元层外表面，采用与壳单元共节点的方式建立梁单元层；根据所述碰撞区域的壳单元和梁单元，设置所述假人模型与外部部件的接触；将最终的假人模型加入车辆模型进行仿真计算，提取所述假人模型各部位的伤害值仿真曲线。本实施例提高了接触计算的稳健性。

Description

碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法

技术领域

本发明实施例涉及有限元假人仿真建模领域，尤其涉及一种碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法。

背景技术

整车碰撞试验是评估车辆被动安全的一种重要手段，通过碰撞试验中假人的伤害值来定量表现车辆对乘员的保护性能。由于整车碰撞试验周期长、经费高，通常采用有限元假人模型和车辆模型，对车辆耐撞性和乘员约束系统的性能进行仿真模拟。

在现有的车辆模型中，当假人皮肤或车内软饰在碰撞中出现扭曲变形时，会出现有限元单元内部边缘之间的接触。而大多数仿真计算中检测不到内部边缘的接触，从而无法模拟真实的接触情况，导致发生网格穿透等而终止仿真计算，如图1(a)中的圆圈部分所示。

发明内容

本发明实施例提供一种碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法。

第一方面，本发明实施例提供了一种碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法，包括：

建立假人模型皮肤件的体单元层；

在所述体单元层的外表面建立壳单元层；

在所述皮肤件碰撞区域的壳单元层外表面，采用与壳单元共节点的方式建立梁单元层；

根据所述碰撞区域的壳单元和梁单元，设置所述假人模型与外部部件的接触；

将最终的假人模型加入车辆模型进行仿真计算，提取所述假人模型各部位的伤害值仿真曲线。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现任一实施例所述的碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法。

第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一实施例所述的碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法。

本发明实施例在保证皮肤件仿计算精度和运算效率的基础上，提出一种新的皮肤件建模方式，搭建了碰撞假人皮肤件的有限元模型。该模型采用体单元、壳单元和梁单元三层级单元耦合的建模方式，提高了皮肤件模型与安全带模型或其他内饰件模型接触计算的稳健性，能够更好地模拟假人皮肤件在碰撞过程中与其他部件接触的真实情况，特别是改善了模型部件之间边和边接触计算的稳定性，有效避免负体积报错的产生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)和图1(b)为分别本发明实施例提供的存在网格穿透现象和不存在网格穿透现象的对比图。

图2为本发明实施例提供的一种碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法的流程图。

图3(a)和图3(b)分别为本发明实施例提供的假人胸部皮肤件的乙烯基表皮及内部聚氨酯填充泡沫的等轴测视图和剖面图。

图4(a)、图4(b)和图4(c)分别为本发明实施例提供的假人胸部皮肤件的体单元层、壳单元层和梁单元层的示意图。

图5为本发明实施例提供的安全带模型与胸部夹克前表面和骨盆上表面皮肤件模型的接触示意图。

图6(a)、图6(b)和图6(c)分别为本发明实施例提供的膝盖前表面皮肤件的体单元层、壳单元层和梁单元层的示意图。

图7(a)、图7(b)和图7(c)分别为本发明实施例提供的手腕表面皮肤件的体单元层、壳单元层和梁单元层的示意图。

图8为本发明实施例提供的有限元假人模型正面碰撞仿真过程的示意图。

图9为本发明实施例提供的有限元假人模型胸部夹克、骨盆在碰撞过程中的变形图。

图10为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

假人皮肤作为假人的仿生材料，是汽车碰撞试验中假人的第一道防线，对假人的运动姿态有重要影响。真实的假人骨架使用钢或铝制作，比如人体胫骨、股骨、肩膀、脊柱和颅骨等部位都是由坚固的材料制成的，通常用刚体材料进行有限元建模。而人体的软组织皮肤件由乙烯基和泡沫填充来制作，通常用超弹性材料进行有限元建模。

在碰撞工况中，假人皮肤件表现为大变形、非线性、粘弹性的力学性质。在碰撞仿真模拟工况中，胸部夹克与安全带有接触滑动，手腕、膝盖与仪表板、手套箱发生直接碰撞。因此，假人皮肤件在碰撞中变形可能非常大，很难或不可能预先确定碰撞发生的位置和方式。而皮肤件的质量与刚度远小于假人金属骨架或其他约束系统部件，接触工况复杂，皮肤件模型容易在计算中出现计算不收敛的情况，从而导致计算报错中止。例如有限元假人皮肤件与安全带接触的部位，夹克和臀部皮肤件局部变形大，泡沫或聚氯乙烯材料容易产生负体积报错，使仿真计算不稳定。

为了使CAE碰撞仿真计算中，假人的运动姿态和各部位损伤与实际车辆碰撞中实体假人的测试结果一致，本申请提出图2所示的碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法，采用体单元层、壳单元层和梁单元层构成的三层建模机制进行构建皮肤件模型。该方法适用于对碰撞假人的皮肤件进行有限元建模的情况，由电子设备执行。如图2所示，该方法具体包括如下步骤：

S110、建立假人模型皮肤件的体单元层。

本实施例中的假人包括各国法规标准要求的假人，包括H350、WorldSID、ES2、THOR假人等。体单元即实体单元，本步骤对假人模型的皮肤件进行体单元建模。进一步的，胸衣、臀部等部件的皮肤件包括表皮和内部填充物，如图3(a)和图3(b)所示，则将表皮和内部填充物均采用体单元建模，得到的体单元层如图4(a)所示。而手、脚等部件的皮肤件，表皮内部无填充物，则将表皮采用体单元建模。可选的，表皮采用聚氯乙烯，表皮内部的填充物包括聚氨酯泡沫。

具体的，采用有限元前处理软件等计算机程序，将皮肤件扫描的点云或CATIA三维模型，划分为Solid体单元。其中，皮肤件表皮的聚氯乙烯单元与内部填充的聚氨酯泡沫体单元（若有）之间的采用共节点方式连接，材料赋予相应的粘弹材料，部件模型的惯性和质量分布与实体部件一致。优选的，体单元的网格尺寸为6mm~8mm。

S120、在所述体单元层的外表面建立壳单元层。

在整个皮肤件solid体单元表皮的外表面，采用有限元前处理软件对皮肤件体单元层进行包壳，建立壳单元层，如图4(b)所示。可选的，所述壳单元层由具备物理性质的空壳单元构成。将壳单元的材料赋予为MAT9包壳单元材料，包壳单元为MAT9空壳单元。空壳是指不具有材料性质而仅有物理性质的壳单元，建立空壳单元层有利于使壳单元层外部的梁单元与内部的体单元有更好的相互接触作用。优选的，体单元和壳单元的网格尺寸均为6mm左右，能够真实有效地模拟车辆碰撞。

S130、在所述皮肤件碰撞区域的壳单元层外表面，采用与壳单元共节点的方式建立梁单元层。

所述碰撞区域指假人皮肤与其它约束系统内饰件模型直接发生碰撞的区域，碰撞区域包括：胸部夹克前表面、骨盆上表面、手腕表面、膝盖前表面中的至少之一。本步骤在所述碰撞区域的第二层壳单元上，用与壳单元共节点的方式建立*ELEMENT BEAM梁单元层，例如*ELEMENT BEAM一维梁单元层，如图4(c)所示。梁单元的边缘均为外部边缘，该建模方式利用梁到梁的接触力，将内部边缘之间的接触考虑进来，更加符合接触真实性，提高接触计算的稳定性。更具体的，由于梁单元的边缘均为外部边缘，当假人皮肤或车内软饰在碰撞中出现扭曲变形时，原本的有限元单元内部边缘之间的接触，转化为梁单元的外部边缘与其它边的接触，使仿真计算能够有效识别该接触，避免发生网格穿透。

可选的，通过连接所述皮肤件碰撞区域的壳单元层外表面的单元节点，建立梁单元层；设置所述梁单元层中梁单元的横截面积；如果所述梁单元为空梁材料，设置所述梁单元的接触刚度。本步骤中的梁单元与MAT9包壳单元、体单元表皮体单元同时共节点。具体的，梁单元在DYNA程序中赋予MAT1线弹性材料或者MAT9空梁材料。如果赋予MAT9空梁材料，其中MAT_NULL中的弹性常数用来确定接触刚度，可以根据实际需要合理设置。空梁单元则不需要设置结构刚度。梁单元层的截面属性用SECTION_BEAM来定义。其中截面属性中的ELFORM为单元类型选项，根据ELFORM分类不同，其截面关键字卡片也有所不同。在本实施例中，可将梁单元截面属性的单元类型ELFORM选项选为3，此时可定义不同截面积的梁单元。优选的，梁单元的横截面积设置为0.2平方毫米。

进一步的，下面详细说明为何在碰撞区域构建梁单元层。以胸部夹克前表面的皮肤件为例，在碰撞工况中，该区域的皮肤件会与车内安全带相对滑动（如图5所示），也会与气囊发生接触碰撞。其中，安全带织带为壳单元建模，安全带与夹克接触的区域胸部皮肤件变形大、安全带带力高，存在安全带模型的壳单元内边缘和胸部夹克皮肤件的壳单元内边缘接触的情况。而安全气囊通常也为壳单元建模，安全气囊模型展开时气囊壳单元的节点速度高，气囊织布非常软且特别薄，在折叠的气囊模型中初始穿透多，因此气囊与假人皮肤件的接触需要特别设置。在胸部夹克前表面建立第三层beam梁单元，有利于改善假人胸部与气安全带模型网格的边和边的接触，可以显著提高计算中胸部皮肤在大变形、复杂接触条件下的计算稳定性。同样，骨盆上表面的皮肤件也与安全带存在类似的接触，如图5所示，在该区域构建梁单元可以提高该部位与安全带接触计算的稳定性。

左右手腕表面、左右膝盖前表面在碰撞中与仪表板等存在类似的接触，在该区域构建梁单元可以提高该部位与仪表板接触计算的稳定性。图6(a)、图6(b)和图6(c)分别为本发明实施例提供的膝盖前表面皮肤件的体单元层、壳单元层和梁单元层的示意图。图7(a)、图7(b)和图7(c)分别为本发明实施例提供的手腕表面皮肤件的体单元层、壳单元层和梁单元层的示意图。

可选的，该方法还包括：基于碰撞实体假人仿生皮肤件的材料试验，设置所述皮肤件的力学参数及数学参数。此参数能够保持皮肤件在极大变形下依然保持较好地精度和稳定性，能够真实有效地模仿碰撞中乘员运动姿态，避免采用实车试验造成的高成本。

此外，为了能够真实模拟出不同材料配比加工的皮肤件在碰撞工况中的受力情况，以及不同类型假人模型在碰撞中的受力状况，所述假人皮肤件模型中的材料参数包括表皮乙烯基的粘弹性参数，以及内部聚氨酯填充发泡的粘弹性参数。

S140、根据所述碰撞区域的壳单元和梁单元，设置所述假人模型与外部部件的接触。

本步骤设置假人模型与模型外部部件的接触，包括碰撞区域与外部部件的接触；并在碰撞区域与外部部件的接触的从属部件集合中加入所述碰撞区域的壳单元和梁单元。例如，在假人碰撞区域与安全带模型或其他约束系统内饰件模型的接触设置中，在假人接触从属partset部件集合中加入S120建立的壳单元和S130建立的梁单元。

S150、将最终的假人模型加入车辆模型进行仿真计算，提取所述假人模型各部位的伤害值仿真曲线。

车辆模型包括整车碰撞仿真模型和约束系统台车模型。本步骤在整车设计中，通过计算机程序将有限元假人模型加入到车辆模型中，实现碰撞安全仿真的整个过程，如图8所示。计算结束后，通过搭建好的假人模板文件，提取假人各部位的伤害值仿真曲线。该曲线与真实假人碰撞试验中的伤害值仿真曲线越相似，本申请的假人模型越接近真实假人。

从图9可以看出，在碰撞过程中，假人胸部夹克皮肤件、骨盆皮肤件与安全带接触的部位变形最大。本申请提供的皮肤件建模方法可以很好地提高皮肤件在大变形状态下的接触稳定性与真实性，有利于改善安全带与皮肤件之间边与边之间的接触，当皮肤件模型与安全带模型接触变形时，网格特征如图1(b)所示。

值得一提的是，本申请提供的方法适用于各种有限元求解器中的建模，如美国LSTC公司LS-DYNA计算机软件产品，Altair公司Altair Radioss计算机软件产品、法国达索公司的abaqus计算机软件产品中的任意一种，能够真实有效地模拟碰撞工况中的假人运动姿态。

本实施例在保证皮肤件仿计算精度和运算效率的基础上，提出一种新的皮肤件建模方式，搭建了碰撞假人皮肤件的有限元模型。该模型采用体单元、壳单元和梁单元三层级单元耦合的建模方式，提高了皮肤件模型与安全带模型或其他内饰件模型接触计算的稳健性，能够更好地模拟假人皮肤件在碰撞过程中与其他部件接触的真实情况，特别是改善了模型部件之间边和边接触计算的稳定性，有效避免负体积报错的产生。

图10为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图10所示，该设备包括处理器60、存储器61、输入装置62和输出装置63；设备中处理器60的数量可以是一个或多个，图10中以一个处理器60为例；设备中的处理器60、存储器61、输入装置62和输出装置63可以通过总线或其他方式连接，图10中以通过总线连接为例。

存储器61作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法对应的程序指令/模块。处理器60通过运行存储在存储器61中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法。

存储器61可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器61可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器61可进一步包括相对于处理器60远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置62可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置63可包括显示屏等显示设备。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一实施例的碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法。

本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如”C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法，其特征在于，包括：

建立假人模型皮肤件的体单元层；

在所述体单元层的外表面建立壳单元层；

在所述皮肤件碰撞区域的壳单元层外表面，采用与壳单元共节点的方式建立梁单元层；

根据所述碰撞区域的壳单元和梁单元，设置所述假人模型与外部部件的接触；

将最终的假人模型加入车辆模型进行仿真计算，提取所述假人模型各部位的伤害值仿真曲线。

2.根据权利要求1所述的仿真建模方法，其特征在于，所述在所述体单元层的外表面建立壳单元层，包括：

在所述体单元层的外表面建立壳单元层，其中，所述壳单元层由具备物理性质的空壳单元构成。

3.根据权利要求1所述的仿真建模方法，其特征在于，所述碰撞区域包括：胸部夹克前表面、骨盆上表面、手腕表面、膝盖前表面的至少之一。

4.根据权利要求1所述的仿真建模方法，其特征在于，所述在所述皮肤件碰撞区域的壳单元层外表面，采用与壳单元共节点的方式建立梁单元层，包括：

在所述皮肤件碰撞区域的壳单元层外表面，采用与壳单元共节点的方式建立线性弹性材料或空梁材料的梁单元层。

5.根据权利要求1所述的仿真建模方法，其特征在于，所述在所述皮肤件碰撞区域的壳单元层外表面，采用与壳单元共节点的方式建立梁单元层，包括：

连接所述皮肤件碰撞区域的壳单元层外表面的单元节点，建立梁单元层；

设置梁单元的横截面积；

如果所述梁单元为空梁材料，设置所述梁单元的接触刚度。

6.根据权利要求1所述的仿真建模方法，其特征在于，所述根据所述碰撞区域的壳单元和梁单元，设置所述假人模型与外部部件的接触，包括：

根据所述碰撞区域，设置所述假人模型与外部部件的接触；

在所述接触的从属部件集合中加入所述碰撞区域的壳单元和梁单元。

7.根据权利要求1所述的仿真建模方法，其特征在于，在将最终的假人模型加入车辆模型进行仿真计算之前，还包括：

基于碰撞实体假人仿生皮肤件的材料试验，设置所述皮肤件的力学参数及数学参数。

8.根据权利要求1所述的仿真建模方法，其特征在于，在将最终的假人模型加入车辆模型进行仿真计算之前，还包括：

设置体单元的材料参数，包括表皮乙烯基的粘弹性参数，以及内部聚氨酯填充发泡的粘弹性参数。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1-8任一所述的碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一所述的碰撞有限元假人皮肤件的仿真建模方法。

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