基于HyperMesh的行人保护碰撞区域划分方法

基于HyperMesh的行人保护碰撞区域划线方法

冯亚玲高鹏飞苏成谦

天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心

摘要：行人保护碰撞法规中的碰撞区域由几条重要基准线组成。本文以某款车为例，详细阐述了运用HyperMesh相关命令手动划线的方法，并介绍了自主开发的自动划线程序。碰撞区域基准线是空间连续曲线，在HyperMesh中操作必须曲线离散化，分析基准线的几何关系，定制辅助线模板文件，通过正确的操作命令，可以提高划线的效率。基于手动划线方法的思路，开发的自动划线程序可以简化划线操作。

关键词：行人保护碰撞区域，HyperMesh，侧面基准线，WAD，发动机罩后面基准线

1 概述

2009年我国发布了汽车对行人的碰撞保护法规（GB/T 24550-2009），行人保护已成为汽车安全领域发展的一个热点。在行人碰撞CAE分析中，碰撞区域的准确划分是一项关键技术。在车身造型设计阶段，必须基于精确的碰撞区域进行造型评估，快速绘制碰撞区域基准线成为CAE分析的前提条件。

法规定义的基准线包括：发动机罩前缘基准线、发动机罩后面基准线、侧面基准线、保险杠上部基准线、保险杠下部基准线、包络线（WAD1000及WAD1700）。其中有几条基准线的划线方法一致。本文结合某款车区域划分实例，重点介绍HyperMesh软件绘制侧面基准线、WAD和后面基准线的方法，并对比了手动划线和自动划线的结果。研究表明，基于HyperMesh可以实现用程序自动划线，采用正确方法也可以用手动方法快速划分区域。

2 手动划线方法

截取车身前部结构的模型，包括发动机罩外板、翼子板、保险杠、大灯表面、散热器罩、通风盖板、风挡玻璃等等，可以用Surface模型或是Mesh模型（需偏置到外表面）。建议采用rigid body mesh划分的网格模型，特征能完整保留、而且在HyperMesh操作快捷。为提高划线操作的效率，根据基准线定义，创建统一的辅助线模板文件。以下分别详解侧面基准线、包络线（WAD线）和发动机罩后面基准线的划线步骤。另外，其他几条基准线的划线方法与侧面基准线类似。

2.1 侧面基准线

侧面基准线(Side reference line)的定义：当长700mm直尺平行于车辆横向垂直平面且向内倾斜45°，并保持与车辆前部结构的侧面相接触时，直尺与车辆侧面最高接触点所形成的几何轨迹（见图1）。

参考线

1) 导入模板文件。模板文件包含了一组长700mm、向内倾斜45°的参考线，在X方向上间距50mm，与发动机罩及翼子板保持一定距离（见图2）。

2) 绘制参考线对应的轮廓线。在YZ平面内，用参考线依次切出车身的一组外部轮廓线，如图2所示。使用的命令为Geom→lines→at intersection，当模型为Surface时采用第1栏，为Mesh时采用第2栏。

3) 平移确定相交线切点。沿Y向（或Z向），依次平移参考线直至与对应的轮廓线最外侧相切，找出切点。连接这一组切点构成侧面基准线，如图3所示。基准线曲率变化大的部位应多做几组线细化处理。

4) 修整轮廓线。用侧面基准线截取轮廓线，命令为Geom→line edit→split at line。然后分别将每条参考线对应的轮廓线连成一条曲线。按照法规要求，侧面基准线要向车内侧偏移82.5mm（曲线长度），偏移长度将在修正后的轮廓线上截取。

5) 确定切点对应的偏移点。在轮廓线上划分1D单元，单元长度固定为0.5mm，然后通过计数方法选取165个plot单元，对应的节点为偏移点，如图4所示。同理依次操作每条轮廓线，连接偏移点即是侧面基准线的向内偏移线。

图3 取切点绘制侧面基准线图4 绘制侧面基准线向内偏移线（82.5mm）2.2 WAD线

包络线(Wrap Around Distance)的定义：使用柔性卷尺在车辆纵向垂直平面内围绕车辆前部结构，柔性卷尺的一端在车辆前部结构外表面上所形成的几何轨迹（见图5）。选择适当长度的卷尺来确定1000mm（WAD1000）包络线、1700mm（WAD1700）包络线、2100mm （WAD2100）包络线。

图5 确定包络线示意图图6 WAD线模板文件

1) 导入模板文件。模板文件包含了一组700mm长垂直参考线，从Y=0开始、间距

50mm。在保险杠前方与之保持一定距离，直线下端点位于确定的半载地平面。为便于HyperMesh操作，每一条参考线是一个单独的Component，如图6所示。由于造型左右对称，只需处理车身的一侧模型。

2) 绘制参考线对应的轮廓线。在XZ平面依次切出车身的一组外部轮廓线。

3) 确定轮廓线最前端点。沿X向平移参考线直至与轮廓线相切，找出切点，并用切点剪切此参考线及轮廓线，如图7所示。

图7 参考线切点图8 确定包络线1000mm点图9 确定包络线1700mm点

4) 修整轮廓线。形成与定义中柔性卷尺紧绷状态类似的曲线段，直到发动机罩后沿。如图8所示。

5) 确定WAD1000对应点。在轮廓线上划分1D单元，单元长度固定为1mm，然后用Tool→count命令选取1000个单元，末端节点为所求，如图8所示。依次连接参考线的对应点，得到WAD1000线。

6) 确定WAD1700对应点。测量WAD1000点后到发动机罩后沿曲线长度，求出与700mm的差值（此例中为47.73mm），以发动机罩后沿点为圆点，以此差值为半径画圆，找到其与通风盖板处轮廓线（上部）交点，此点即为WAD1700线上的点，如图9所示。依次连接参考线的对应点，得到WAD1700线。

2.3 发动机罩后面基准线

发动机罩后面基准线(Bonnet rear reference line)的定义：当直径为165mm的球与前风窗玻璃保持接触，在车辆前部结构上横向滚动时，球与车辆前部结构的最后接触点所形成的几何轨迹（见图10）。在HyperMesh中不能直接操作圆球滚动，可以将滚动过程用圆球平动等效，由此推导出以下方法。

1) 导入模板文件。模板文件包含一组半球，沿风挡玻璃表面分布并与之相切，与车身前部结构可能发生接触的部件（本例中是通风盖板与翼子板）保持一定距离，如图11所示。半球在Y向间距根据车的外轮廓调整，变化平缓处间距可放大，在接触可能比较复杂的地方可缩小间距，多布置几个半球。

2) 在每一个位置上，沿风挡玻璃表面在XZ平面内平移半球，找到与通风盖板或翼子板接触点。平移时可借助模板文件建立的小坐标单元定位，如图12所示。

3) 依次连接上一步的接触点，得到发动机罩后面基准线。

图10 发动机罩后面基准线图

图11 发动机罩后面基准线模板文件

图12 平移找出接触点

3 自动划线方法

3.1 基本思路

由上可知，基准线的手动划分是一项比较复杂的工作，包含了大量的重复性操作。本文使用MATLAB编程，读取K文件识别节点和单元，开发相应的几何算法计算得到各条基准线和WAD线，输出tcl文件在HyperMesh中绘制基准线。

3.2 计算方法

程序算法与手动划线思路近似，定义一系列的参考线，计算参考线与车身表面相交得到的轮廓线，然后计算切点和WAD曲线长度，是本文程序的重点。

图13 计算侧面基准线切点图14 绘制包络线

1) 绘制侧面基准线。如图13所示，在YZ平面内，参考线对应的轮廓线是一组节点，分别计算各个节点到参考线的距离，距离最小值点为切点，依次连接各切点得到侧面基准线。

2) 绘制WAD线。如图14所示，在XZ平面内，轮廓线同样是一组节点，参照法规中的规定设定算法得到这组节点的包络线即为WAD线，然后截取1000mm对应的节点。依次连接各节点，得到WAD1000线，同理可以绘制WAD1700

3) 绘制发动机罩后面基准线。首先要找到前风挡玻璃上任一接触点的法向，从而完成直径为165mm的球的定位，根据坐标找到下图所示区域内的节点，然后依次计算与球面之间的距离，距离最小的节点就是接触点。依次连接每个接触点，得到后基准线。

图15 绘制发动机罩后面基准线程序演示图

4 两种划线方法对比

在绘制WAD1000线时，自动划线采用程序插值计算，而手动划线采取直线段拟合曲线段来获取长度；绘制侧面基准线和发动机罩后面基准线时，自动划线利用最短距离精确定位切点和接触点，而手动划线采用目测近似。由此很明显可以看出，自动划线精度比手动划线精度稍高一些。两种方法做出的线对比如图16所示，图中红色为自动划线，绿色为手动划线。由于在曲线突变处，手动划线方法加密了取点间距，结果有些差异。自动划线与手动划线两种方法的操作时间如表1所示，。由此可看出，时间花费上，自动划线方法有明显优势。

图16 划线结果对比表1 操作时间对比

5 小结

本文技术特点体现在：

1) 利用直线段来拟合曲线段，截取出需要长度的曲线段，具体实施办法为：把曲线mesh成小单元，用单元数量来识别曲线长度。

2) 用平动代替滚动来模拟圆球的运动轨迹，使手动划线具有可操作性。

3) 自动划线程序实现了快速有效的行人保护碰撞区域划分。

6 参考文献

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

[2] GTR9《关于机动车碰撞时对行人及弱势道路使用者加强保护和减轻严重伤害的认证统一

规定》2008版

[3] Euro NCAP Pedestrian Testing Protocol Version 5.1 2010.01