基于行人保護的轎車前部造型特征研究

曹立波 龍騰蛟 張冠軍 劉 適

湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，410082

0 引言

汽車造型是汽車研發初期非常重要的環節。傳統的汽車研發在造型設計階段主要考慮美觀性、市場需求、空氣動力學和人機工程學等因素，而車輛的碰撞安全性能通常在工程設計階段考慮，如果發現車輛碰撞安全不能滿足要求，則需要返回修改汽車造型，降低了產品研發的效率和經濟性。隨著汽車碰撞安全越來越受重視，尤其是行人碰撞法規推出后，汽車造型對行人安全的影響更加突出。因此，在汽車造型階段引入汽車碰撞安全顯得非常必要。

目前，基于特征的造型設計在汽車領域獲得了比較廣泛的應用。胡偉峰等［1］以造型特征線為基礎，利用感性工學和統計分析方法研究汽車造型意象，求出了敏感感性意象形容詞與對應主特征線的定量關系。譚浩等［2］通過汽車造型特征空間構建和層次分析提取造型幾何特征，構建了汽車造型特征定量化模型并應用到設計實踐中，解決了汽車造型設計主要依賴經驗而缺乏定量工具的問題。

上述關于汽車造型特征方面的研究，主要考慮了美學法則和市場需求的影響，沒有考慮汽車碰撞安全性能對造型的要求。因此，本文結合碰撞安全性能對緊湊型轎車前部造型特征線進行了統計分析和參數化研究，并采用MADYMO軟件建立汽車與行人碰撞的多剛體模型進行仿真分析。

1 汽車造型特征線

1.1 汽車造型特征

在汽車造型中，特征攜帶了一款汽車區別于其他車型的特有的外觀信息。汽車造型特征是對汽車整體風格、形面感覺、細部處理、車型中延續的造型元素及造型所攜帶的結構和形面信息的一種描述。汽車造型特征關注的是造型中的形式、走勢和比例，因此，它主要是汽車造型的形面風格信息以及與造型相關的結構工藝信息的集合［3］。

汽車造型特征不僅攜帶著形狀、材料等物理信息，還攜帶了大量的風格意象、品牌、空氣動力學、人機工程、碰撞安全和制造工藝等與造型設計相關的信息，故可以將汽車造型研究抽象簡化為汽車造型特征研究。

1.2 汽車造型特征線及其提取

汽車造型特征線是有特定結構約束和造型內涵的，是被標記為腰線、側面輪廓線等名稱的構造線，是認知汽車形態和進行造型設計的重要起點。從描述造型的角度看，點雖然具有重要的造型意義，但其對造型的描述不充分；面雖然最能表達形態的全部內容，但其過于復雜而不易被表達；線源于點而展成面，包含了可以聯系點和面的重要造型信息，卻沒有點的瑣碎和面的冗余，是“承上啟下”的造型元素。線是汽車草圖的主要成分，幾乎攜帶了造型的所有特征信息，是對汽車概念及特征的最初表達，因此，線比點和面更適合于對造型特征的表示［3］。

在汽車外部造型的側視圖、前視圖、透視圖等圖中都可以提取到各視圖內的相關特征線。圖1所示為汽車造型特征線的提取過程。首先，通過因特網及掃描等方法搜集相關車型的側視圖和前視圖等，形成樣本案例資源；然后運用矢量曲線將圖片中的汽車形態輪廓精確描繪，轉換成單純的輪廓圖；最后，運用基點和控制點將輪廓圖中的關鍵造型曲線分割成若干特征線段。基點為特征線段的端點或拐點，控制點為特征線段中間決定特征線曲率和走勢的關鍵點。基點和控制點的加入可以增加對特征線的控制編碼和參數化，方便對特征的修改及進一步研究。

圖1 汽車特征線的提取

2 汽車造型特征的碰撞安全屬性研究

2.1 與汽車造型相關的碰撞安全性能

與造型相關的汽車碰撞類型主要有汽車與行人碰撞、正面碰撞、側面碰撞、追尾碰撞和車輛翻滾。由于行人直接暴露在交通環境中，汽車外部造型對行人損傷的影響最為直接，因此，汽車前部造型與行人損傷緊密相關。研究表明，發動機罩、前擋風玻璃和保險杠是造成行人損傷的主要部件［4］。

2.2 基于碰撞安全性的造型特征實現

基于特征的汽車造型通過造型特征線描述產品設計，賦予造型特征線以碰撞安全性能屬性。具體方法是：首先對提取的汽車造型特征進行統計分析和參數化研究，建立基于特征和特征線的汽車造型特征參數描述模型；然后采用仿真的方法研究汽車造型特征參數與碰撞安全性的關系，從而建立汽車造型特征的碰撞安全性控制策略，實現對汽車造型設計階段的碰撞安全性能控制。

側視圖中的側面輪廓線是整車造型中最關鍵的造型線，是主特征線，它決定了汽車造型的整體感覺和風格。發動機罩、前擋風玻璃、車頂、后擋風玻璃的構建都必須以側面輪廓線為造型基礎。

側面輪廓線中的發動機罩線、擋風玻璃線和保險杠線等受整車長度、高度和傾斜角度等參數的影響，為了便于研究，把特征線簡化為近似的直線或折線。同時，特征線具有一定的空間位置，可通過編碼的基點和控制點進行控制，因此，可對其進行參數化研究。將汽車側面輪廓線定位于oxy直角坐標系，原點為過前保險杠端面的垂直線與地面的交點，如圖2所示。坐標系中，造型特征線的基點和控制點Pi都有對應的坐標數值（xi，yi），通過汽車的實際尺寸與圖形尺寸的比例關系得出比例系數，坐標系中的數值與比例系數相乘就能得出實際值。

圖2 汽車前部造型特征參數

汽車前部造型主要由前保險杠線P3P6、發動機罩線P7P8和前擋風玻璃線P8P9描述，這3組特征線控制和表達了汽車前部造型的側面輪廓和車型。造型特征線都包含著相關的特征參數，其中與行人碰撞安全相關的前部造型特征參數有保險杠中心高度、保險杠伸出量、保險杠寬度、發動機罩前緣高度、發動機罩長度和傾角以及前擋風玻璃傾角，如圖2所示，分別記為HBC、LB、WB、HHE、LH、αH和αW。特征參數由基點和控制點控制，P4、P5兩點的坐標值控制著保險杠寬度和高度，同時與P7點一起決定保險杠伸出量；P7點的縱坐標值即為發動機罩前緣高度，其與P8點的距離即為發動機罩長度，P7P8特征線的角度即為發動機罩傾角；P8P9特征線的夾角為前擋風玻璃傾角。通過確定汽車前部造型的基點和控制點的坐標，從而得到特征參數的數值并構建造型特征線，建立汽車造型特征參數的描述模型。然后運用仿真的方法建立多體模型開展研究。

2.3 造型特征參數的獲取

汽車造型受車型定位的限制，如整車長度、軸距等都有一定的范圍。定位相同的車型，其前部造型特征的約束條件相似，方便進行分析和研究。參照中國汽車分類標準中對于轎車的分類，綜合考慮整車長度和軸距，選取中國市場上現階段在售的52款緊湊型轎車作為樣本案例，提取出其前部造型特征線，統計得到的特征參數如表1所示。

表1 緊湊型轎車前部造型特征參數統計

3 仿真實驗研究

由于實車碰撞實驗成本高昂，故目前汽車－行人碰撞研究主要采用仿真的方法，常用的是有限元和多剛體仿真。相對于有限元仿真，多剛體仿真方法具有參數調整方便、計算高效的特點，又能得到較精確的結果。本文采用MADYMO軟件建立轎車－行人多剛體動力學模型。

3.1 轎車－行人碰撞模型的建立

模型的建立主要包括轎車前部多體模型、行人多體模型及兩者之間相互接觸的定義，多體仿真模型如圖3所示。行人模型采用查爾摩斯大學的多體人體模型［5］，該人體模型為50百分位成人男子模型，高1.75m，重78kg，通過實體實驗驗證，是目前生物逼真度較高的人體多剛體模型之一。轎車前部模型按照統計的緊湊型轎車的前部特征參數建立，主要包括保險杠、發動機罩前緣、發動機罩、前擋風玻璃、車輪等部件。各部件分別采用一個多體橢球進行表示，其相關的機械特性按照實驗中的力－變形曲線設定［6］，如圖4所示。國際協調研究機構（IHRA）的一項調查報告顯示，70%的汽車與行人碰撞事故發生在40km／h的碰撞速度及以下，因此，仿真中采用的碰撞車速為40km／h［7］。

圖3 轎車－行人多體動力學模型

圖4 各部件力－變形曲線示意圖

3.2 評價指標

頭部損傷標準（HIC）是目前最常用的頭部評價指標，HIC值定義如下：

式中，a（t）為碰撞過程中頭部質心合成加速度；t1～t2為HIC值達到最大的時間間隔。

行人下肢損傷評價主要有膝關節剪切位移d、彎曲角度n及脛骨上端加速度a三個指標，是一個多目標問題。Kajzer等［8］提出了加權傷害準則來評價下肢損傷，其表達式如下：

定義頭部目標函數［8］為

W2值越低，說明前部結構對腿部的保護性能越好。

頭部損傷往往造成行人嚴重損傷，其權重系數應該比下肢的大。因此，定義行人綜合防護的目標函數為

WIC值越小，說明對行人保護性能越好［9］。

3.3 變量篩選

轎車前部造型特征中對行人損傷有影響的特征參數較多，如果都進行研究，勢必會加大研究的難度，還會造成研究不能開展。通過進行變量篩選可以去掉影響小的特征參數，提高運算效率。靈敏度分析是研究和分析參數對系統或模型影響大小的方法，本文選取了7個主要的轎車前部造型特征參數進行靈敏度分析，根據統計的數據確定設計參數的變化范圍，共有14組運算，基本模型采用緊湊型轎車前部造型特征參數統計的平均近似值，具體如表2所示。

將每個特征參數改變后進行仿真計算，將得到的損傷參數數值按下式進行處理：

計算得到的特征參數變化對損傷參數值的影響如圖5所示。由圖可知，HIC值對保險杠中心高度、保險杠伸出長度、保險杠寬度和發動機罩長度4個參數敏感；脛骨加速度a和彎曲角度n對保險杠高度、保險杠伸出長度兩個參數敏感；膝部剪切位移d對保險杠高度、保險杠伸出長度、保險杠寬度和發動機罩前緣高度4個參數敏感。

表2 靈敏度分析設計表

圖5 靈敏度分析結果

綜上所述，保險杠中心高度、保險杠伸出長度、保險杠寬度、發動機罩前緣高度和發動機罩長度5個參數對損傷影響明顯，選取它們作為仿真分析的設計變量。發動機罩傾角和前擋風玻璃傾角對行人各損傷參數影響微弱，對于緊湊型轎車，這兩個造型特征參數統計的范圍變化不大，因此，這兩個參數不作為仿真實驗設計的變量，取值不發生變動。

3.4 仿真實驗設計及結果

采用均勻實驗設計方法安排仿真實驗。均勻實驗設計是通過使用均勻設計表及配套的使用表來安排實驗的。均勻設計表一般記為U＊n（qs），其中，“U”表示均勻設計，“n”表示有n個處理，“q”表示每個因子都有q個水平，指數“s”表示最多允許安排s個因子，加“＊”表示該均勻設計表具有更好的均勻性，應優先選用［10］。

根據靈敏度分析的結果，將篩選的5個變量在統計取值范圍進行如下限定：380mm≤HBC≤580mm；20mm≤LB≤220mm；90mm≤WB≤190mm；670mm ≤HHE≤ 870mm；850mm≤LH≤11000mm。

4 仿真結果分析

4.1 二次型回歸模型構建及分析

均勻設計的結果數據分析需要采用回歸分析。以加權損傷值WIC為設計指標，運用SAS軟件對表3中的仿真實驗結果進行逐步回歸分析構造二次型回歸方程模型，回歸分析的結果如表4和表5所示。

表3 實驗設計方案及結果

表4 方差分析

表5 參數估計值

由表4、表5可知，二次回歸模型的顯著性概率小于0.0001，模型高度顯著有效；每個系數的顯著性概率都小于0.08，說明10個系數都是顯著有效的。模型的決定系數R2為0.9953，總體擬合效果好。得到的二次型回歸方程如下：

式中，X1、X2、X3、X4、X5分別代表變量保險杠中心高度HBC、保險杠伸出長度LB、保險杠寬度WB、發動機罩前緣高度HHE和發動機罩長度LH。

由表5可知，與X3有關的有4項，且有關項的顯著性概率數值小于或等于0.003，F統計量數值大，表明保險杠寬度對行人損傷影響顯著，是對行人損傷影響最大的造型特征參數。與X2有關的有兩項，其中X2平方項的顯著性概率數值為0.0067，表明保險杠伸出長度對行人損傷影響較大。因此，在轎車前部造型特征線中，保險杠線的設計非常重要，在造型設計時需參考對行人的損傷影響仔細斟酌。

同時，每個造型特征參數對行人損傷的影響不是孤立的，還存在著交互作用。其中保險杠寬度分別與發動機罩前緣高度、發動機罩長度有交互作用，保險杠中心高度和保險杠伸出量有交互作用，發動機罩前緣高度和發動機罩長度有交互作用；并且保險杠中心高度和保險杠伸出量、發動機罩前緣高度和發動機罩長度對行人綜合損傷起正的交互作用，而保險杠寬度分別與發動機罩前緣高度、發動機罩長度對行人綜合損傷起負的交互作用。

4.2 優化分析

在MATLAB軟件中采用遺傳算法對得到的二次型回歸模型進行限值范圍內的最優求解，得出轎車前部造型特征參數的最優設計組合為HBC＝395mm，LB＝ 220mm，WB＝ 171mm，HHE＝870mm，LH＝ 934mm，此時WIC預測 值為0.3775。將該設計組合的5個特征參數取值代入MADYMO仿真模型中進行計算，得到仿真模型在該組合下的WIC值為0.4121。二次型回歸模型的優化值與該優化組合的實際仿真值的相對誤差為8.40%，優化達到收斂條件，優化過程結束。優化后的緊湊型轎車前部造型設計如圖6所示，該造型設計的保險杠特征線基點P4、P5相隔距離較大，P4點的位置偏低，保險杠寬大且中心高度低；發動機罩長度適中，在930mm左右，發動機罩前緣控制點P7的高度較高，位置偏向轎車后部，y軸的坐標數值較大，發動機罩前緣坡度較平緩，顯得圓潤平和。

圖6 優化得到的轎車前部造型

將仿真優化值與30組仿真實驗設計中損傷值最小的第22組進行對比，如表6所示。從表中可知，優化后模型的WIC值與原模型中的最小值相比降低了18.94%，除了膝關節最大剪切位移稍有增大，其他損傷值也都有明顯的降低，表明經過造型特征參數優化后的轎車前部造型設計對行人保護效果有明顯提升。

表6 優化值與原模型最小損傷值對比

5 結論

（1）保險杠伸出長度、保險杠寬度兩個造型特征參數對行人綜合損傷影響最大，說明保險杠是造成行人損傷的重要部件，保險杠線在造型設計時應引入碰撞安全這一技術因素。

（2）各造型特征參數對行人損傷的影響存在交互作用，其中保險杠中心高度和保險杠伸出量、發動機罩前緣高度和發動機罩長度對行人綜合損傷起正的交互作用，而保險杠寬度分別與發動機罩前緣高度、發動機罩長度對行人綜合損傷起負的交互作用。

（3）優化得到的緊湊型轎車前部造型設計具有中心高度低且寬度大的保險杠，發動機罩長度在930mm左右，發動機罩前緣高且坡度平和，造型圓潤舒緩。仿真研究表明，按照該造型設計的車型能有效減少車輛對行人造成的損傷，對轎車造型設計有一定的參考價值。

（4）本文對轎車造型特征進行了簡化，只采用了仿真方法進行初步探究，為了獲得更可靠的結果，還需進行實車試驗驗證并結合交通事故調查數據庫等手段進一步完善。

［1］胡偉峰，趙江洪，趙丹華.基于汽車造型特征線的汽車造型意象研究［J］.中國機械工程，2009，20（4）：496－500.Hu Weifeng，Zhao Jianghong，Zhao Danhua.Study on Styling Image of Vehicle Based on Form Feature Lines［J］.China Mechanical Engineering，2009，20（4）：496－500.

［2］譚浩，趙江洪，趙丹華，等.汽車造型特征定量模型構建與應用［J］.湖南大學學報（自然科學版），2009，36（11）：27－31.Tan Hao，Zhao Jianghong，Zhao Danhua，et al.Construction and Application of the Quantitative Model of Automobile form Features［J］.Journal of Hunan University（Natural Science），2009，36（11）：27－31.

［3］趙丹華.汽車造型特征的知識獲取與表征［D］.長沙：湖南大學，2007.

［4］Longhitano D，Henary B，Bhalla K，et al.Influence of Vehicle Body Type on Pedestrian Injury Distribution［C］／／SAE Technical.Detroit，2005：2283－2288.

［5］Yang Jikuang，Lovsund P，Cavaller C，et al.A Human－Body 3DMathematical Model for Simulation of Car－pedestrian Impacts［J］.Crash Prevention and Injury Control，2000，2（2）：131－149.

［6］Matinez L，Guerra L，Ferichola G，et al.Stiffness Corridors of the European Fleet for Pedestrian Simulation［C］／／Proceedings of the 20th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles.Lyon，2007：07－0267.

［7］Isenberg R A，Walz M，Chidester C，et al.Pedestrian Crash Data Study－An Interim Evaluation［C］／／15th Intemational Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles.Melbourne，1996：1396－1407.

［8］Kajzer J，Schroeder G，Ishikawa H，et al.Shearing and Bending Effects at The Knee Joint at High Speed Lateral Loading［C］／／Society of Automotive Engineers.Florida，1997：973326.

［9］葉靈東.基于行人頭部和下肢綜合防護的汽車前部結構參數研究［D］.長沙：湖南大學，2009.

［10］劉文卿.實驗設計［M］.北京：清華大學出版社，2005.