針對行人髖部碰撞保護的汽車前端造型與結構概念設計研究*

聶冰冰，夏 勇，黃 俊，周 青，劉 奇，杜漢斌

(1.清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084; 2.上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

前言

行人事故在汽車交通事故中占有很高的比例。世界道路交通與事故數據庫(international road traffic and accident database, IRTAD)統計數據顯示，2008年歐洲、美國和日本的行人死亡人數占道路交通事故總死亡人數的12%～33%[1]。在我國，由于人車混行道路大量存在，行人交通事故率更高。統計數字表明，2004-2007年間，中國行人死亡人數占交通事故總死亡人數的比例均在25%左右[2]。提高行人碰撞安全，降低交通事故中行人的傷亡率具有重要意義。

汽車車身前端造型及結構設計直接影響到其行人碰撞保護性能[3-4]。從2005年起，在歐盟國家銷售的乘用車必須滿足行人保護法規的第一階段要求，自2010年9月起，開始實施更加嚴格的第二階段[5]。Euro NCAP中對行人保護進行單獨的星級評定，以區別于乘員安全保護星級評定。

對成年行人而言，髖部在行人碰撞事故中受到傷害的頻率僅次于頭和下肢[6-7]。國內行人保護法規與Euro NCAP中均要求車輛使用髖部沖擊器進行沖擊試驗以檢驗車輛對行人髖部的保護性能[8-9]。髖部沖擊器碰撞試驗的初始輸入動能、碰撞速度和碰撞角度等試驗參數由車輛前端造型的幾何參數發動機罩(下簡稱“機罩”)前緣高度(bonnet leading edge height, BLEH)和保險杠前緣長度(bumper lead, BL)決定。主要損傷參數包括髖部沖擊器所承受的沖擊反力峰值與彎矩峰值，碰撞結果受到機罩前緣部件結構設計和布置的影響，并且對試驗參數比較敏感，具有一定的離散性[10]。行人髖部碰撞區域位于機罩前緣，涉及前大燈和發動機進氣格柵等部件，該區域部件布置較為復雜，針對髖部碰撞保護的設計難度較大[11-12]。相比其他行人沖擊器碰撞試驗，髖部沖擊器試驗的結果更容易超標，對車型的Euro NCAP得分有明顯影響[13-14]。

為避免髖部沖擊器在碰撞初始與機罩下方的硬點產生接觸，產生過高的沖擊反力，須在髖部沖擊器的碰撞位置下方保留一定的碰撞吸能空間。研究表明，在保證沖擊反力不超標的情況下，髖部沖擊器的碰撞輸入能量與對機罩下方最小吸能空間的需求一一對應，即碰撞初始輸入能量越高，需要的吸能空間越大[15]。通過車輛前端造型設計的控制，可以有效降低髖部沖擊器的碰撞輸入能量。在髖部沖擊器碰撞輸入能量一定的情況下，通過機罩下方部件的合理設計與布置可以改善髖部沖擊器的碰撞波形，降低損傷指標的峰值，減小一定的Euro NCAP得分要求下所需的變形吸能空間，改善髖部沖擊器碰撞結果[14]。本文中分析了車輛前端造型因素與髖部沖擊器碰撞參數輸入之間的關系，提出了基于碰撞能量約束的車輛前端外輪廓設計方法，并基于某實車車型建立起髖部沖擊器與車輛前端碰撞模型，對其行人髖部碰撞性能進行分析評估，就局部結構進行了針對行人髖部保護的概念設計。

1 行人髖部碰撞區域的造型分析

1.1 造型因素對髖部沖擊器碰撞影響的分析

圖1為髖部沖擊器與機罩前緣碰撞試驗示意圖。汽車前端造型因素對髖部沖擊器碰撞結果的影響體現在兩方面，一是前端造型的幾何尺寸決定了髖部沖擊器的碰撞輸入能量、初始速度與角度，其中輸入能量與吸能變形空間的需求正相關；另一方面，碰撞接觸面積、碰撞區域內結構件(如上橫梁、機罩鎖、車大燈和進氣格柵等)的布置與髖部沖擊器的損傷參數密切相關。圖2給出髖部沖擊器與機罩前緣碰撞試驗中用于確定初始能量輸入的曲線，可以看出，初始能量輸入對于機罩前緣高度(BLEH)非常敏感。因此，對機罩前緣較高的車型，髖部沖擊器碰撞試驗往往初始輸入動能較高，測試結果相對較差。

在實際的造型設計過程中，進氣格柵是汽車前部重要的造型元素，它直接影響整車造型設計風格[16]。通過降低進氣格柵高度，使車輛前端造型更加扁平，能夠相應降低機罩前緣高度，從而減小髖部沖擊器的初始碰撞能量。汽車前大燈一般局部結構剛度較大，也是髖部沖擊器碰撞的關鍵區域，依據行人碰撞要求相應改變大燈造型設計與空間位置，可以設法將其布置在髖部碰撞區域之外。部分現有車型中在車大燈的安裝機構上采用了整體潰縮吸能裝置，以改善局部碰撞緩沖效果，降低行人保護要求對于車燈造型的限制[12]。

1.2 基于碰撞能量約束的車型前端外輪廓設計

結合上述分析可以發現，在車型設計早期，可以一定的碰撞能量輸入作為設計目標，對車型外輪廓設計進行約束，從而為后續針對髖部碰撞保護的部件結構和布置設計提供便利。在前保險杠系統方案確定后，車型外輪廓線在能量約束條件下的設計步驟如圖3所示。首先選取車型正中心截面，即車輛縱向對稱面(y=0)，設定一個碰撞輸入能量(比如500J)，按以下步驟求得對應該輸入能量的組合約束線：

(1) 按照法規要求，利用截面中一條與垂線成20°的斜線α和保險杠廓形的接觸點，確定保險杠上參考點M；

(2) 依據法規給定曲線(圖2)，確定500J能量對應的各組BLEH和BL，描點連線得曲線β；

(3) 確定車型BLEH的上限值hBLE，并按其高度確定曲線β上的一點N；

(4) 從點N處作一條截面中與地面交角40°的直線γ；

(5)α、β與γ3條直、曲線，去掉它們交點以外的無效線段后，共同組成該截面的一條組合約束線。

沿車輛橫向(即保險杠的長度方向)取若干平行于縱向對稱面的截面(對應于不同的碰撞點)，分別按上述步驟求得該截面的組合約束線；這些組合約束線將構成一個約束曲面。只要汽車前端造型設計的曲面在約束曲面之下，即可保證碰撞輸入能量不超過設定值。

汽車造型對于行人碰撞試驗結果有明顯影響。在實際工程中，車輛開發早期的造型設計階段就應考慮行人保護要求，以降低工程開發難度，改善車輛的行人保護性能[12]。需要指出的是，髖部沖擊器對不同位置的結構剛度的敏感程度不同，髖部沖擊器下部受力往往對沖擊反力的峰值影響更明顯[17]。因此，接觸點局部造型(尤其是局部的弧度設計)以及由此引起的局部剛度變化等，對髖部沖擊器碰撞結果也會產生影響。此外，汽車低速碰撞和行人腿部碰撞保護等對汽車前端設計(如前車燈和機罩前緣等)也有不同的要求[18-19]，這些因素均應在車型設計早期予以兼顧。

2 機罩前緣結構改進設計

行人沖擊器碰撞均集中在車輛前端的局部區域，輸入動能相對較小，對模型保真度要求較高。本文中利用LS-DYNA軟件建立了樣車前端有限元模型，與實際試驗值進行了對比分析，通過機罩前緣不同位置的碰撞仿真計算對現有車型的髖部碰撞保護性能進行評估，找出損傷參數超標的區域，并從其結構剛度、質量分布和邊界條件特征等方面對結果進行分析。

髖部沖擊器碰撞可視為一維運動，主要考查髖部沖擊器在平動過程中受到的沖擊反力合力和彎矩大小。從實際算例和實驗結果來看，沖擊反力與彎矩之間存在一定的比例關系[20]，過高的合力峰值是導致髖部沖擊器碰撞結果較差的主要原因，因此在概念設計中以沖擊反力峰值作為主要研究對象。結構設計目標為在不增加變形吸能空間的前提下，降低沖擊反力峰值；或在不提高沖擊反力峰值的情況下，減小所需要的變形吸能空間。

2.1 樣車前端模型的建立

本文中使用的樣車前端結構模型保留了A柱前與行人沖擊器相接觸和對其損傷有較大影響的部件，具體包括：機罩及其附屬部件、車燈、翼子板、散熱器、前保險杠總成(蒙皮、橫梁、吸能盒、下支撐件等)和風窗玻璃等部件。模型外觀如圖4所示，約含20萬個單元，在截面處約束各點運動自由度。

為方便表達，將此樣車模型記為模型A。為了驗證模型A的準確性，實施了樣車前端髖部沖擊器碰撞試驗，試驗中選定的碰撞位置沿車輛橫向的坐標值為Y=350mm，試驗中碰撞位置信息和試驗結果如表1所示。為進行對比，在有限元模型中就同一位置進行了碰撞仿真，結果如圖5所示。由圖可見，仿真計算得到的髖部沖擊器合力曲線與試驗結果比較吻合。兩者的差異可能存在多方面的原因，如仿真模型本身的保真度高低，實際試驗條件與仿真條件可能不完全匹配，傳感器測量結果誤差等。另外，對比不同文獻給出的髖部沖擊器標定結果時可以發現，在標定結果都滿足試驗要求的情況下，標定試驗曲線也存在明顯不同[21-22]，因此，本文中的計算結果僅用于車型改進前后髖部碰撞保護水平的相對比較。

表1 髖部沖擊器碰撞位置幾何信息和試驗結果

2.2 髖部沖擊器與樣車前端碰撞仿真

為對樣車的髖部碰撞保護性能進行評估，選取機罩前緣上的4個碰撞位置進行仿真計算，各碰撞位置沿車輛Y向的坐標值如圖6所示，其中碰撞位置1位于機罩前緣中心。表2給出各碰撞位置對應的樣車幾何信息和試驗參數。由表可見，各個碰撞位置對應的髖部沖擊器輸入能量均接近700J，即法規試驗要求的上限值。表3給出了髖部沖擊器與模型A碰撞的仿真計算結果。

表2 對應各碰撞位置的樣車幾何信息和試驗參數

表3 模型A的碰撞計算結果

圖7給出了髖部沖擊器碰撞過程中位置1和位置4的沖擊反力-位移曲線。可以看出，該車型的主要問題是位置1處結構整體偏軟，保留了較大的吸能變形空間，碰撞波形不夠合理。盡管沖擊反力峰值低于Euro NCAP滿分標準5kN，但髖部沖擊器在碰撞過程的侵入位移較大，達到163mm；位置4處沖擊反力過高，碰撞波形的形狀與理想的矩形方波差別較大，出現了3個明顯的波峰，這種多峰波形的出現，一方面是由于部件的剛度設計和空間布置不夠合理；另一方面是由于機罩與下方剛性部件之間的預留空間較小，髖部沖擊器在二次、三次碰撞時仍然具有較高的動能。

2.3 各碰撞位置結構改進的概念設計

在不同的碰撞位置，髖部沖擊器所受的沖擊反力合力峰值是由不同的結構特征造成，因此改進設計應結合各個碰撞位置的局部構造有針對性地進行。需要指出的是，由于髖部沖擊器表層覆蓋泡沫軟材料的存在，它在與車輛接觸時受力曲線會經歷一個斜率相對較小的上升過程，該過程無法避免。在改善波形時主要針對泡沫壓實和車輛結構開始變形之后的碰撞歷程，本文中側重于髖部沖擊器碰撞保護的概念設計，未納入對其他因素的綜合考慮(如部件連接、布置、總體剛度和成本等)。

2.3.1 中央碰撞區

針對中央碰撞區(位置1，Y+000)，通過在中央位置處機罩下方加裝變形吸能件，可以利用其在髖部沖擊器碰撞過程的變形吸收碰撞能量，改善髖部沖擊器波形。設計中板件建模選用彈塑性材料(對應LS-DYNA軟件中的24號材料)。第1種設計方案采用階梯狀變形吸能件，如圖8(a)所示；第2種設計方案如圖8(b)所示，即在上橫梁與機罩之間加裝一個梯形薄板件，該構件包括內外兩件，其中外件能夠使碰撞初期的沖擊反力快速上升，以減小對吸能空間的需求，內件則用于保持平臺力。計算結果表明，加裝變形件有助于沖擊波形形成良好的平臺，髖部沖擊器所需要的變形空間減小了10mm左右。

需要說明的是，車型的發動機罩鎖件一般也位于中央碰撞區附近。由于鎖件的結構剛度通常較大，往往會對髖部沖擊器碰撞產生不利影響。本文中使用的樣車有限元模型為發動機罩鎖件預留出相應空間，但模型中并未考慮發動機罩鎖件。在將此類方案應用于實車結構改進時，須結合實際鎖件位置考慮其布置情況，進一步優化構件的材料和幾何等參數，以得到良好的碰撞結果。

2.3.2 車燈尖角處

車燈尖角處(Y-356)的碰撞位置3下方變形空間較小，散熱器上橫梁支撐在車燈上方，髖部沖擊器在碰撞過程中帶動機罩等部件與其產生碰撞時，仍然具有較高的殘余速度，從而產生了較高的受力峰值。由于車燈的存在使散熱器上橫梁難以向后下方移動，因此可將局部的散熱器上橫梁材料減弱，以降低構件的局部剛度。計算結果表明，沖擊反力峰值降低了近2kN，髖部沖擊器的反彈時刻推遲約7ms，最大位移增大了約10mm。

2.3.3 靠近機罩前緣邊緣的車燈中央處

靠近機罩前緣邊緣的碰撞位置4(Y-500)位于車燈中央，此處車燈燈罩材料剛度較大；部件布置緊湊，局部可變形空間小。髖部沖擊器與之碰撞時有效位移較小，沖擊反力的峰值較高。為降低結構的等效剛度，可以將燈罩所用材料聚丙烯的強度削弱。仿真結果表明，當其彈性模量由2.28GPa降為0.6GPa時，沖擊反力峰值能夠降低1kN左右，與此同時，髖部沖擊器的最大位移增大了約10mm。

2.4 綜合改進模型的碰撞計算結果

綜合前3小節對車身模型的改進，即在中央碰撞區域加裝碰撞吸能件，將兩側的散熱器上橫梁改為塑料件，并為車燈選用彈性模量較軟的材料，得到的模型記為模型B。樣車模型A與改進設計后的樣車模型B計算結果對比如圖9所示。可以看出，碰撞位置1處，模型B在保證沖擊反力不超過髖部沖擊器損傷耐受限度的情況下，沖擊器位移明顯減小，即所需要的變形吸能空間減小，從而為車型部件布置提供了更大的自由度；碰撞位置3和4處，髖部沖擊器所受合力峰值明顯降低。因此，各個位置的碰撞結果均有顯著改善。

在Euro NCAP對行人髖部碰撞保護性能的評分方法中，對髖部沖擊器的損傷參數(沖擊反力合力峰值和彎矩峰值)分別規定兩個極值，其中高要求極值對應滿分，低要求極值對應零分，處于兩個極值之間的試驗結果采用線性插值的方式計算相應得分。每次試驗須分別計算合力或彎矩得分，取二者的較小值作為該碰撞位置的得分。Euro NCAP試驗方法中將車輛機罩前緣劃分為(1)、(2)、(3) 3個區域，每個區域又包括a或b 2個子區，如圖10所示。如果汽車廠商贊助Euro NCAP加試，每個區域內最多可進行兩次髖部沖擊器試驗，并取二者的均值作為該區域的得分，最后仍將3個區域的分值累加；若汽車廠商不贊助Euro NCAP加試，每個區域內只進行一次髖部沖擊器碰撞試驗，按試驗結果計算該區域得分，最后對3個區域的分值進行累加，得到髖部沖擊器試驗總分。

圖10中還給出了仿真計算中采用的4個碰撞位置相對于Euro NCAP指定試驗區域的分布情況。本文中以髖部沖擊器的沖擊反力合力為主要研究對象，因此Euro NCAP得分的計算以合力峰值為依據，未考慮其彎矩情況。假設區域(1)和區域(3)對稱，則在廠商贊助Euro NCAP加試碰撞位置的前提下(即每個區域在a、b兩個子區內均進行髖部沖擊器碰撞試驗)，模型A和模型B的得分分別為1.4和3.6。可以看出，通過增設可變形吸能結構和削減局部結構剛度等措施，該車型的碰撞結果得到明顯改善。

3 結論

髖部沖擊器碰撞試驗中的輸入能量由車輛前端幾何參數決定，并對損傷指標具有顯著影響。合理的造型設計可有效降低碰撞能量輸入，有利于車輛對行人髖部的碰撞保護。盡管實際上髖部沖擊器與機罩前緣的碰撞波形難以達到理想方波，但分析表明碰撞輸入能量與機罩下方最小吸能空間的需求仍是一一對應的。當汽車前端造型固定，即碰撞輸入能量確定后，就須通過機罩內部部件的合理設計與布置來改善髖部沖擊器的碰撞波形，降低損傷指標的峰值，使之接近理想方波，以充分利用吸能空間，提高車輛的行人保護性能。

分析汽車前端造型因素與髖部沖擊器碰撞參數輸入之間的關系，提出了基于碰撞能量約束的車輛前端外輪廓設計方法，并基于某實車建立起髖部沖擊器與車輛前端碰撞模型，對其行人髖部碰撞性能進行了分析評估。在輸入能量不變的情況下，針對行人髖部保護進行了局部結構的改進設計。仿真計算結果初步表明，所提出的若干結構改進設計對提高髖部碰撞保護性能是有效的。

本文中僅以髖部沖擊器反力峰值的計算結果進行車型改進前后髖部碰撞保護水平的相對比較，且只針對髖部碰撞保護的要求。在下一步的研究中，須進一步考慮髖部沖擊器的最大彎矩情況；并顧及其他設計要求，如保險杠系統須滿足低速碰撞要求，機罩的改進設計應保證發動機散熱、降低車身噪聲和振動性能等。

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