基于Euro NCAP 8.0行人上腿部評價規程的車輛前端結構設計與優化

韓海英++李博

摘要： 歐盟新車評價規程（Euro NCAP）8.0版本對行人上腿部碰撞測試方法進行了修改，新的測試方法減小行人上腿部對車輛前端空間的要求，但是對其結構設計和硬點的布置等提出新的要求.從行人上腿部的碰撞位置、碰撞角度及能量等方面對比Euro NCAP新舊版本的不同.根據Euro NCAP 8.0行人上腿部的碰撞要求，對車輛前端結構設計進行分析，并針對某車進行試驗，用CAE技術進行優化設計，使其滿足Euro NCAP 8.0對行人上腿部碰撞的要求.

關鍵詞： 汽車安全； 汽車前端結構； 行人保護； 上腿部保護

中圖分類號： U462文獻標志碼： B

Automotive front structure design and optimization

based on evaluation rules of pedestrian upper

leg protection in Euro NCAP 8.0

HAN Haiying， LI Bo

（Advanced Engineering & Core Technology Institute， Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241009， Anhui， China）

Abstract： Version 8.0 of EU new car evaluation rules（Euro NCAP） has modified the test protocol for pedestrian upper leg impact. The new test protocol has less demand for the vehicle front end space， but more requirements for structure design and hard points arrangement. The differences about impact position， angle and energy etc. between the new and old protocols are compared. The structural design of vehicle front end is analyzed according to the rules for pedestrian upper leg impact in Euro NCAP 8.0， and the test is performed on a typical vehicle. Based on CAE technique， the design is optimized to make the front end structure meet the requirement of pedestrian upper leg impact in Euro NCAP 8.0.

Key words： automotive safety； vehicle front end structure； pedestrian protection； upper leg protection

收稿日期： 2016[KG*9〗11[KG*9〗07修回日期： 2017[KG*9〗01[KG*9〗14

作者簡介： 韓海英（1986—），女，安徽蕪湖人，工程師，碩士，研究方向為汽車行人保護，（Email）hanhaiying@163.com0引言

隨著汽車工業的不斷發展與家用轎車的廣泛使用，汽車安全保護措施成為汽車設計的重要課題之一，且越來越重視對行人的保護.歐盟新車評價規程Euro NCAP已將行人保護作為評價內容之一，主要針對行人的頭部、上腿部及下腿部進行評價，故行人保護性能直接影響車輛安全星級的評定.[12]在2015年之前Euro NCAP公布的結果中，較大部分行人保護上腿部得分為0分，尤其是大型車輛.由于行人上腿部的撞擊能量和角度都比較大，對車輛前端吸能空間和吸能零件的設計要求高，而前端結構受造型的局限，空間非常有限.這會限制車輛的Euro NCAP星級評定.[3]Euro NCAP 8.0版對行人上腿部碰撞測試進行修改，于2015年2月開始實施.撞擊位置、撞擊角度、撞擊能量等均與之前版本不同.由于撞擊能量的整體降低，新的測試方法降低對車輛前端空間的要求，但是對其結構設計和硬點的布置等提出新的要求.[4]本文根據不同車型，對車輛前端進行設計，并基于試驗數據進行優化分析.

1Euro NCAP行人上腿部評價規程簡介在WAD775上選取撞擊點，從車輛中間位置開始，在2個參考點區域內在橫向垂直面內每隔100 mm選取1個點，并刪除與角參考點距離小于50 mm的網格點，見圖1.按照舊的評價規程，撞擊位置在發動機前緣基準線上選取，對于離地高度角度較低的小型車輛來說，發動機前緣基準線與WAD775包絡線的位置一般均在發動機蓋前端，碰撞點的位置差別太不大，但對于離地高度較高的SUV車型來說，WAD775包絡線位置一般在車輛上格柵位置，較發動機前緣基準線z向要低一些.

每個網格點的撞擊角度定義為該點的保險杠內參考線IBRL和包絡線WAD930所形成直線的垂直線與地面線所形成的夾角，見圖2.其中，保險杠內參考線IBRL是Euor NCAP 8.0新增加的劃線，與前保險杠橫梁的結構有關.撞擊角度在0～44.757°范圍內選?。ㄅf的評價規程的撞擊角度范圍為0～46°）.雖然撞擊角度的范圍并沒有減小太多，但對于離地高度較高的SUV車型來說，由于撞擊位置的變化，新評價規程的角度變化比較明顯.

每個網格點的撞擊能量由撞擊角度決定，新評價規程的范圍為160.0～456.7 J，舊評價規程的范圍為200～700 J，新評價規程的撞擊能量要小很多.根據能量與位移和上腿部軸向力的關系，行人上腿部設計對空間的要求有所降低，在合理的空間范圍內對前端結構設計提出更高的要求.

圖 2某車型行人保護上腿部撞擊示意

Fig.2Schematic of pedestrian upper leg impact

每個網格點的撞擊速度由撞擊角度決定，其大小范圍為5.521～9.327 m/s，舊的評價規程的撞擊速度在發動機前緣高度與保險杠前緣的曲線上通過線性插值獲得，范圍為20～50 km/h（5.56～13.9 m/s），新的評價規程最大撞擊速度小很多.

行人保護上腿部碰撞器質量為定值10.5 kg.Euro NCAP行人上腿部傷害指標有2個：上腿部軸向力及上腿彎矩.每個撞擊點的評分標準為：上腿部軸向力<5 kN且上腿彎矩<300 N·m，該撞擊點得分為1分；上腿部軸向力>6 kN或者上腿彎矩>380 N·m，該撞擊點得分為0分；位于2種情況之間，用線性插值計算得分，每個上腿部網格點的評分按2個指標中得分低的計算.[5]如果某個網格點沒有進行試驗，則將會采用其臨近點的最壞的結果進行評分.由于網格點對稱位于車輛的兩邊，所以可使用對稱原則.所有撞擊點得分相加后除以總個數，為該車型的得分率，得分率乘以6，為該車型行人上腿部總得分.行人上腿部滿分為6分.

2基于Euro NCAP 行人上腿部的前端結構設計根據Euro NCAP 行人上腿部撞擊點位置的不同，前端結構也應分別進行設計.[6]A級車型的行人保護上腿部撞擊位置一般在發動機蓋前緣，主要關鍵部件為發動機蓋系統前緣、散熱器上支架及前保系統上支架.離地高度較高的SUV車型的行人保護上腿部撞擊位置一般在前保系統的上格柵位置，主要關鍵部件為上格柵系統及內部吸能零件.

2.1A級車型前端結構設計

A級車型的行人保護上腿部撞擊位置一般在發動機蓋前緣，與BLE線位置接近，見圖3.

圖 3A級車型行人上腿部撞擊點位置

Fig.3Location of pedestrian upper leg impact points on

A level vehicle

由于上腿部彎矩受上腿力的影響較大，故本文分析時以上腿力作為評價指標.發動機蓋系統前緣、散熱器上支架結構設計分析如下.

2.1.1發動機蓋系統前緣設計

根據上腿部模型撞擊過程發動機蓋前端的變形狀態，將其結構優化為可壓潰的懸臂結構，見圖4a）.優化后的結構在受到上腿部撞擊時，圖示虛框內的懸臂可以壓潰吸能，降低發動機蓋對上腿模型的碰撞力度，上腿部軸向力曲線對比見圖4b）.

a） 發動機蓋內板前端結構

b） 上腿部軸向力曲線對比

由圖4b）可看出，該結構對曲線第二個峰值有明顯影響，表明發動機蓋前端的可壓潰結構對上腿部軸向力的降低有明顯影響.由于造型和布置等原因，懸臂結構不能設計太長，故在3個面內增加弱化孔，見圖5a）.該弱化孔可以降低發動機蓋前端對上腿模型的抗力，上腿部軸向力曲線對比見圖5b）.該弱化孔對上腿部軸向力曲線的2個峰值均有影響.弱化孔的方向及大小應根據發動機蓋的綜合要求進行設計.

a） 發動機蓋內板前端結構

b） 上腿部軸向力曲線對比

2.1.2散熱器上支架設計

散熱器框架為塑料件（見圖6a）），安裝蒙皮的支架集成于散熱器前端模塊上.蒙皮支架剛度大，上腿模型撞擊到蒙皮支架上時，上腿部在該撞擊位置不得分，故對其結構進行優化.新增加圖6a）所示支撐板，并將蒙皮支架集成于該支撐板上，蒙皮支撐板安裝于散熱器上橫梁上端.該方案可將剛度大的支架后移，降低車輛前端剛度，從而減小上腿部軸向力，對比見圖6b）.該結構第一個峰值增大，但第二個峰值明顯降低，曲線趨于平緩，上腿部軸向力減小.如果散熱器框架為金屬件，其上支架可以設計為易于壓潰的結構，主要設計方向為：上支架內部加強筋的布置，其厚度及材料的選取參考文獻[7].

2.2SUV車型前端結構設計

離地高度較高的SUV車型的行人保護上腿部撞擊位置一般在BLE線下端的前保系統的上格柵位置，見圖7.a） 蒙皮支撐板結構

b） 上腿部軸向力曲線對比

SUV vehicle

2.2.1上格柵結構設計

根據上腿模型撞擊過程前保上格柵的變形狀態，對其剛度進行優化，主要設計方向有格柵x向寬度、格柵車內加強筋、材料厚度等.本文分析其厚度，研究格柵剛度對上腿部軸向力的影響，見圖8.

由圖8可看出，格柵剛度的減小有助于上腿部軸向力的減小，其剛度減小幅度也應綜合其他因素進行考慮.[8]

2.2.2內部吸能零件結構設計

SUV車型的上腿部撞擊點在上格柵位置，如果上格柵及前保蒙皮系統與前散熱器結構的空間及造型有限制，在上腿部碰撞位置增加相應的吸能零件對上腿部得分有很大幫助[9]，見圖9.吸能零件主要設計方向應考慮吸能零件的位置、加強筋的布置及其料厚度等.[10]

3某車型的行人上腿部分析及優化設計某A級車型基于Euro NCAP剛性上腿部試驗規程的試驗曲線與CAE仿真曲線對比見圖10，其考察指標峰值見表1.對比結果表明CAE仿真模型的精確性.

a） 上腿部軸向力

b） 上腿彎矩

simulation curve在該CAE模型的基礎上對各個撞擊點進行分析，其結果及得分見表2.結果顯示U±5及U+6等4個撞擊點沒有得到滿分，根據上述前端結構的設計方法，對其關鍵件發動機蓋進行優化，并對大燈支架進行可壓潰結構設計，優化后結果見表3.結果顯示該車型可獲得Euro NCAP行人上腿部撞擊評分6分.表 1考察指標峰值對比表

Tab.1Comparison of peak value of index指標上腿部軸向力F上腿彎矩M法規要求3.70 kN296.26 N·m實驗4.07 kN280.00 N·mCAE10%5.4%表 2Euro NCAP行人上腿部分析結果

Tab.2Analysis result of Euro NCAP upper leg區域劃分（y向坐標）區域（600～-600）碰撞點U+6U+5U+4U+3U+2U+1U0U-1U-2U-3U-4U-5U-6y向坐標6005004003002001000-100-200-300-400-500-600上腿部軸向力F/kN5.044.804.743.263.123.604.073.783.103.154.514.805.04上腿彎矩My/（N·m）226.0349.1266.0203.5187.2222.6280.0232.1185.2198.4252.3349.1226.0Euro NCAP評分得分總得分0.960.391.001.001.001.001.001.001.001.001.000.390.965.4

表 3優化后的Euro NCAP行人上腿部分析結果

Tab.3Analysis result of Euro NCAP upper leg after optimization區域劃分（y向坐標）區域（600～-600）碰撞點U+6U+5U+4U+3U+2U+1U0U-1U-2U-3U-4U-5U-6y向坐標6005004003002001000-100-200-300-400-500-600上腿部軸向力F/kN3.373.984.203.263.123.604.073.783.103.154.343.983.51上腿彎矩My/（N·m）145.4207.5241.8203.5187.2222.6280.0232.1185.2198.4242.0208.1149.0Euro NCAP評分得分總得分1.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.006.0

4結論

（1）基于行人上腿部設計A級車型前端結構時，發動機蓋系統前緣設計為懸臂結構并增加弱化孔，可有效降低行人上腿軸向力；散熱器上支架設計為剛度較小的2個結構，可有效地將行人上腿部碰撞硬點后移，降低行人上腿軸向力.

（2）在基于行人上腿部設計SUV車型前端結構時，從格柵x向寬度、格柵車內加強筋、材料厚度等幾個方面降低格柵剛度可以減小上腿部軸向力；在碰撞位置增加相應的吸能零件有利于降低上腿部軸向力.參考文獻：

[1]Euro NCAP. Euro NCAP assessment protocol for pedestrian protection V7.1.1[S/OL]. （20131202）[20161101]. http：//euroncap.blob.core.windows.net/media/1466/euroncappedestrianprotocolv711.pdf.

[2]Euro NCAP. Euro NCAP assessment protocol for pedestrian protection V7.0[S/OL]. （20130210）[20161101]. http：//euroncap.blob.core.windows.net/media/1434/euroncapassessmentprotocolppv70.pdf

[3]劉軍勇， 劉奇， 王大志. 歐洲NCAP行人保護發展趨勢及應對策略探討[J]. 上海汽車， 2013（12）： 5759. DOI： 10.3969/j.issn.10074554.2013.12.14.

LIU J Y， LIU Q. WANG D Z. Discussion on development trend and countermeasures of NCAP pedestrian protection in Europe[J]. Shanghai Auto， 2013（12）： 5759.

[4]Euro NCAP. Euro NCAP assessment protocol for pedestrian protection V8.0[S/OL]. （20140612）[20161101]. http：//euroncap.blob.core.windows.net/media/1436/euroncapassessmentprotocolppv80june2014.pdf.

[5]Euro NCAP. Euro NCAP pedestrian test protocol V8.1[S/OL]. （20140612）[20161101]. http：//euroncap.blob.core.windows.net/media/1465/euroncappedestrianprotocolv80june2014.pdf.

[6]劉軍勇， 劉奇， 王大志. Euro NCAP行人大腿新測試規程對前端造型和布置的影響[J]. 汽車安全與節能學報， 2014，5（4）： 354359.

LIU J Y， LIU Q. WANG D Z. Euro NCAP pedestrian upper leg new test protocol effect to the front end styling and packaging design[J]. Journal of Automotive Safety and Energy， 2014，5（4）： 354359.

[7]HARIHARAN S， SUDIPTO M， ANOOP C. Optimization of vehicle front for safety of pedestrians[C]// Proceedings of 22nd International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles（ESV）. Subramanian， 2011： 110422.

[8]GAVRILA D M， GIEBEL J， MUNDER S. A study of the upper leg component tests compared with pedestrian dummy test[C]// Proceedings of 17th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles. Okamoto， 2001： 380388.

[9]陳傲東， 趙正， 王亞軍. 一種用于SUV車型的行人保護橫梁： 中國 CN201220037898.6[P].

[10]岳國輝， 韓峰， 李夕亮， 等. 基于行人腿部保護的SUV車型前端吸能結構設計[J]. 汽車安全與節能學報， 2010， 1（4）： 307312.

YUE G H， HAN F， LI X L， et al. Strutural design of SUV energyabsorbing based on pedestrian leg protection[J]. Journal of Automotive Safety and Energy， 2010， 1（4）： 307312.（編輯武曉英）