基于行人保護柔性腿碰撞的前保險杠結構優化

徐夢飛

摘 要：在開發某車型時，參考2018版中國新車評價規程（C-NCAP）中柔性小腿（Flex-PLI）碰撞規則，運用計算機輔助工程（CAE）技術，對其前端保險杠結構進行優化。基于前端碰撞模型的簡化模型，分析了前保險杠結構布置尺寸與碰撞傷害指標的相關關系，確定了優化方案，并通過CAE仿真分析驗證了該優化方案的可行性。以上研究為改進行人保護柔性腿型碰撞的車輛前保險杠結構設計提供了參考。

關鍵詞：行人保護；碰撞試驗；柔性腿；前保險杠

中圖分類號：U491.61 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）04-0040-05

Abstract： In the development of a vehicle， reference China-New Car Assessment Program（2018）in flexible leg （Flex-PLI） collision rules， using the computer aided engineering technology（CAE）， optimize the structure of front bumper. Based on the simplified model of the front collision model， the relationship between the size of the front bumper and the damage index is analyzed， then determine the optimization scheme. The feasibility of the optimization scheme is verified by CAE simulation analysis. The above research provides a reference for improving the structural design of the front bumper of pedestrian protection （flexible leg）.

Key Words： pedestrian protection； impact test； Flexible-Legform； front bumper

在汽車安全研究領域中，車輛行人保護安全性能是非常重要的組成部分，其中行人小腿碰撞是車輛行人保護安全性能開發的重要內容之一。車輛前保險杠系統的造型、結構設計直接影響行人保護小腿碰撞安全性能。

歐盟新車評價規程（E-NCAP）在2014年將行人保護安全評價中使用的TRL剛性腿型正式替換為Flex-PLI柔性腿型，相比而言柔性腿型的傷害指標及評價方法有很大更新。

中國新車評價規程（C-NCAP）發布的2018版C-NCAP方案整體概要中，加入了行人保護評價內容，其中行人保護保護下腿型碰撞試驗評價采用Flex-PLI柔性腿型。

1 行人保護柔性腿評價方法

1.1 行人柔性腿型碰撞試驗方法

試驗區域劃分——保險杠兩個角點之間的區域和緩沖梁、橫梁等結構部件的最外邊緣之間的區域，取兩個區域中較大的區域作為腿型試驗區域。

試驗點選取——由中點或中點左側第一個點開始，選擇車輛單側的所有間隔點開展試驗。

試驗要求——腿型沖擊器按要求位置擺放后以40Km/h相對速度沖擊車輛前端。

1.2 柔性腿碰撞傷害評價指標

柔性腿型評價指標分為韌帶伸長量和脛骨彎矩：

韌帶伸長量包括前十字韌帶伸長量（ACL）、后十字韌帶伸長量（PCL）、內側副韌帶伸長量（MCL）。

脛骨彎矩包括脛骨上部彎矩（T1）、脛骨中上部彎矩（T2）、脛骨中下部彎矩（T3）、脛骨下部彎矩（T4）。

柔性腿型上的傳感器分布如圖1所示

柔性腿型碰撞單點總分1分為兩部分，小腿的彎矩占0.5分，取四個彎矩值中最差的一個進行評價，基于高、低性能限值通過線性差值法來計算得分，膝部韌帶的伸長量占0.5分，在ACL、PCL低于限值的前提下，基于MCL高、低性能限值通過線性差值法計算得出。所有碰撞點總分和除以碰撞點數量得出得分百分比。將百分比乘以3，即為該腿型試驗最終得分。

柔性腿型傷害值限值及評分方法見表1所示：

若ACL或PCL≥10mm，該部分得分為0分。

2 初始方案碰撞分析

圖2為初始方案前保險杠系統與車輛前端結構碰撞模型。

通過CAE仿真計算，初始方案的柔性腿型碰撞結果見表2所示。根據結果可以發現，其中主要超差較大的傷害指標為：

①Y0～Y500區域，T1、T2傷害指標數值超差大；

②Y200～Y500區域，ACL、MCL傷害指標數值超差大。

3 碰撞模型的建立

3.1 簡化碰撞模型

柔性腿型碰撞試驗中，對于前保險杠系統和車輛前端結構碰撞模型來說，主要起支撐作用的為上部支撐（機罩、前格柵、上骨架、上橫梁）、吸能塊（防撞梁）、小腿骨架（下橫梁）。

因此，為了分析前保險杠結構布置尺寸與碰撞傷害指標的相關關系，將前保險杠系統碰撞模型簡化為如圖3所示，其中：

①上部支撐區域模型簡化為彈簧K1；

②吸能塊區域模型簡化為彈簧K2；

③前保險杠小腿支撐骨架區域模型簡化為彈簧K3。

根據CAE碰撞過程分析，在最大侵入狀態時，柔性腿型變形最為嚴重，此時T1～T4、MCL、ACL接近峰值。

如圖4，設最大侵入狀態彈簧K1、K2、K3壓縮量分別為x1、x2、x3，設腿型總重量為m。

②如圖8所示，降低前保險杠小腿支撐骨架布置高度（降低量約15mm）；前保險杠小腿支撐骨架料厚減薄（t3.0mm→t1.5mm）；Y200～Y500區域小腿支撐骨架前部端點朝車前延長（端部最大延長量約60mm）。

通過CAE仿真計算，優化方案的柔性腿型碰撞結果見表3所示。結果表明，改善方案降低了行人保護柔性腿型碰撞傷害指標數值，達到了性能優化設計要求。

5 總結

本文通過對行人保護柔性腿碰撞建立簡化數學模型，經過理論推導得到行人保護各評價項的影響參數。基于某車型的CAE仿真結果，提出針對性的優化方案，最終通過CAE的仿真結果驗證了優化方案的可行性。以上方法為改進行人保護柔性腿型碰撞的車輛前保險杠結構提供了參考，也啟發更進一步研究前保險杠結構布置尺寸與柔性腿型碰撞傷害指標的量化關系。

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