滿足行人腿部保護要求的保險杠部件改進

曲杰, 徐梁, 馬強

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640)

0 引言

汽車正面與行人發生碰撞時，行人腿部一般首先受到傷害，數據統計人車碰撞后行人下肢損傷或致殘的概率高達30%[1]。腿部損傷主要有：腿骨骨折、韌帶撕裂、膝關節脫位、踝關節損傷與足錯位等。腿部受到的橫向剪切能使韌帶損傷斷裂和關節脫位，腿部彎曲程度過大易造成腿骨骨折，碰撞時腿部受力大小也是造成傷害的關鍵因素。這些傷害形式應該在車輛測試的試驗標準中體現，用評價指標去反映腿部真實受傷情況，從而對保險杠的設計提供指導。

2003年，歐盟頒布了行人保護相關的指令2003/102/EC，轉化為分兩個階段實施的歐盟法規EC No631/2009，規定了對機動車的行人腿部保護要求，即下腿型對保險杠試驗的標準和評價指標。隨后歐洲新車安全評定協會E-NCAP也將行人保護作為星級評定的項目之一。2008年，多國參與制定的行人保護全球技術法規GTR9《關于機動車碰撞時對行人及弱勢道路使用者加強保護和減輕嚴重傷害的認證統一規定》發布，我國的行人安全保護推薦標準是GB/T 24550-2009《汽車對行人的碰撞保護》[2], 其技術內容與GTR9相同。

下腿型沖擊器是行人保護法規(或標準)試驗中模擬人腿的實驗沖擊器，多采用剛性下腿型沖擊器，可以從試驗后的脛骨加速度、膝關節彎曲角度和膝關節剪切位移3個指標衡量行人腿部受到的傷害，各個標準的規定如表1所示。

表1 各個標準中的下腿型對保險杠試驗的評價指標

剛性下腿型沖擊器對保險杠試驗的特點有：試驗成本昂貴；試驗要求嚴格，要求一定濕度和溫度，試驗前需要標定，每次試驗2 h內完成；試驗準確度要求高，為保證下腿型沖擊器在沖擊瞬間為自由飛行狀態，考慮到重力因素，對推進系統和下腿型沖擊器的定位要求很高，在接觸時刻前測量儀測得的沖擊速度應為(11.1±0.2)m/s。因此試驗難度大，有限元仿真成為解決實際問題的主要手段。而以往研究忽略了對下腿型撞擊器的標定、碰撞定位等試驗細節，對材料應變率影響等仿真細節考慮不足。作者依照我國推薦標準GB/T 24550-2009中的試驗要求，建立完整標準的試驗仿真流程，并應用于保險杠的安全性能提高，改進設計了吸能泡沫部件，可以作為解決汽車的行人保護問題的重要參考。

剛性下腿型沖擊器用剛性圓管模擬人腿腿骨,中間連接可變形的韌帶，外部覆蓋模擬肌肉和皮膚的材料。柔性沖擊器的腿骨可變形，具有更高的生物仿真性和更真實的傷害模擬評估，能夠反映脛骨彎曲所造成的傷害。柔性下腿型沖擊器Flex-PLI和相關試驗標準已經在逐步完善并取代剛性下腿型沖擊器。

1 剛性下腿型沖擊器的標定

LSTC公司根據歐洲委員會EC No631/2009號法規，開發出剛性下腿型沖擊器有限元模型[3]，其標定試驗和應用仿真分析在LS-DYNA中進行。剛性小腿總質量13.402 kg，全長927 mm，外部有單層泡沫包裹模擬肌肉，最外層是氯丁橡膠層模擬皮膚。國標GB/T 24550-2009中對剛性下腿型沖擊器有一定性能要求。為驗證剛性小腿在仿真環境中是否符合要求，在LS-DYNA中進行靜態剪切試驗、靜態彎曲試驗和動態試驗的標定。

標定結果如圖1所示:圖(a)和圖(b)表明靜態標定試驗的曲線都在規定范圍內；圖(c)為動態標定試驗曲線，國標對動態標定曲線的最大值有要求。

圖1 標定結果

表2為動態標定的最大值和國標要求，可見動態標定試驗各條曲線的最大值也符合要求，所以使用剛性小腿完全符合我國標準要求。

表2 動態標定結果和國標要求

2 保險杠建模和仿真

該車前部模型主要含進氣格柵、保險杠蒙皮、緩沖泡沫、前部防撞梁、大燈組件和霧燈組件等。前保險杠塑料件間的連接方式主要為塑料卡扣、塑料螺紋柱以及塑料件之間的相互插入和壓緊。

保險杠蒙皮和進氣格柵材料為某改性聚丙烯塑料，用*MAT_PLASTICITY_POLYMER材料模型模擬，輸入不同應變率下真實應力應變曲線數據[4]，以考慮應變率的影響；泡沫材料為硬質聚氨酯泡沫，用*MAT_FU_CHANG_FOAM材料模型模擬，并可輸入單軸拉壓試驗曲線以考慮應變率的影響[5]。材料參數如表3所示，所需輸入曲線如圖2所示。

表3 主要材料參數

圖2 材料曲線的輸入

材料模型的曲線通過試驗獲得，由于碰撞速度較高，材料的試驗數據也應盡量包含較高應變率的試驗曲線。因為此試驗難于驗證，根據車門內飾板試驗和仿真驗證經驗，車門內飾板含有類似性能材料的塑料和硬質聚氨酯緩沖塊，連接方式也相同。分別在車門內飾板靜壓試驗中進行了材料和連接的低應變率下準確性驗證[6]，在車門內飾板總成耐撞性試驗中進行了材料和連接的高應變率下準確性驗證[7]，保證了有限元模型建立的準確性。

最后根據該款車的高度調整剛性小腿Z方向的位置，保證剛性小腿距離地面25 mm，設置剛性小腿初始條件為沿X軸的初速度為11.1 m/s。

3 吸能泡沫部件的改進

根據提交的試算結果，可以發現點P0的脛骨加速度和膝關節彎曲角度偏大，超過國標限值；點P1、P2各項結果嚴重偏大，導致計算難以收斂。吸能泡沫是吸收能量的功能性部件，相對于保險杠蒙皮具有較高的設計自由度，其主要的可改動特征尺寸如圖3所示。

圖3 原泡沫部件特征尺寸

對吸能泡沫部件進行改進設計[10]，在點P0，在保證安裝空間的情況下減小d1和d2的尺寸，會增大碰撞時的有效體積；增加點P1附近的厚度，也就是將增大t的尺寸；延長泡沫尺寸以至覆蓋全碰撞區域，能夠保證點P2的碰撞結果合格。反復改進設計，并用仿真計算進行驗證，得到最終的吸能泡沫如圖4所示。

圖4 改進設計的泡沫部件特征尺寸

用上面改進設計的吸能泡沫替換原來的有限元模型，并提交計算，前保險杠各部件在末時刻(t=30 ms)的內能如表4所示。

表4末時刻(t=30 ms)各部件內能統計

J

從表4可以看出： 改進設計后的吸能泡沫末時刻的內能明顯增加，并且點P1、P2的計算結果良好(具體分析見第4部分)，說明改進設計是有效的。

另外可以通過選擇泡沫材料，提高泡沫的功能性。研究表明:泡沫對能量吸收主要依靠平臺屈服階段，較長的平臺階段能夠顯著提升吸收能量，較低的平臺應力可以使材料較早進入屈服階段[11]，具有較高的能量吸收效率(單位質量材料吸收能量與對應應力之比)；一定范圍內泡沫的密度越小，剛度越小，能量吸收效率越高[12]。發泡聚丙烯泡沫(EPP)相對于硬質聚氨酯泡沫(PU)具有更好的緩沖吸能特性。可以綜合考慮吸能泡沫以上的特性進行選擇，然后在賦予材料時輸入曲線并設置參數。

4 驗證和分析

為了驗證改進設計后吸能泡沫能夠讓實驗結果符合國標中的各項要求，將各碰撞點的剛性小腿的指標輸出，在LS-prepost中用SAE低通濾波器濾除噪聲，得到各個指標的時間歷程如圖5所示。

圖5 各個指標的時間歷程

由仿真結果曲線可以看出：剛性小腿的脛骨加速度曲線從開始碰撞起不斷增加(負值代表與速度方向相反)，到達峰值時又開始減小。由于保險杠不同位置的結構有所差異，P0的峰值最小，因為中間位置保險杠蒙皮上有較大尺寸的安裝凹坑，通過3次碰撞后保險杠蒙皮能量對比可以得出P0處保險杠蒙皮吸收的能量較多，這一定程度上減小了加速度峰值；P2處接近大燈組件，同樣的大燈組件的變形與它和進氣格柵、保險杠蒙皮間連接的失效都稍稍降低了加速度峰值；P1結構的緩沖效果最差，加速度峰值最大。

膝關節彎曲角度曲線從t=0 ms開始隨著模型的變形程度不斷地增大，不同位置的彎曲角度曲線差別不大。膝關節剪切位移可以代表韌帶的撕裂程度，這與剛性小腿碰撞受力位置和韌帶的相對位置關系密切，不同碰撞位置的形狀差異導致剛性小腿受力位置不同，曲線差別也較大。P0位置各個時刻模型的變形情況如圖6所示。

圖6 P0位置碰撞過程中模型變形情況

通過仿真分析結果可以看出：改進后保險杠總成滿足GB/T 24550-2009對行人保護的各項指標的要求，但是脛骨加速度峰值和膝蓋彎曲角峰值都比較接近法規上限。文中采用的模型缺少發動機罩，并簡略了車燈內部組件，模擬時忽略了它們對能量的吸收，所以各項結果是偏安全的。

5 結束語

介紹了我國行人保護法規GB/T 24550-2009中的下腿型對保險杠試驗的仿真過程，針對一款汽車前部進行有限元模型建立、仿真試算、指導設計、最終達標的完整應用。得到以下結論：

(1)保險杠部件對行人腿部保護十分關鍵，通過對保險杠部件的改進和優化，能夠降低碰撞時行人腿部受到的傷害從而滿足標準對行人保護的要求。

(2)可以對吸能泡沫進行形狀設計，增大碰撞區域的有效體積來增強吸收能量的功能性，選擇吸能更好的吸能材料也增強吸能部件吸收能量的能力。

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