基于行人保護下腿型的車輛前端結構分析優化設計

黃金華,鄭文強

(1.同濟大學 汽車學院,上海 200092；2.延鋒彼歐汽車外飾系統有限公司,上海 201805)

0 引言

2013年世界衛生組織發布的《道路安全全球現狀報告》指出：全世界的道路交通死亡總數每年高達124萬例,其中22%的受害者都是行人。根據事故統計數據,在行人傷亡事故中,小腿是主要的受傷部位之一[1]。在行人碰撞事故中，碰撞產生的力傳遞到皮膚、肌肉、韌帶、骨骼等部位，如果相應部位受到的碰撞力值超過限值，就會造成肌肉損傷、韌帶斷裂、骨折等傷害，所以行人下腿型傷害受到國內外主機廠、科研機構和法規標準制定部門的重視。

我國在2010年7月1日實施了GB/T 24550—2009汽車對行人的碰撞保護國家標準[2]，此法規的行人保護沖擊器為剛性腿。從2014開始，歐洲新車評價規程(Euro-NCAP)的行人碰撞保護評價使用柔性腿替代剛性腿作為行人腿型沖擊器[3]。同時從2015年開始，行人碰撞保護歐洲法規ECER127也開始從剛性腿切換為柔性腿[4]。

本文首先針對行人保護剛性腿進行研究分析，并依據柔性腿的分析和試驗結果，對某車型前端結構提出優化策略，為汽車前端結構設計提供參考。

1 剛性腿與柔性腿分析研究

剛性腿有3個傷害評價指標，分別是脛骨加速度、膝關節彎曲角度和膝關節剪切位移。柔性腿針對股骨、膝關節和脛骨分別有股骨彎矩、膝關節韌帶伸長量和脛骨彎矩3種傷害指標。其中股骨彎矩指標目前只作為監控指標，并不作為評價傷害指標。膝關節部分的韌帶伸長量分別為前十字交叉韌帶(ACL)、后十字交叉韌帶(PCL)、外側副韌帶(LCL)和內側副韌帶(MCL)，這4個韌帶伸長量中，外側副韌帶(LCL)伸長量作為監控指標，其余3個都作為評價傷害指標。脛骨部分的彎矩主要有上部彎矩(Tibia1)、中上部彎矩(Tibia2)、中下部彎矩(Tibia3)和下部彎矩(Tibia4)，這4個彎矩指標都作為評價傷害指標。

由剛性腿和柔性腿的傷害評價對比發現：傷害評價主要分為脛骨和膝關節兩部分。剛性腿的脛骨加速度和柔性腿脛骨彎矩分別用來評價脛骨骨折風險；剛性腿的彎曲角和剪切位移與柔性腿的韌帶伸長量分別用于評價膝關節受傷害風險。GB/T 24550—2009和ECER127法規對應行人保護下腿型評價指標和評價閥值，如表1所示。

表1 GB/T 24550—2009和ECER127法規對應行人保護下腿型評價指標和評價閥值

2 行人保護下腿型的有限元模型

行人保護腿型試驗區域主要為汽車的前端保險杠系統，其中白車身前端部分的網格尺寸采用10 mm，為了更詳細地描述保險杠的結構特征，保險杠部分的網格尺寸采用5 mm。約束車身的6個自由度。腿型的初始撞擊速度為40 km/h，撞擊方向為整車坐標的X正向。腿型與保險杠蒙皮的接觸采用面-面接觸，且摩擦因數設置為0.2。本文研究的車型防撞梁Y向寬度范圍為-598 mm～+598 mm，保險杠兩側角點對應的Y向寬度為-500 mm～+500 mm。剛性腿測試區域為保險杠兩側角點Y向位置，即-500 mm～+500 mm，測試點為-434 mm～+434 mm。柔性腿測試區域為保險杠角與防撞梁最外側中較大的區域，即-598 mm～+598 mm，測試點為-556 mm～+556 mm。圖1為某車型Y0位置的撞擊模型和柔性腿型、剛性腿型截面。

圖1 某車型Y0位置的腿型截面圖和柔性腿型、剛性腿型截面圖

3 剛性腿和柔性腿的有限元分析結果對比

仿真分析從車輛Y0位置按每隔100 mm選點進行碰撞，再加上最外側測試點，剛性腿最外側測試點為Y434位置，柔型腿最外側測試點為Y556位置。選用Altair公司的Hyperworks軟件進行前后處理，利用Radioss求解器進行分析求解。剛性腿型和柔性腿型的分析結果分別如表2和表3所示。

表2 剛性腿型分析結果

表3 柔性腿型分析結果

有限元分析結果表明：剛性腿型和柔性腿型的結果整體趨勢接近；在Y0～Y300區域中，剛性腿的脛骨減速度超過目標要求，在同樣區域中柔性腿的脛骨彎矩也超過目標值。兩種腿型在脛骨傷害指標上結果狀態接近，但剛性腿型對脛骨只有一個指標，優化時相對容易，而柔性腿有4個脛骨彎矩，在Y100～Y200區域，中上部彎矩和中下部彎矩均超過目標，所以在優化時需要同時考慮兩個彎矩狀態。

本車型剛性腿的計算結果中，膝關節彎曲角度在碰撞點往車輛保險杠的兩側移動呈逐漸增大趨勢，與柔性腿型的計算結果趨勢一致。這是因為越往車輛保險杠兩側，保險杠的弧度越大，在腿型撞擊時更容易造成腿型的翻轉和彎曲，故兩側的膝關節傷害指標不理想。

綜上分析，剛性腿的結果趨勢與柔性腿比較接近。但由于柔性腿的生理仿真性和傷害指標更高，有必要針對柔性腿型進行優化設計。

4 車輛前端結構優化及仿真分析

本車型柔性腿碰撞分析中，柔性腿型的中上彎矩以及中下彎矩均超過了傷害指標值。圖2為Y0位置碰撞過程不同時刻腿型運動姿態。從圖2可以看出，脛骨下部彎曲主要是由于小腿梁(小腿支撐結構)剛性過大產生，即保險杠底部支撐結構吸能不足而造成脛骨彎矩超標。

圖2 Y0位置碰撞過程不同時刻腿型運動姿態

原小腿梁結構前端有交叉布置的結構筋和較多的Z向加強筋，致使碰撞過程中小腿梁結構的吸能較少，對小腿傷害較大，所以需對該零件進行優化，使其結構可吸收更多的碰撞能量，從而起到改善小腿運動姿態的作用。優化前、后的小腿梁結構如圖3所示。

圖3 小腿梁支撐結構優化前和優化后對比

優化前和優化后Y0位置的傷害值如表4所示，其中Tibia3的曲線如圖4所示，優化前、后傷害值峰值時刻腿型運動姿態如圖5所示。

表4 優化前和優化后Y0位置傷害值對比

圖4 優化前、后Y0位置的Tibia3曲線對比

由表4可知，中上彎矩與中下彎矩傷害指標均有所下降，膝關節位置的韌帶伸長量有所增加，但依然可以滿足法規要求。優化結果表明:小腿梁支撐剛度與脛骨彎矩特別是支撐處的脛骨彎矩呈正相關，但與膝關節的內側副韌帶伸長量指標呈負相關。行人保護柔性腿優化是一個整體性、綜合性的工作，優化過程中還需考慮保險杠的整體布置和制造工藝。

圖5 優化前、后傷害值峰值時刻腿型運動姿態

5 結語

本文簡要介紹了剛性腿和柔性腿在結構、傷害指標、法規閥值等方面的差異，分別建立了行人保護剛性腿與柔性腿的有限元碰撞模型，最后針對柔性腿的分析結果，對本車型的脛骨彎矩指標進行優化和驗證。得出以下結論：

(1) 柔性腿作為新型的碰撞沖擊器，具有比剛性腿較為全面的評分體系，能更好地反映真實的傷害過程。

(2) 由于本車型的保險杠兩側弧度較大，在Y500與Y556位置，MCL結果均超過目標值，說明車輛前端兩側弧度較大的造型對小腿膝關節部位的傷害較大。

(3) 保險杠小腿梁支撐結構的剛度與柔性腿傷害指標有直接的關系。分析和優化結果顯示，隨著小腿梁支撐剛度的減小，脛骨彎矩指標也隨之減小。經過優化，本車型Y0位置的Tibia2、Tibia3和Tibia4分別減小33.36%、36.16%和17.53%。在類似新車型的保險杠開發中，合理降低小腿梁支撐結構的剛性，可以更好地達到法規標準。