基于行人保護試驗的前保險杠設計優化

朱云娟 傅加榮 錢志峰 彭佳

（長安馬自達汽車有限公司）

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，并且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，其中行人保護下腿型碰撞試驗評價采用Flex-PLI 柔性腿型。文章介紹了通過柔性腿型評價前保險杠設計的行人保護安全性能，及通過對碰撞模型的分析，實現前保險杠的結構優化設計。

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

在保險杠2 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中，取2 個區域中較大的區域作為腿型試驗區域[1]；由中點或中點左側第1 個點開始，選擇汽車單側的所有間隔點作為試驗點開展試驗；腿型沖擊器按要求位置擺放后，以40 km/h 的相對速度沖擊汽車前端。

1.2 柔性腿型碰撞傷害評價指標

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。

圖1 行人保護試驗柔性腿型傳感器分布

2 碰撞模型的建立

行人保護腿型試驗區域主要為汽車的前端保險杠系統，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。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[2]。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。文中的車型防撞梁Y 向寬度范圍為-598～598 mm，保險杠兩側角點對應的Y 向寬度為-500～500 mm。剛性腿型測試區域為保險杠兩側角點Y 向位置，測試點為-434～434 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，測試點為-556～556 mm。表1 示出某車型柔性腿型撞擊結果。

表1 某車型柔性腿型撞擊結果

根據表1 總結得出，各區域的實際改善思路為：

1）Y0～Y200區域，減小前保險杠小腿支撐骨架到腿型下邊界高度，吸能塊區域在最大侵入狀態，彈簧的壓縮量增大，前保險杠小腿支撐骨架壓縮量增大。

2）Y200～Y500區域，減小前保險杠小腿支撐骨架到腿型下邊界高度，吸能塊區域在最大侵入狀態，彈簧的壓縮量增大，前保險杠小腿支撐骨架壓縮量增大，膝關節彎曲角度在碰撞點向汽車保險杠兩側的位移呈逐漸增大趨勢，與柔性腿型的計算結果趨勢一致。這是因為越趨近保險杠兩側，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，故保險杠兩側的膝關節傷害指標不理想。

3 前端結構優化設計

最優的汽車前端結構應使MCL，ACL，T 的數值最小，能在給定的約束范圍內對這3 個評價函數進行多目標優化，從而求得最優的參數組合[3]，使汽車前端結構獲得最優的行人保護性能。該優化問題可以描述為：

目標函數：min{MCL ACL T}；

約束條件：680＜H1＜850，150＜H3＜285，20＜H4＜90，60＜L＜160。

優化計算得出一組優化結果，如表2 所示。

表2 汽車前端結構優化設計參數 mm

根據最優設計參數，經汽車前端有限元模型優化后的仿真計算，得出膝部韌帶拉長量和脛骨彎矩響應曲線，如圖2 和圖3 所示。由圖2 和圖3 可以看出，各傷害值均滿足Euro-NCAP 高性能指標。

圖2 膝部韌帶拉長量響應曲線

圖3 脛骨彎矩響應曲線

圖4 示出某車型碰撞動畫。從圖4 中可以看出，隨著FLEX-PLI 與汽車前端接觸，MCL 隨著腿型運動姿態的變化呈增加趨勢并在0.03 s 達到峰值，此時FLEX-PLI 腿型運動姿態彎曲度最大；FLEX-PLI 腿型下端與汽車先接觸，腿型上端無接觸，在膝蓋關節處形成剪切力，所以在0.008 s 左右PCL 和ACL 形成峰值；對于脛骨而言，FLEX-PLI 腿型下端先與下支撐接觸，后與發動機罩前緣接觸，使得脛骨彎矩達到2 次峰值，隨后在反彈過程中隨著腿型擺動引起了脛骨彎矩的第3 峰值和第4 峰值，并逐漸衰減。

圖4 某車型碰撞FLEX-PLI 腿型變化動畫

4 結論

文章簡要介紹了剛性腿型和柔性腿型在結構、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型與柔性腿型的有限元碰撞模型，最后針對柔性腿型的分析結果，對車型的脛骨彎矩指標進行優化和驗證，得出：

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

2）保險杠小腿梁支撐結構的剛度與柔性腿型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。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。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，也啟發了對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的進一步研究。