基于簡化模型的行人保護(hù)小腿碰撞分析研究

龔興旺　侯聚英　徐莉

摘 要：大量的行人交通事故使得人們越來越重視車輛對車外人員的保護(hù)，國內(nèi)各個汽車企業(yè)在車輛造型設(shè)計階段和總布置階段，已開始積極介行人保護(hù)設(shè)計，從而減小后期優(yōu)化難度，降低行人損傷程度。本文基于2018版C-NCAP行人保護(hù)下腿型碰撞試驗要求，建立了有效的行保腿型碰撞簡化模型，同時運用參數(shù)靈敏度分析方法，進(jìn)行了車輛前端造型尺寸設(shè)計分析。結(jié)果表明，建立有效的行保腿型碰撞簡化模型，能快速有效地分析前保造型尺寸和造型特征對小腿性能的影響，對行人保護(hù)友好的車輛前端造型設(shè)計有較好的指導(dǎo)意義，具有較高的工程實用性。

關(guān)鍵詞：行人保護(hù) 簡化模型 參數(shù)靈敏度分析

Research on Pedestrian Protection of Lower Leg Collision Based on Simplified Model

Gong Xing-wang Hou Ju-ying Xu Li

Abstract：A large number of pedestrian traffic accidents have made people pay more and more attention to the protection of people outside the vehicle，In the stage of vehicle modeling design and general layout， domestic automobile enterprises have begun to actively introduce pedestrian protection design， so as to reduce the difficulty of late optimization and reduce the degree of pedestrian damage. In this paper， based on the requirements of the 2018 C-NCAP pedestrian protection of lower leg collision test， an effective simplified model of the pedestrian protection of leg collision was established. At the same time， parameter sensitivity analysis method was used to design and analyze the modeling dimensions of the front end of the vehicle. The results show that the establishment of an effective simplified model of pedestrian protection of leg collision can quickly and effectively analyze the influence of the size of car front molding size on the performance of the leg， which has good guiding significance for the design of pedestrian protection friendly car front molding， and has higher engineering practicability.

Key words：pedestrian protection，simplified model，parameter sensitivity analysis

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，汽車保有量和城市人口數(shù)量也呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，由此帶來的道路交通異常擁擠和人車混雜等不良交通秩序問題，都極大的增加了行人-汽車碰撞交通事故的發(fā)生概率。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球交通事故死亡人數(shù)中的22%為行人[1]。頭部和下肢是行人最頻繁受傷害的部位，其中行人下肢與汽車前保險杠碰撞產(chǎn)生的傷害占行人總傷害比例為美國占43%、德國占35%、日本占42%[2]。下肢的傷害通常被認(rèn)為是除頭部傷害外最嚴(yán)重的傷害，因為它可能導(dǎo)致行人終身殘疾或喪失勞動能力[3]，對受害者家庭和社會帶來精神創(chuàng)傷和經(jīng)濟損失。當(dāng)今國內(nèi)外各大汽車生產(chǎn)廠商對汽車被動安全性的關(guān)注度越來越高，如何保護(hù)行人，減輕其在與車輛發(fā)生碰撞時的傷害已經(jīng)逐漸成為各國汽車安全性研究的新領(lǐng)域和焦點問題。

我國在2018年7月正式實施的《C-NCAP 管理規(guī)則（2018版）》中首次加入基于柔性腿型的行人下肢保護(hù)試驗及評分[4]。在2018版C-NCAP中，乘員保護(hù)，行人保護(hù)，主動安全總分100分，行人保護(hù)總分為15分，占比為15%。在新車評價體系中，如果要達(dá)到五星及五星+評定，總得分率需≥82%，而行人保護(hù)作為單項，其得分率必須≥65%，由此可見為了在新車評定中取得更高的星級評定結(jié)果，行人保護(hù)的考量尤為重要。隨著2018版C-NCAP的頒布，國內(nèi)越來越多的汽車公司將行人保護(hù)這項要求加入車輛開發(fā)和設(shè)計中，紛紛展開了行人保護(hù)技術(shù)的研究，積極與國外相關(guān)領(lǐng)域的科研機構(gòu)進(jìn)行合作。目前，國內(nèi)各個汽車企業(yè)在車輛造型設(shè)計階段和總布置階段，已開始積極介入行人保護(hù)設(shè)計，從而減小后期優(yōu)化難度，降低行人損傷程度[5]。小腿的橫向剪切和彎曲響應(yīng)是導(dǎo)致小腿傷害的兩種最主要的響應(yīng)，這兩種響應(yīng)會導(dǎo)致脛骨骨折、膝關(guān)節(jié)損傷、小腿骨骨折，而行人小腿在碰撞中受到很大傷害的原因主要是小腿與保險杠、發(fā)動機罩、進(jìn)風(fēng)口擋板、燈具、翼子板等部件接觸，因此對行人保護(hù)柔性腿型沖擊性能最關(guān)鍵的影響因素是車輛前端造型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置。

行人腿部保護(hù)性能與車輛前端的造型密切相關(guān)，因此在造型階段需要進(jìn)行腿部性能評估。但是造型階段通常沒有前保險杠、前隔柵、前大燈、發(fā)動機罩等結(jié)構(gòu)等詳細(xì)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致行人保護(hù)仿真分析難以進(jìn)行。本文提出一種基于簡化模型和參數(shù)靈敏度分析方法的造型前期行人保護(hù)評估方法，評估車輛前端造型和尺寸的設(shè)計對于行人腿部性能的影響。

2 行人保護(hù)腿型碰撞試驗要求

C-NCAP（2018版）規(guī)定，當(dāng)汽車保險杠下部基準(zhǔn)線離地高度低于425mm時，需用下腿型沖擊器撞擊汽車前端來模擬行人-車輛碰撞;當(dāng)保險杠下部基準(zhǔn)線離地高度高于500mm時，則需要用上腿型沖擊器撞擊汽車前端來模擬行人-車輛碰撞;當(dāng)保險杠下部基準(zhǔn)線離地高度介于425mm到500mm之間時，車輛生產(chǎn)企業(yè)可選擇使用下腿型或上腿型進(jìn)行撞擊試驗。試驗中采用的下腿型沖擊器為FLEX-PLI柔性下腿型沖擊器，下腿型質(zhì)量為13.2kg，規(guī)定車輛調(diào)整為正常行駛姿態(tài)，下腿模型下端離地距離為75±10mm，腿型以40±0.72km/h的速度水平?jīng)_擊車輛前部腿型試驗區(qū)域，圖1為2018版C-NCAP行人保護(hù)測試示意圖，其中包含腿型撞擊試驗內(nèi)容。

試驗中，采集碰撞過程中小腿脛骨上T1、中上T2、中下T3和下部T4四個彎矩以及膝部內(nèi)側(cè)韌帶伸長量MCL、膝部前十字韌帶伸長量ACL和后十字韌帶伸長量PCL七個指標(biāo)，來評價車輛對行人腿部的碰撞保護(hù)性能，具體評價指標(biāo)如表1所示。其中膝部韌帶伸長量是在ACL、PCL值均小于限值10mm的前提下，根據(jù)MCL值進(jìn)行評分，若ACL或PCL值大于或等于限值10mm，那么膝部韌帶的伸長量得0點數(shù)分，而小腿彎矩評分時取四個彎矩值中最差的一個。

3 行保小腿碰撞分析詳細(xì)模型建立

行人保護(hù)不同于整車碰撞，行人動能較小，不涉及金屬材料的大變形和大轉(zhuǎn)角以及失效等，但需要考慮泡沫材料、塑料、燈具玻璃多種非金屬材料的動態(tài)力學(xué)特性，在保證計算精度的同時，為了提高計算效率，在建模時可以對汽車結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡化，僅保留直接參與行保碰撞的汽車前部結(jié)構(gòu)，包括前蒙皮，大燈，進(jìn)氣格柵，發(fā)動機罩，翼子板，保險杠防撞梁，前縱梁，擋泥板，A柱等碰撞核心區(qū)零件。

本文的行人保護(hù)模型從某SUV汽車正碰模型中進(jìn)行截取，該正碰模型已進(jìn)行過前期的整車碰撞試驗對標(biāo)，可保證此仿真模型的正確性。考慮到碰撞過程中車體A柱以后的部分基本不變形，在碰撞中截取A柱以前部分，并約束車輛截面的六個自由度。行人保護(hù)碰撞過程中整體能量較低，輪胎變形很小，對結(jié)果的影響可忽略，且增加輪胎會導(dǎo)致能量的不合理波動，因此模型中刪除了輪胎。前保險杠及其附件的材質(zhì)為塑料件，強度低且韌性差，在碰撞過程中容易發(fā)生斷裂失效等問題。在仿真模型中，為接近真實情況，對關(guān)鍵變形零部件設(shè)置斷裂失效。采用Hyper-mesh軟件建立的行保整車有限元模型共有單元數(shù)743111個，節(jié)點數(shù)721358個，如圖2所示。

如圖3所示，F(xiàn)LEX-PLI柔性腿型主要由大腿、小腿、膝部組成，總重量為13.2kg，總長為973mm，相比TRL剛性腿型，F(xiàn)LEX-PLI具有更好的柔韌性，能真實的模擬撞擊過程中人體腿部的受力和變形情況。

為便于分析前保造型對小腿各性能的影響，本文僅選用前保正中心撞擊點進(jìn)行研究。將LEX-PLI腿型導(dǎo)入行保整車有限元模型中，根據(jù)對應(yīng)C-NCAP（2018版）規(guī)則要求設(shè)置參數(shù)，即調(diào)整剛性腿型沖擊器離地面高度75mm，小腿沿車輛縱向以11.1m/s的速度水平?jīng)_擊車輛前端正中央。建立的行保腿型碰撞模型如圖4所示，在LsDyna中整個行保碰撞仿真分析過程所用計算時間為8小時。

4 行保小腿碰撞分析簡化模型建立

雖然行保小腿碰撞分析詳細(xì)模型精度比較高，但是詳細(xì)的有限元模型計算需要花費大量的時間，而且對于前保造型尺寸的設(shè)計分析非常困難，因此本文基于詳細(xì)模型進(jìn)一步建立了行保腿型碰撞分析的簡化模型，用于快速有效地分析前保造型尺寸對小腿性能的影響。

單個構(gòu)件從整車上取出與保留在整車上兩種情況比較，兩者的碰撞特性并不完全相同，但變形與運動趨勢是基本一致的，因此可以通過子結(jié)構(gòu)來研究車身結(jié)構(gòu)的碰撞性能[6]。從行保小腿碰撞結(jié)果來看，承載小腿沖擊并發(fā)生明顯塑形變形的結(jié)構(gòu)主要集中在車身被撞一側(cè)即前保區(qū)域，因此，簡化模型保留與小腿直接接觸的部分，包括保險杠區(qū)域部件、擾流板以及發(fā)動機罩前沿等。為保證接觸區(qū)域的整體剛度與詳細(xì)模型一致，本文通過建立具有一定剛度特性的三個泡沫結(jié)構(gòu)代替車體前保以后的其他結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

對新建的泡沫后端、保險杠后端和前保的安裝點位置進(jìn)行約束，如圖6所示。同時，與詳細(xì)模型一致，小腿沖擊模型以11.1m/s水平初速度沖擊車體簡化模型，提交LsDyna進(jìn)行計算，簡化模型仿真計算時間為2小時，僅為詳細(xì)模型計算時間的1/4。

如圖7為行保腿型分析詳細(xì)模型與簡化模型的運動過程對比，腿型整體運動姿態(tài)基本一致。

為進(jìn)一步驗證簡化模型的有效性，仿真分析輸出了各接觸區(qū)域的接觸力變化曲線，與詳細(xì)模型的結(jié)果對比如圖8所示。從結(jié)果可以看出，簡化模型的接觸力曲線F1、F2、F3和詳細(xì)模型基本一致;由于車標(biāo)處隔柵作了簡化，接觸力F4偏大，但曲線整體趨勢和詳細(xì)模型大體一致。

同時，仿真分析輸出了柔性腿的小腿彎矩和膝蓋韌帶伸長量評價指標(biāo)曲線，與詳細(xì)模型的結(jié)果對比分別如圖9和圖10所示。從結(jié)果來看，簡化模型與詳細(xì)模型的評價指標(biāo)曲線整體趨勢基本一致。

綜合腿型運動姿態(tài)、接觸力曲線以及腿型評價指標(biāo)曲線各項對比結(jié)果，可知建立的簡化模型有較高的精度，能有效地代替整車模型進(jìn)行研究，可以用于后續(xù)的造型參數(shù)靈敏度分析。

5 造型參數(shù)靈敏度分析

影響行人小腿傷害的主要汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)有前保區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度和前保造型參數(shù)，而前保造型參數(shù)主要包括擾流板離地高度H1、保險杠離地高度H2、發(fā)動機罩前沿至保險杠最前端的距離L1以及擾流板至保險杠最前端的距離L2，如圖11所示。

基于簡化模型，選取上述四個造型參數(shù)H1、H2、L1、L2作為設(shè)計變量，以小腿彎矩（T1、T2、T3、T4）和膝部韌帶伸長量（PCL、ACL、MCL）七個損傷指標(biāo)作為響應(yīng)量進(jìn)行DOE（design of experiment）試驗分析設(shè)計[7]，制定的優(yōu)化變量控制因素及水平如表2所示。

對于上述4因素3水平試驗，本文通過均勻拉丁方實驗設(shè)計抽取樣本點，只需要進(jìn)行9組數(shù)據(jù)的仿真計算就可以反映出全部組合試驗的趨勢，具體的試驗設(shè)計表和對應(yīng)評價指標(biāo)的輸出響應(yīng)，如表3所示。由表3進(jìn)一步進(jìn)行分析，得到各響應(yīng)量對設(shè)計變量的靈敏度分析結(jié)果，如圖12所示。

由靈敏度分析結(jié)果可得出：

（1）小腿彎矩和膝部韌帶伸長量均與發(fā)動機罩前沿至保險杠最前端的距離L1正相關(guān)，且L1對七個指標(biāo)的影響非常顯著。發(fā)罩前沿至保險杠最前端距離越小，可以對腿部上端支撐效果更好，減少小腿損傷，因此可以通過降低發(fā)罩前沿至保險杠最前端距離L1獲得較低的小腿損傷值。

（2）同時，小腿彎矩和膝部韌帶伸長量均與擾流板至保險杠最前端的距離L2正相關(guān)。擾流板相對保險杠位置偏后，對小腿支撐效果不好，小腿損傷較差，因此，可以適當(dāng)降低擾流板至保險杠最前端的距離L2，獲得較佳的支撐效果，降低小腿損傷值。

（3）小腿彎矩T1＼T2＼T3＼T4受擾流板離地高度H1、保險杠離地高度H2影響較大，且與高度H1正相關(guān)，與高度H2負(fù)相關(guān)，而膝部韌帶伸長量受高度H1及H2影響并不明顯。擾流板離地高度H1越低，保險杠離地高度H2越高，對小腿下端支撐效果更佳，小腿彎矩越小，因此通過適當(dāng)降低H1，提高H2獲得較低的小腿彎矩值。

6 總結(jié)

行人保護(hù)是汽車設(shè)計中的難點之一，而基于柔性腿的汽車前部結(jié)構(gòu)設(shè)計更是一個非常復(fù)雜繁瑣的問題。本文基于詳細(xì)的行保腿型碰撞分析模型，建立了行保腿型分析的簡化模型，并進(jìn)行了模型的有效性驗證。在簡化模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用參數(shù)靈敏度分析方法，找出了對小腿評價指標(biāo)影響較大的前保造型參數(shù)。研究表明，建立有效的行保腿型碰撞簡化模型，能快速有效地分析前保造型尺寸對小腿性能的影響，對前保造型的正向設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃金華，鄭文強.基于行人保護(hù)下腿型的車輛前端結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程與自動化，2018（6）：85-87.

[2]崔淑娟，郝海舟，趙清江等.針對FLEX-PLI 腿型沖擊試驗的行人保護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].汽車工程學(xué)報：2018，8（4）：281-286.

[3]柴曉磊，單勇，孟丹陽.行人保護(hù)小腿保護(hù)優(yōu)化分析[C].2016中國汽車安全技術(shù)學(xué)術(shù)會議.

[4]中國汽車技術(shù)研究中心.C-NCAP管理規(guī)則（2018年版）[S].2018.

[5]呂北京.基于Euro_NCAP的某車型行人保護(hù)研究.重慶：重慶理工大學(xué)，2018.

[6]漆維.基于簡化模型的車身側(cè)面耐撞性分析與優(yōu)化[D].長沙：湖南大學(xué)，2018.

[7]孫麗，楊啟梁，曾宇鵬等.基于行人保護(hù)的乘用車保險杠系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[J].科技通報，2016，32（6）：195-199.