基于柔性腿型的某轎車前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

曾嬙，劉宗雨，田林，張光輝

（威馬汽車科技集團(tuán)有限公司，四川 成都 610101）

引言

隨著汽車生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，消費(fèi)者對(duì)汽車安全也越來越重視。汽車主動(dòng)安全技術(shù)，如關(guān)于安全帶，安全氣囊，膝部氣囊，側(cè)排氣簾等技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車，有效地保障了車內(nèi)乘員的安全[1]。汽車數(shù)量逐年上升，交通事故問題越發(fā)突出，行人與汽車的碰撞事故顯著增多，如何保障行人安全，提升車輛的行人保護(hù)安全性能這方面的課題也越來越受到重視。

研究表明，在世界衛(wèi)生組織2018 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，全球交通事故死亡人數(shù)約為135 萬人，其中22%為道路上的行人[2]。行人與汽車碰撞事故中，行人受傷部位主要為頭部和腿部[3]。其中行人腿部與汽車保險(xiǎn)杠碰撞產(chǎn)生的傷害占行人總傷害比例為美國43%，德國35%，日本42%[4]。國內(nèi)以長(zhǎng)沙市的數(shù)據(jù)為例，腿部傷害占比為25.9%[5]。

2000 年日本汽車工業(yè)協(xié)會(huì)JAMA 和日本汽車研究機(jī)構(gòu)JARI 首先提出了柔性腿型的研究，柔性腿型（FLEX-PLI）可以更加真實(shí)地模擬50 百分位男性假人的右側(cè)腿部撞擊到車輛后受到的傷害[6]。2009 年發(fā)布了第二階段柔性腿型的內(nèi)容，詳細(xì)地描述了新版本腿型的結(jié)構(gòu)尺寸，試驗(yàn)標(biāo)定方法以及傷害值要求等[7]。TEG 則在2010 年完成了對(duì)柔性腿型沖擊器的評(píng)估[8]。歐洲新車星級(jí)評(píng)定于2014 年就開始采用柔性腿型進(jìn)行新車星級(jí)評(píng)定試驗(yàn)[9]。Euro NCAP 則是從7.0 版本開始就將行人保護(hù)下腿型評(píng)價(jià)變更為采用FLEX-PLI 腿型[10-11]。歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程（Euro NCAP）約于1997 年開始進(jìn)行行人保護(hù)測(cè)試且實(shí)行星級(jí)評(píng)價(jià)，以推動(dòng)汽車制造商提高車輛行人保護(hù)安全性能。歐盟于2003 年頒布了全球首部汽車行人保護(hù)法規(guī)，要求制造商將行人保護(hù)納入汽車設(shè)計(jì)中。中國的行人保護(hù)法規(guī)GB/T 24550-2009《汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)》于2010 年作為推薦性標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程C-NCAP從2018 年開始將行人保護(hù)納入安全評(píng)價(jià)體系，且五星門檻高達(dá)65%，對(duì)行人保護(hù)設(shè)計(jì)能力提出更高的要求[2,12]。

因此，不管是國內(nèi)外的汽車法規(guī)，還是新車評(píng)價(jià)程序，都越來越重視行人保護(hù)，并將其作為考察汽車安全性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)，具有一套嚴(yán)格的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)的方法[2]。

ECE-R127法規(guī)要求行人保護(hù)試驗(yàn)采用柔性腿型沖擊器，即FLEX-PLI 腿型沖擊器。本文針對(duì)柔性腿型進(jìn)行分析和研究，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)車實(shí)驗(yàn)，對(duì)某款轎車的車輛前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足ECE-R127 的法規(guī)要求。

1 行人保護(hù)腿部評(píng)價(jià)

1.1 行人腿部傷害機(jī)理

行人與汽車碰撞事故中，行人腿部首先與車輛前端保險(xiǎn)杠發(fā)生接觸，腿部受力不平衡從而發(fā)生彎曲運(yùn)動(dòng)，在撞擊側(cè)受到壓應(yīng)力，另一側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致脛骨受到彎曲載荷的作用而骨折，膝部發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和彎曲導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷。這就是行人與汽車碰撞時(shí)行人腿部損傷機(jī)理。碰撞事故中，行人腿部大多會(huì)發(fā)生脛骨骨折、腓骨骨折和膝部關(guān)節(jié)損傷等[13]，如圖1 所示。

圖1 行人腿部主要受傷類型

根據(jù)真實(shí)情況下行人腿部損傷機(jī)理，ECE-R127 法規(guī)采用柔性腿沖擊模型（FLEX-PLI），該模型較為符合人體膝關(guān)節(jié)和小腿的仿生結(jié)構(gòu)，能更為精確地測(cè)量出車輛前端對(duì)人體腿部造成的傷害等級(jí)，更好地模擬實(shí)際交通事故中人體腿部的受力情況[14-15]。

1.2 柔性腿型碰撞傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前柔性腿型主要由股骨、脛骨、膝蓋和皮膚/肌肉等四部分構(gòu)成，總長(zhǎng)度為928mm，質(zhì)量為13.2kg，組成模型如圖2 所示。

圖2 FLEX-PLI 結(jié)構(gòu)

FLEX-PLI 腿型評(píng)價(jià)指標(biāo)，分為韌帶伸長(zhǎng)量和脛骨彎矩：韌帶伸長(zhǎng)量包括前十字韌帶伸長(zhǎng)量（ACL），后十字韌帶伸長(zhǎng)量（PCL），內(nèi)側(cè)副韌帶伸長(zhǎng)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），柔性腿型的傳感器分布如圖3 所示。

圖3 傳感器安裝位置

ECE-R127 法規(guī)對(duì)應(yīng)的行人保護(hù)FLEX-PLI 腿型評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)閾值，其中每一項(xiàng)指標(biāo)都要小于其閾值，才能滿足該法規(guī)要求，如表1 所示。

表1 ECE-R127 行人保護(hù)FLEX-PLI 腿型評(píng)價(jià)閾值

2 行人保護(hù)仿真分析

2.1 建立行人保護(hù)仿真模型

本文基于HyperMesh 軟件建立仿真模型，按照實(shí)車參數(shù)設(shè)置各個(gè)零件的材料和厚度，并通過共節(jié)點(diǎn)、焊接、螺栓、鉸鏈等多種方式建立各部件之間的連接關(guān)系。由于實(shí)車設(shè)計(jì)參數(shù)中，上部和中部支撐零件大多為塑料件，強(qiáng)度低且韌性差，在碰撞過程中容易發(fā)生斷裂和失效，為能夠更接近于真實(shí)情況，該行人保護(hù)碰撞仿真模型對(duì)某些關(guān)鍵變形零部件設(shè)置斷裂失效[16]。

行人保護(hù)的碰撞試驗(yàn)區(qū)域主要為汽車的前端部分，為了更加詳細(xì)地描述車輛前端的結(jié)構(gòu)特征，模型只截取車輛B 柱之前的部分進(jìn)行分析，包括發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、前圍板及其之前的零部件，還有發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部各個(gè)零部件，如前懸架，電機(jī)等結(jié)構(gòu)。該行人保護(hù)腿部模型共有單元數(shù)1294887 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)1126764 個(gè)，其中白車身前端部分的網(wǎng)格尺寸采用7mm，并且約束車輛截面、前懸架與車身連接處的6 個(gè)自由度。仿真模型中FLEX-PLI 腿型與保險(xiǎn)杠外蒙皮的接觸是采用面與面接觸的方式，且摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2。該行人保護(hù)仿真模型如圖4 所示。

圖4 行人保護(hù)仿真模型

2.2 建立行人保護(hù)仿真模型

根據(jù)ECE-R127 法規(guī)要求，從車輛縱向中心平面與保險(xiǎn)杠上部基準(zhǔn)線的交點(diǎn)開始，分別依次向左右兩側(cè)以100mm為間隔來布置撞擊點(diǎn)，且該距離應(yīng)在車輛橫向垂直平面內(nèi)，沿水平面方向測(cè)量，直到腿型試驗(yàn)區(qū)域邊緣停止，該車型共選定13 個(gè)仿真分析位置。柔性腿型試驗(yàn)區(qū)域及測(cè)試點(diǎn)位置如圖5 所示。

圖5 柔性腿型試驗(yàn)區(qū)域及測(cè)試點(diǎn)位置

2.3 行人保護(hù)碰撞區(qū)域及碰撞點(diǎn)劃分

FELX-PLI 腿型的初始撞擊速度為40km/h，撞擊方向?yàn)檎囎鴺?biāo)的X 正向。因在行人保護(hù)腿型試驗(yàn)區(qū)域，影響腿型性能的車體結(jié)構(gòu)與零部件布置左右基本對(duì)稱，腿型性能等同，所以腿型性能僅仿真計(jì)算右側(cè)測(cè)試點(diǎn)。該車型柔性腿撞擊的初始結(jié)果，如表2 所示。

表2 該車型柔性腿撞擊的初始結(jié)果

該車型柔性腿撞擊的初始結(jié)果表中，每個(gè)點(diǎn)位中的脛骨彎矩T1、T2、T3、T4 的性能值都小于250，余量充足且大于20%，而前十字膝部韌帶伸長(zhǎng)量ACL 和后十字膝部韌帶伸長(zhǎng)量PCL，性能值都小于11，余量約為15%，但是內(nèi)側(cè)副韌帶伸長(zhǎng)量MCL，則大多數(shù)不滿足性能限值，只有點(diǎn)位L+3和L+6 的MCL 滿足性能限值要求。L0 點(diǎn)位的腿型碰撞動(dòng)畫截圖，如圖6 和圖7 所示。

圖6 優(yōu)化前腿型碰撞動(dòng)畫截圖

圖7 優(yōu)化前腿型碰撞動(dòng)畫截圖

3 車輛前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析

3.1 優(yōu)化前柔性腿碰撞結(jié)果分析

依據(jù)研發(fā)汽車的經(jīng)驗(yàn)和研究實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，影響行人保護(hù)柔性腿型沖擊性能最關(guān)鍵的兩點(diǎn)是車輛前端造型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置。所以在開發(fā)汽車的前期，可以對(duì)前端造型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置提意見，盡量為行人保護(hù)留有一定的位置空間。

因該款車型所在階段造型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置已完全確定，只能通過優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式來改善腿部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

通過分析腿部碰撞的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫可知：以L0 點(diǎn)位為例，腿部首先接觸車輛前端牌照板，然后馬上接觸蒙皮的前端上中下三部分支撐，緊接著中部支撐和下部支撐產(chǎn)生明顯彎曲變形，前端三部分支撐均被壓潰，只是變形程度不一樣。接著下支撐繼續(xù)被壓潰，而上部和中部支撐被壓潰得少。當(dāng)前端部分被壓潰到極限時(shí)，下部支撐壓潰程度比中部和上部壓潰程度嚴(yán)重。中部支撐和上部支撐因壓潰得少，反彈過程中腿型姿態(tài)呈現(xiàn)明顯的C 字形，不利于行人保護(hù)得分。當(dāng)柔性腿離開車輛前端，腿型下部反彈得更遠(yuǎn)，所以整個(gè)柔性腿與車輛前端碰撞的過程中，膝部韌帶伸長(zhǎng)量的值嚴(yán)重超標(biāo)。

分析該車型的其他點(diǎn)位碰撞運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫，其腿型姿態(tài)變化情況和L0 點(diǎn)位變化情況大體相同。

3.2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

該款轎車的前保險(xiǎn)杠蒙皮下端離地高度較低，車體對(duì)腿型的脛骨有較好的支撐，而發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣較低，車體前端對(duì)腿型的膝蓋及以上結(jié)構(gòu)支撐太強(qiáng)，該車型柔性腿沖擊的初始結(jié)果表明，膝部韌帶伸長(zhǎng)量MCL 嚴(yán)重超標(biāo)。通過分析仿真動(dòng)畫，上部與中部的支撐結(jié)構(gòu)潰縮比較少，而下部支撐結(jié)構(gòu)又潰縮得太快，以致腿型受力不平衡，呈現(xiàn)C 字形姿態(tài)，影響腿部性能值。為了調(diào)整柔性腿型的這種C 字形姿態(tài)，降低膝部韌帶伸長(zhǎng)量，本文主要是通過優(yōu)化前端的3 個(gè)關(guān)鍵的支撐件：弱化上部支撐（前保骨架）和中部支撐（導(dǎo)風(fēng)板），加強(qiáng)下部支撐（下護(hù)板），從而來改善腿型的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，以滿足法規(guī)要求。

3.2.1 方案一：弱化上部支撐

通過分析前保骨架結(jié)構(gòu)和仿真動(dòng)畫，發(fā)現(xiàn)碰撞時(shí)前保骨架的部分凸臺(tái)和結(jié)構(gòu)筋支撐比較強(qiáng)，優(yōu)化方案則主要改變凸臺(tái)結(jié)構(gòu)和減少結(jié)構(gòu)筋數(shù)量，除此之外，在骨架的平整位置適當(dāng)開孔，經(jīng)過多次仿真驗(yàn)證，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到弱化上部支撐的效果。

3.2.2 方案二：改變中部支撐前端位置

因該款轎車的中部支撐比較特殊，支撐件的前端要貼近保險(xiǎn)杠蒙皮，此處有一定的間隙要求，加上整個(gè)前端面又要承載導(dǎo)風(fēng)的作用，所以既不能做開孔等處理，裝配上還要和前保骨架，防撞梁等進(jìn)行配合。

分析該件結(jié)構(gòu)和碰撞過程動(dòng)畫可知，原中部支撐件的位置在膝部中心點(diǎn)下方10mm 左右，碰撞過程中，該結(jié)構(gòu)形式支撐較強(qiáng)，且不能被充分壓潰。通過仿真分析驗(yàn)證，通過改變中部支撐件的前端面位置，使前端位置避開膝部中心點(diǎn)位置，此時(shí)中部支撐的端面會(huì)變斜一點(diǎn)，碰撞時(shí)更容易從根部往上翹，更容易壓潰，壓潰量更多，這樣有利于調(diào)整腿部姿態(tài)。

3.2.3 方案三：加強(qiáng)下部支撐

原下部支撐在仿真時(shí)容易壓潰，而上部和中部支撐不易壓潰，導(dǎo)致腿型受力不平衡，姿態(tài)變化不同步。優(yōu)化方案中，在下部支撐件前端部分增添加強(qiáng)筋，碰撞過程中能夠減慢其壓潰的速度，從而起到改善小腿運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的作用。優(yōu)化后腿型姿態(tài)變化情況如圖8 和圖9 所示。

圖8 優(yōu)化后腿型碰撞動(dòng)畫截圖

圖9 優(yōu)化后腿型碰撞動(dòng)畫截圖

對(duì)比優(yōu)化前后的腿型碰撞動(dòng)畫可知，優(yōu)化前上部和中部支撐效果強(qiáng)于下部支撐，上端壓潰量比下端少，下部支撐反彈得更遠(yuǎn)。優(yōu)化后上部和中部支撐效果減弱，下部支撐效果加強(qiáng)，上端壓潰量變多，下端被壓潰的速度減慢，調(diào)整了整個(gè)腿型的姿態(tài)。

3.3 優(yōu)化方案柔性腿碰撞結(jié)果

采用上述的三個(gè)改進(jìn)方案后，超標(biāo)的韌帶伸長(zhǎng)量MCL明顯降低，柔性腿型傷害值全部滿足ECE-R127 的法規(guī)要求。優(yōu)化方案的仿真分析結(jié)果如表3 所示。

表3 優(yōu)化后柔性腿撞擊的結(jié)果

4 結(jié)束語

本文主要以某款轎車為例，建立該車型行人保護(hù)腿型沖擊仿真分析模型，仿真結(jié)果表明膝部韌帶伸長(zhǎng)量MCL 超標(biāo)，通過分析車輛前端結(jié)構(gòu)和碰撞過程動(dòng)畫，提出了改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過優(yōu)化方案仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明優(yōu)化車輛前端上中下支撐件后降低了膝部韌帶伸長(zhǎng)量，能夠滿足ECE-R127法規(guī)要求。

行人保護(hù)柔性腿型沖擊性能主要取決于車輛前端外造型和內(nèi)部前端支撐件的合理布置，在車輛開發(fā)早期，對(duì)外造型進(jìn)行特征設(shè)計(jì)，合理規(guī)劃支撐路徑，匹配前端各部分支撐結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)提高行人保護(hù)性能意義重大。

后續(xù)將進(jìn)一步研究關(guān)于轎車的前端結(jié)構(gòu)布置關(guān)系，以及如何更加合理地匹配車輛前端上中下支撐件的剛度，提高行人保護(hù)的安全性能。