車輛前保險杠結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化設(shè)計

劉向麗

（山西大同大學(xué)教學(xué)實驗與實訓(xùn)中心，山西大同 037000）

0 引言

我國屬于人口密度較大的國家，城市中行人被撞的事故很多，因此在2010 年我國就制定了在汽車碰撞行人保護(hù)方面的國家標(biāo)準(zhǔn)，頒布了GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護(hù)》。在此規(guī)范中，行人的保護(hù)沖擊器為剛性腿[1]。但是在2014年，歐洲對新車的規(guī)范Euro-NCAP《歐洲新車評價規(guī)程評價》中，改用柔性腿作為行人碰撞保護(hù)的評價指標(biāo)[2]。行人碰撞保護(hù)的歐洲法規(guī)ECER127《行人保護(hù)法規(guī) 劃線及定點》，從2015年也開始使用柔性腿。本文通過有限元碰撞法，對行人的剛性腿（TRL）和柔性腿（Flex-PLI）進(jìn)行碰撞研究分析，并根據(jù)分析結(jié)果對汽車前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方向，為以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計方向提供依據(jù)。

1 柔性腿和剛性腿的傷害指標(biāo)

剛性腿被碰撞后有3 個傷害指標(biāo)，分別是膝關(guān)節(jié)的剪切方向位移，膝關(guān)節(jié)的彎曲角度和脛骨的加速度值。柔性腿對股骨、脛骨和膝關(guān)節(jié)分別有彎矩指標(biāo)，此外還對膝關(guān)節(jié)的韌帶伸長量和脛骨彎矩有指標(biāo)，其中的股骨彎矩目前只作為監(jiān)控值，不作為評定傷害的指標(biāo)。膝關(guān)節(jié)韌帶伸長量包含4 個部分：前十字交叉韌帶（ACL），后十字交叉韌帶（PCL），內(nèi)側(cè)副韌帶（MCL）和外側(cè)副韌帶（LCL）。這4 個部分中僅外側(cè)副韌帶（LCL）伸長量作為監(jiān)控值，其余3 項均作為評定被撞擊后的傷害指標(biāo)。脛骨的彎矩也包含4 個部分，分別是上部彎矩（Tibia1)、中上部彎矩（Tibia2）、中下部彎矩（Tibia3）和下部彎矩（Tibia4），這4 個部分均作為評定被撞擊后的傷害指標(biāo)。

對比評定剛性腿和柔性腿被碰撞后的傷害指標(biāo)可知，脛骨和膝關(guān)節(jié)是評定傷害的主要部分。評價骨折的風(fēng)險主要依據(jù)剛性腿的脛骨加速度和柔性腿的彎矩，評價膝關(guān)節(jié)受傷的風(fēng)險主要依據(jù)剛性腿的彎曲角度、剪切方向位移和柔性腿的韌帶伸長量。我國的GB/T 24550—2009 和歐洲規(guī)范ECER127對行人小腿碰撞的指標(biāo)和評定值見表1 所示，其中g(shù) 為重力加速度。

表1 兩種規(guī)范對行人小腿碰撞的指標(biāo)和評定值

2 行人小腿碰撞有限元模型

行人小腿的碰撞研究區(qū)域主要為車輛的前端系統(tǒng)，包含保險杠及其他吸收能量的裝置。整個有限元模型采用高級前處理軟件Hypermesh 搭建，網(wǎng)格類型均為四邊形殼單元，白車身部分網(wǎng)格尺寸10 mm，保險杠部分為撞擊區(qū)域，為了計算結(jié)果的精確性此區(qū)域采用5 mm 的網(wǎng)格尺寸。約束條件為約束汽車模型的6個自由度，不對腿模型進(jìn)行約束。載荷為腿模型的速度，初始速度為40 km/h，方向為正常坐標(biāo)系的X 負(fù)方向。對腿部模型和汽車保險杠設(shè)置面—面接觸對，摩擦系數(shù)為0.2。汽車的有限元模型中，防撞梁在Y 向的長度范圍：-598 mm～+598 mm，保險杠兩側(cè)在Y 向上對應(yīng)的寬度：-500 mm～+500 mm。其中，剛性腿的模擬區(qū)域為保險杠兩側(cè)在Y 向的位置：-500 mm～+500 mm，監(jiān)測區(qū)域：-434 mm～+434 mm；而柔性腿的模擬區(qū)域為保險杠的角和防撞梁的最外側(cè)區(qū)域：-598 mm～+598 mm，監(jiān)測區(qū)域：-556 mm～+556 mm。

3 有限元分析結(jié)果分析

進(jìn)行有限元分析時，令汽車從Y0位置每隔0.1 m 進(jìn)行一次碰撞模擬，同時還要有保險杠最外側(cè)的檢測點。其中，剛性腿的檢測點在Y434處，而柔性腿的檢測點在Y556處。用Altiar 公司Hyperworks 軟件中的Radioss 求解器進(jìn)行求解計算，兩種腿型的計算結(jié)果分別見表2 和表3。

從表2 可知，剛性腿模型和柔性腿模型的碰撞結(jié)果整體是一致的，剛性腿的脛骨減速度值和柔性腿的脛骨彎矩值在Y0至Y300區(qū)間均超過了評價閥值。對于脛骨，兩種腿型在受傷害的程度上很接近。但是就脛骨而言，剛性腿型只有一個減速度指標(biāo)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化起來較容易，然而柔性腿對脛骨有4 個彎矩指標(biāo)。由表3 可看出，中上部彎矩（Tibia2）和中下部彎矩（Tibia3）在Y100至Y200區(qū)域均超過傷害指標(biāo)值，結(jié)構(gòu)優(yōu)化時要從考慮這兩個彎矩情況。有限元碰撞計算結(jié)果中膝關(guān)節(jié)的彎曲角度會隨著碰撞點沿著保險杠兩側(cè)偏移而增大，這點與柔性腿的計算結(jié)果趨勢具有一致性。這是因為保險杠的兩側(cè)弧度比中間區(qū)域大，更容易對腿部造成彎曲，因此膝關(guān)節(jié)在保險杠兩側(cè)的碰撞高于傷害指標(biāo)值。

表2 剛性腿型有限元碰撞仿真結(jié)果

表3 柔性腿型有限元碰撞仿真結(jié)果

由上述分析可知，在仿真結(jié)果方面，剛性腿和柔性腿的計算具有一致性，但是柔性腿無論是所要求的傷害指標(biāo)內(nèi)容還是指標(biāo)值均比剛性腿要嚴(yán)格，因此必須對針對柔性腿的仿真結(jié)果對車輛前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及仿真計算

從表3 可知，柔性腿中的中上部彎矩（Tibia2）和中下部彎矩（Tibia3）超過傷害指標(biāo)值340 N·m，需要找出造成這兩個指標(biāo)超標(biāo)的原因并設(shè)法解決。分析可知，小腿支撐結(jié)構(gòu)（小腿梁）的剛度過大是造成脛骨下部彎曲的主要原因，因此要提高保險杠底部的吸收能量能力。在原來的結(jié)構(gòu)中，為提高保險杠的彎扭剛度，小腿支撐結(jié)構(gòu)分布了較大交叉分布的加強筋，剛度過大，在碰撞過程中吸收能量的能力大大降低，因此會對人的小腿造成較大傷害。在保證保險杠彎扭剛度超過設(shè)計目標(biāo)值的前提下，去掉多余的加強筋，使其具有較強的吸收能量能力，從而起到保護(hù)行人小腿的作用（圖1）。

圖1 優(yōu)化前、后小腿梁支撐結(jié)構(gòu)

由優(yōu)化前、后Y0位置有限元計算傷害值對比表可看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，中上部彎矩（Tibia2）和中下部彎矩（Tibia3）傷害指標(biāo)均在一定程度上有所下降，雖然膝關(guān)節(jié)位置處的韌帶伸長量有所變大，但仍然在安全范圍內(nèi)（表4）。因此可得出結(jié)論：脛骨碰撞后的彎矩程度與小腿梁的剛度成正相關(guān)，與膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶的伸長量呈負(fù)相關(guān)。

表4 優(yōu)化前、后Y0 位置有限元計算傷害值對比

5 結(jié)論

（1）柔性腿的相關(guān)傷害指標(biāo)比剛性腿的更全面，能更好地反映行人腿部被撞擊后的傷害情況，保險杠兩側(cè)的弧度越大、對行人小腿膝關(guān)節(jié)部位造成的傷害越大。

（2）根據(jù)有限元分析和優(yōu)化的結(jié)果可知，脛骨彎矩指標(biāo)會隨著小腿梁支撐剛度的減小而減小。車身前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，車身碰撞Y0位置的中上部彎矩（Tibia2）、中下部彎矩（Tibia3）和下部彎矩（Tibia4）會分別減小33.36%、36.16%和17.53%，因此合理降低小腿梁支撐結(jié)構(gòu)的剛性，能顯著降低行人被碰撞后的傷害。