基于行人腿部保護的商用車保險杠系統參數優化分析

尚雯雯 鄭松林 劉斌 黃晨暉 漆露霖

（1.上海理工大學；2.上海汽車集團商用車技術中心）

1 前言

根據歐洲車輛安全委員會EEVC（European Enhanced Vehicle Committee）對行人傷害事故統計數據的分析結果，在行人與車輛的碰撞過程中，頭部傷害和腿部傷害所占比例分別為31.3%和32.4%[1]，是行人保護研究的兩個主要方向，而其中腿部傷害是最常見的行人傷害類型。

隨著行人保護技術的進步，一系列相關標準如EuroNCAP、ENCAP、ANCAP、JNCAP、Directive 2003/102/EC 和 GTR（Global Technical Regulation）等陸續出臺。2009年10月，我國發布了推薦性國家標準GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護》，該標準基本執行GTR9《關于機動車碰撞時對行人及弱勢道路使用者加強保護和減輕嚴重傷害的認證統一規定》的試驗規定，只是降低了幾個要求較高的傷害指標，因此本文應用GTR法規進行研究。

2 行人保護安全法規及試驗簡介

小腿加速度、膝部彎曲角度和膝部剪切位移是評價小腿傷害的3項重要指標，前述主要行人保護法規對這3項指標的要求對比如表1所列?？紤]模擬分析與實際試驗的誤差，本文按照法規要求指標值的 80%進行分析[1，2]。

表1 各行人保護法規中腿部傷害指標對比

GTR法規定義的腿部碰撞區域以保險杠角為橫向邊界，由保險杠上部基準線UBRL（Upper bumper reference line）、 下部基準線 LBRL（Lower bumper reference line） 和保險杠角 CB （Corner of bumper）圍成[3]，如圖 1所示，碰撞點間距 132 mm以上并且碰撞點至少在保險杠角以內66 mm。本文選取商用車對行人腿部傷害最嚴重位置即Y=0截面處的碰撞點進行研究。

用于試驗的腿部沖擊器由兩個外覆泡沫的剛性部件組成，分別代表人體的大腿和小腿，由可變形的膝關節結構連接。腿部沖擊器總長為926 mm，質量為13.4 kg，大腿和小腿的直徑為70 mm，外覆泡沫肌肉和皮膚，泡沫肌肉由厚度為25 mm的CF－45型泡沫或等效物組成，皮膚由氯丁橡膠泡沫制成，兩面覆蓋厚度為0.5 mm的尼龍布，總厚度為6 mm。大腿和小腿的質心分別在膝關節中心點以上217mm處和膝關節中心點以下233 mm處。在小腿的非撞擊側安裝了一個單向加速度傳感器，位置在膝關節中心以下66 mm處，其測量軸沿撞擊方向。腿部沖擊器后表面的任一點上或內部安裝了與剪切位移系統相連的阻尼器。膝關節處安裝了測量膝部彎曲角和膝部剪切位移的傳感器。

3 試驗系統模型建立

3.1 腿部模型

按照圖2中GTR對腿部沖擊器的要求，采用LSTC公司基于歐洲經濟委員會行人保護法規ECNo.631/2009開發的小腿模型，其共包含47409個節點，由33 664個實體單元、2 960個薄殼單元和2個梁單元組成，共29個部件。模型包括橡膠表皮、大腿泡沫、小腿泡沫、大腿、小腿、膝關節、加速度傳感器和阻尼器8部分。大腿和小腿兩部分由模擬韌帶連接，大腿和小腿外表包裹泡沫和橡膠層以模擬皮膚。其中腿部管狀實體與泡沫層內表層、橡膠皮膚與泡沫外表層共用節點，如圖3所示。

3.2 整車前部模型

按照GTR法規中對切割車身的要求建立整車前部結構有限元模型如圖4所示，包括前保險杠、前格柵、發動機罩前緣和燈具等所有可能參與碰撞的部件。為節省計算時間和提高計算精度，對主要碰撞區域采用網格尺寸為10 mm的有限元模型，其中發生碰撞接觸的蒙皮網格尺寸為8 mm，變形較大的前格柵采用5 mm網格，其他部分網格尺寸為10～15 mm。前保險杠蒙皮選用分段線性塑性材料，泡沫材料為PU30，與實車狀態一致。撞擊點處泡沫X向厚度為60 mm，進氣口下緣表面離地Z向高度為617 mm，保險杠蒙皮殼單元厚度為3.5 mm，其中在Y=0處的截面形狀如圖5所示。保險杠系統在試驗中汽車后部基本保持靜止，故約束模型后部6個自由度。小腿撞擊器的初始速度為40 km/h，撞擊方向沿X軸正向。

4 試驗參數靈敏度優化分析

4.1 試驗控制參數及水平確定

通過對原始模型仿真結果中各零部件的吸能比例與受力分析可知，在碰撞區域內Y=0處的撞擊點位置，影響小腿碰撞結果的主要部件為前保險杠總成、前格柵總成和吸能泡沫總成，可將其幾何尺寸和材料作為主要設計參數。由于本文中車輛前段造型和布置空間已確定，可作為變量的參數有保險杠進氣口下緣Z向離地高度A、保險杠蒙皮厚度B、泡沫材料剛度C與保險杠結構形式（加強筋）D。運用正交試驗方法，將以上4個參數作為本次試驗的控制因子，如圖6所示。

本文重點分析各控制因素對碰撞試驗結果的參數靈敏度，暫不考慮各因素的交互作用。將每個變量的變化范圍設為初始值的85%～115%，制定的優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，以不考慮交互作用的L9（34）列表[4]為例進行正交分析，僅進行9次試驗即可反映出全部組合81次試驗的整體趨勢。

表2 設計變量控制因素水平表

4.2 試驗結果分析

根據L9正交列表中的控制因子和水平，對有限元分析模型的因子進行9次組合，在GTR法規要求的碰撞條件下將有限元模型導入LS－DYNA進行模擬計算，得到的正交試驗設計表及3項傷害指標的輸出響應如表3所列。

表3 正交試驗設計表及輸出響應結果

分析表3中響應結果可知：

a. 組合3中，小腿雖有剛度較大的D3筋結構支撐，使膝部彎曲角度最小，但由于A1使保險杠進氣口下緣離地高度較低，B3、C3、D3組合使得下部結構剛度過于集中，加速度響應值過大。

b. 組合5與組合9情況類似，B、C因子的水平取值使中部剛度較大，但因D1未布置筋結構，小腿上部無法提供支撐，得到的結果較差。

c. 組合8中，A3使保險杠進氣口提供的彎矩最大，D3增加的筋結構使上、下剛度平衡，而B2、C1又使中部剛度較小，可以較好的吸收碰撞能量，因此該組合得到的3項傷害值最小，可為選取最優方案設計提供參考。

對3個輸出響應結果進行靈敏度分析如圖7所示。

對圖7中靈敏度分析結果進行比較可知：

a. 小腿加速度響應同時受4個控制因素的影響。其中，保險杠蒙皮厚度和泡沫材料剛度的影響表現為正相關，即保險杠材料越厚，泡沫剛度越大，碰撞時產生的小腿加速度值越大。

b.影響膝部剪切位移的主要因素是泡沫材料剛度和保險杠結構形式。其中，保險杠結構形式的影響表現為負相關，剛度較小的泡沫材料和較薄的蒙皮結構組合形式有利于減小膝部剪切位移。

c. 膝部彎曲角度響應主要受保險杠結構形式的影響，其他3個因素對該響應的靈敏度較低，影響不顯著。剛度分配均勻的保險杠結構形式有利于減小膝部彎曲角度，但局部剛度過大會造成加速度過大（如因素D3對應的加速度值）。

d. 進氣口下緣Z向高度決定小腿與保險杠碰撞點位置，從而影響小腿緩沖彎矩的大小。由于商用車前部結構與普通轎車不同，無法增加副保險杠以支撐小腿下部，因此可適當降低保險杠安裝高度來降低膝部彎曲角度和剪切位移，但高度過低也會因局部剛度過大而增加傷害程度。

e. 泡沫材料對各傷害指標的影響主要受剛度限制，在一定范圍內，剛度較小的泡沫材料可通過大變形吸收更多能量，從而降低對小腿的傷害程度。

5 結束語

通過對某型商用車與行人小腿碰撞過程、主要控制參數的正交試驗設計及靈敏度分析，找出了影響保險杠系統小腿保護性能的主要設計參數。其中保險杠進氣口高度、泡沫材料剛度和合理的保險杠結構形式是商用車行人保護性能需要重點考慮的設計因素。

本研究為商用車保險杠系統設計初期考慮行人碰撞安全性提供了理論設計依據，有關試驗的穩健性及優化設計方法還有待于進一步研究。

1 Kathleen DeSantis Klinich，Lawrence Schneider.Biomechanics of pedestrian injuries related to lower extremity injury assessment tools:A Review of the Literature and Analysis of pedestrian crash database.Alliance for Automobile Manufacturers.September，2003.

2 GTR9（Global Technical Regulation of Pedestrian Protection）.2008.

3 孫金霞.基于行人保護的金屬吸能塊副保險杠系統正交優化分析.INFATS Proceedings of the 9th International Forum of Automotive Traffic Safety.2011－12.

4 GB/T 24550－2009.汽車對行人的碰撞保護.

5 劉瑞江.正交試驗設計和分析方法研究.實驗技術與管理，2010，9（27）：52～55.