基于行人腿部保護的保險杠吸能結構設計

賀巖松 ，楊海威 ，徐中明 ，萬鑫銘 ，范體強

(1．重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044，2．重慶大學 機械工程學院，重慶 400044，3.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039)

根據相關調查，全球每年約有120萬人在道路交通事故中喪生，其中行人等“弱勢道路使用者”占到46%，而腿部是最容易受到傷害的部位之一[1-3]。為降低腿部在交通事故中的傷害，國內外學者做了大量研究[4-11]，曹心強等[8]在保險杠與縱梁之間增加橡膠墊片降低了膝部彎曲角，但膝部加速度與剪切位移改善并不明顯；Han等[9]用泡沫作為吸能材料有效的降低了脛骨加速度和膝部彎曲角，但泡沫吸能效率較低，需要較大的緩沖變形空間。劉偉國等[12]研究表明，鋼制薄壁結構作為行人保護吸能部件具有比泡沫更優的吸能效果，可在較小的布置空間內，將加速度降低法規要求之內。本文在以上研究的基礎上，利用鋼板的塑性變形吸收碰撞能量設計鋼制吸能板，以降低腿部在事故中的傷害。首先通過仿真實驗選定一種對腿部保護較好的截面，然后以吸能板厚度和材料屈服強度為設計變量，以腿部傷害值為目標函數構造響應面模型進行優化求解，獲得對腿部傷害最小的厚度及材料屈服強度參數組合。

1 緩沖吸能件材料選取

在交通事故中，轎車保險杠通過撞擊行人腿部對行人腿部造成傷害，碰撞過程中腿部撞擊器的動能[10]為

E=1/2MV2

(1)

保險杠吸能塊吸收的能量為

(2)

碰撞過程中能量滿足如下等式

(3)

根據牛頓第二定律：F=Ma推導出

(4)

式中：M為腿部撞擊器質量，V為撞擊器運動速度，Δx為腿部撞擊器對保險杠系統的侵入量，F為保險杠系統與腿部撞擊器作用力，η為能量吸收率，a為小腿脛骨速度。

根據式(4)知，若要降低加速度a，則可考慮增大Δx或增大η，由于Δx受造型限制不能增大，只能增大η。目前常通過在保險杠橫梁前端增加泡沫來提高能量吸收效率η，但泡沫的吸能效率通常只有45%-50%[13]，劉衛國等[12]研究結果表明，鋼制薄壁結構具有更高的能量吸收效率，因而本文將利用鋼制薄壁件的吸能特性設計緩沖件。

2 碰撞有限元模型建立與試驗

為保證計算效率，選取汽車A柱前面與腿部碰撞較密切的部件建立車體有限元模型，包括前保險杠、前防撞梁、前縱梁、冷凝器及支架、 大燈、 翼子板、 發動機艙蓋等，去掉轉向機構、懸架以及底盤部分遠離前保險杠的零部件，同時為保證計算精度，選取尺寸為6 mm的四邊形網格及少量三角形網格，并盡可能表征出零部件特征，限制懸架、縱梁、機艙蓋鉸鏈安裝點與翼子板下端處六個自由度。腿部碰撞有限元模型分別經過動態與靜態有限元仿真實驗標定，符合法規規定[14]。根據EuroNCAP法規規定，下腿型撞擊器質量為13.4 kg。實驗以40 km/h速度水平撞擊靜止的轎車，并以三個指標衡量腿部受傷程度，分別是脛骨加速度，膝部剪切位移和膝部彎曲角，要求三者分別低于150 g，6 mm和15°。撞擊位置為整車坐標下Y=0處，碰撞有限元模型及實驗如圖1所示。

圖1 碰撞有限元模型及實驗圖

圖2 仿真與實驗傷害值曲線對比

將建立的有限元模型導入LS-Dyna進行求解，獲得了腿部傷害值曲線。有限元模型實驗驗證的工況和仿真工況一致，圖2為仿真計算結果與實驗結果對比。

表1 仿真值、實驗值及法規限值對比

仿真結果與實驗保持了較好的一致性，說明建立的有限元模型是可靠的，同時，我們注意到脛骨加速度與膝部彎曲角嚴重超過了法規的限值，而原車保險杠橫梁與蒙皮之間并無吸能裝置，故可在保險杠橫梁和蒙皮之間增加吸能裝置來降低腿部傷害值。

3 鋼制吸能板設計

3.1 吸能板截面形狀的確定

建立如圖3所示的鋼制吸能板，同時為研究誘導槽對鋼制吸能板變形模式的影響，在吸能板上下平面開了圖4所示的幾種誘導槽，誘導槽深度均為3 mm，寬度均為12 mm。對這5種截面形狀進行碰撞仿真研究，以期找到一種變形模式較好，且對腿部傷害較小的截面。

圖3 鋼制吸能板結構

圖4 吸能板截面形狀

5種截面形狀吸能板均采用屈服強度為143 MP的鋼材，厚度為0.8 mm。分別將五種截面形狀的有限元模型導入DYNA計算，考慮到三項傷害指標在法規中處于同等重要的地位，以F值作為傷害程度綜合評價指標，F越小，綜合傷害越低。

F=fa+fb+fs

(5)

(6)

式中，i代表a,b,s，即脛骨加速度、膝蓋彎曲角、膝蓋剪切位移；Li為三者對應的法規限值，Si為三者仿真計算值。

表2 仿真計算結果

仿真計算結果如表2所示，分析可知：增加一個向外突出的誘導槽(截面3)后，吸能板能量吸收量增大，腿部綜合傷害程度降低；而增加一個向內凹陷的誘導槽(截面2)后，能量吸收量降低，膝蓋彎曲角超過法規限值；同時增加誘導槽數量后，吸能板吸能量沒有明顯增大，而腿部傷害指標略有增加。綜上可知截面3所示的誘導槽，對腿部保護作用較好，故選定截面3作為吸能板的截面形式。

3.2 吸能板參數優化與分析

采用上面選定的截面形式，考慮到吸能板厚度t及材料屈服強度σ對撞擊效果有著重要影響，將厚度t和材料的屈服強度σ作為設計變量。表3為五種鋼材的屈服強度。

表3 屈服強度

厚度取0.5 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm。為使最終擬合得到的公式盡可能精確，設計厚度四水平，材料五水平的全因子實驗。表4為全因子實驗表及仿真計算結果。

表4中Dmax為吸能板沿撞擊方向最大潰縮距離。分析計算結果發現，當厚度為0.5 mm時吸能板完全壓潰，此時Dmax為65.8 mm，小腿撞擊到保險杠橫梁上，傷害值急劇增大?？紤]到擬合精度及傷害值最小值出現在吸能板未完全壓潰的情況下(Dmax<65.8 mm)，樣本選取除厚度為0.5 mm以外的15組數據，以厚度t和屈服極限σ為設計變量，構造吸能板在未全潰縮狀態下的二階響應面模型。

表4 仿真分析結果

響應面法是利用實驗設計和數理統計相結合的數學方法，其擬合精度由響應面決定系數R2評價，R2越趨近1表明擬合精度越高。文章中用到的二階響應面表達式如下[15-16]：

(7)

對選定的樣本進行擬合，獲得如表5所示的響應面參數及表6的各響應面決定系數。

表5 響應面模型參數

表6 響應面模型決定系數

最優的吸能板應使a、b、s三個指標最小，故需要對吸能板參數進行優化，優化模型可描述如下：

目標函數：Minimize {a，b，s}

約束條件：Dmax≤65.8

設計變量：σ,t

將前面建立的響應面模型代入優化模型中，采用序列二次規劃(NLPQL)法求解最優解。

表7 優化值、仿真值及初始模型值對比

優化后的σ和t分別為149.4 MP和0.75 mm，考慮到實際材料參數，仿真模型中兩者分別取143 MP和0.75 mm。NLPQL優化結果和有限元驗證結果對比見表7。對比分析可知，兩者最大誤差為10.4%(部分誤差由材料取值誤差引起)，表明NLPQL優化結果有效，且優化后腿部傷害值降低比較明顯。

圖5 優化模型與初始模型傷害值曲線對比

圖6 優化前后碰撞過程對比

圖5為優化模型和初始模型傷害值曲線對比，圖6為碰撞過程對比?？梢钥闯?，原車加速度最大值為193.0 g，出現在小腿撞擊到保險杠橫梁時，采用鋼制吸能板后，加速度峰值由初始模型的第12.7 ms提前到第5 ms(吸能板開始壓潰時刻)，峰值為110.1 g，此后加速度值呈下降趨勢，隨后在15.2 ms出現一個較小的二次峰值，由動畫可看出吸能板趨近于完全壓潰，小腿撞擊到保險杠橫梁上，但峰值較初始模型已明顯降低；基礎模型膝部彎曲角在12.5 ms后急劇增大到20.4°，改進后小腿沖擊器在5 ms以后開始發生彎曲，但由于吸能板的緩沖作用，彎曲角緩慢增大，但最終峰值已明顯低于基礎車模型；膝部剪切位移在吸能板潰縮過程中和小腿回彈過程中各出現一個峰值，峰值較基礎車有一定程度的降低。

4 結 論

論文通過對鋼制吸能板截面形狀進行研究，以及對材料屈服強度和厚度參數進行優化，設計了一種鋼制吸能板作為保險杠系統的吸能緩沖部件，可有效降低在就交通事故碰撞中行人腿部受到的傷害，為鋼制吸能板的設計提供了依據。

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