基于行人大腿保護(hù)的SUV車(chē)型前端模塊設(shè)計(jì)

楊桃

（奇瑞汽車(chē)車(chē)身技術(shù)研究院）

在現(xiàn)行的行人保護(hù)法規(guī)和評(píng)價(jià)體系中，Euro-NCAP評(píng)價(jià)體系最為嚴(yán)格全面，越來(lái)越受到各汽車(chē)廠家和消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。根據(jù)Euro-NCAP官方數(shù)據(jù)[1]，多數(shù)獲得五星安全評(píng)估的SUV車(chē)型在大腿保護(hù)測(cè)試環(huán)節(jié)中得分較低，表明SUV車(chē)型在大腿保護(hù)方面還有較大提升空間。同時(shí)，對(duì)于目前普遍采用了塑料前端模塊的SUV車(chē)型，其結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)等有別于金屬框架，因此有必要研究探索塑料前端模塊在改善行人大腿保護(hù)性能上的設(shè)計(jì)。文章通過(guò)某SUV車(chē)型塑料前端模塊開(kāi)發(fā)，以Euro-NCAP為評(píng)價(jià)體系，運(yùn)用CAE仿真驗(yàn)算，總結(jié)了塑料前端模塊影響行人大腿保護(hù)性能的設(shè)計(jì)因素，為后續(xù)車(chē)型開(kāi)發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 前端結(jié)構(gòu)模型建立

1.1 碰撞點(diǎn)及碰撞參數(shù)確定

圖1示出Euro-NCAP大腿碰撞測(cè)試示意圖。依據(jù)Euro-NCAP評(píng)價(jià)體系[2]中碰撞點(diǎn)的選取方法，確定某SUV車(chē)型碰撞分析點(diǎn)，共計(jì)15個(gè)，其分布如圖2所示。

根據(jù)確定的15個(gè)大腿碰撞分析點(diǎn)以及發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前沿高度和保險(xiǎn)杠前沿寬度2個(gè)汽車(chē)參數(shù)，由Euro-NCAP評(píng)價(jià)體系中撞擊速度（v/（km/h））、撞擊角度（α/（°））及撞擊能量（E/J）與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前沿高度和保險(xiǎn)杠前沿寬度的關(guān)系圖[2]，確定 v，α，E 3 個(gè)分析參數(shù)，并由公式：m=2E/v2，推算出碰撞分析的模型質(zhì)量（m/kg）。最終確定的該SUV車(chē)型15個(gè)碰撞點(diǎn)各參數(shù)匯總，如表1所示。

表1 某SUV車(chē)型各碰撞點(diǎn)分析參數(shù)值

1.2 前端模型有限元建立

針對(duì)Euro-NCAP碰撞分析中所考察的范圍，將某SUV的前端系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，包括：發(fā)動(dòng)機(jī)蓋總成、翼子板總成、前保險(xiǎn)杠橫梁總成、塑料前端框架及左右縱梁總成等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；前保險(xiǎn)杠蒙皮、進(jìn)氣格柵及大燈等外飾數(shù)據(jù)；發(fā)動(dòng)機(jī)、冷凝器、水箱、蓄電池、電器盒及空濾等布置數(shù)據(jù)。具體網(wǎng)格劃分文章不再詳細(xì)闡述。

1.3 仿真驗(yàn)算

利用LS-DYNA軟件對(duì)模型進(jìn)行求解，得到選定的15個(gè)分析點(diǎn)碰撞過(guò)程中的最大y向彎矩及大腿部最大軸向力，根據(jù)Euro-NCAP評(píng)價(jià)體系中大腿測(cè)試評(píng)分規(guī)則[3]，得到該SUV車(chē)型評(píng)價(jià)結(jié)果，如表2所示。由于車(chē)身前端系統(tǒng)基本左右對(duì)稱(chēng)，根據(jù)表2的CAE分析結(jié)果數(shù)據(jù)可得出，車(chē)身左右對(duì)稱(chēng)的碰撞點(diǎn)的大腿軸向力（F/kN）和y向彎矩（My/N·m）指標(biāo)幾乎一致，因此取該SUV車(chē)型的U0～U+7點(diǎn)區(qū)域作詳細(xì)分析。首先依據(jù)該SUV造型風(fēng)格特點(diǎn)，將U0～U+7點(diǎn)劃分為3個(gè)區(qū)域：1）U0～U+3（前保險(xiǎn)杠進(jìn)氣格柵區(qū)域）；2）U+4～U+6（大燈與進(jìn)氣格柵交界區(qū)域）；3）U+7（大燈面罩區(qū)域）。然后依據(jù)所述劃分，最終選取U0，U+6，U+7碰撞分析點(diǎn)作為上述3個(gè)區(qū)域代表點(diǎn)。

表2 某SUV行人大腿保護(hù)模擬分析結(jié)果

1.4 結(jié)果分析

1.4.1 U0碰撞點(diǎn)

U0碰撞分析點(diǎn)為該SUV整車(chē)y=0位置點(diǎn)。圖3示出U0點(diǎn)碰撞分析結(jié)果曲線(xiàn)圖。由圖3可得出，在14.1ms時(shí)，My和F達(dá)到最大。圖4示出U0點(diǎn)在不同時(shí)刻汽車(chē)前部結(jié)構(gòu)斷面示意圖。

從圖4b中可以看出，大腿沖擊器已經(jīng)接觸散熱器及前端模塊等部件，而鎖布置在前端模塊內(nèi)側(cè)，沒(méi)有接觸沖擊器，因此可推測(cè)，布置空間的不足及前端模塊橫梁結(jié)構(gòu)剛度過(guò)大是影響該位置碰撞分析不得分的主要原因。

1.4.2 U+6碰撞點(diǎn)

U+6碰撞分析點(diǎn)為該SUV整車(chē)y=+600位置點(diǎn)，該位置前端模塊結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)有大燈和格柵等安裝固定點(diǎn)，且大燈殼體剛性較大，所以造成該點(diǎn)的My和F是整個(gè)分析中最大的。圖5示出U+6點(diǎn)碰撞分析結(jié)果曲線(xiàn)圖，圖6示出U+6點(diǎn)在不同時(shí)刻汽車(chē)前部結(jié)構(gòu)斷面示意圖。從圖6b中可以看出，在12.3 ms時(shí)，碰撞器撞擊處幾乎沒(méi)有較大的變形量，也說(shuō)明該位置結(jié)構(gòu)剛度較大。

1.4.3 U+7碰撞點(diǎn)

U+7碰撞分析點(diǎn)為該SUV整車(chē)y=+643位置點(diǎn)，該位置主要在大燈面罩區(qū)域。圖7示出U+7點(diǎn)碰撞分析結(jié)果曲線(xiàn)圖，圖8示出U+7點(diǎn)在不同時(shí)刻汽車(chē)前部結(jié)構(gòu)斷面示意圖。因造型原因，燈型面與沖擊器撞擊方向幾乎一致，使得產(chǎn)生的My最小，如圖7a所示；但因前保險(xiǎn)杠固定點(diǎn)剛度、燈殼體剛性及安裝點(diǎn)剛度較強(qiáng)，在10.5 ms和15.6 ms時(shí)均產(chǎn)生了較大的F，如圖7b所示。

2 優(yōu)化改進(jìn)

通過(guò)對(duì)U0，U+6，U+73個(gè)碰撞點(diǎn)的詳細(xì)分析得出，碰撞過(guò)程中的接觸零部件的剛度和碰撞空間是影響My和F的主要原因。在不更改造型和布置的前提下，針對(duì)塑料前端模塊設(shè)計(jì)，可提出3種改進(jìn)方案，其示意圖，如圖9所示。

方案1：塑料前端框架水箱橫梁位置整體后移100 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖體在橫梁上安裝點(diǎn)后移10 mm，如圖9a所示，增加碰撞的吸能空間；

方案2：塑料前端模塊上的大燈和前保險(xiǎn)杠等外飾件安裝固定點(diǎn)更改為可壓潰連接支架過(guò)渡安裝，并下降塑料模塊大燈臂，增大與大燈周邊間隙至30 mm，如圖9b所示，以降低碰撞過(guò)程中的反作用合力；

方案3：在塑料前端模塊與保險(xiǎn)杠蒙皮之間區(qū)域增加支撐板結(jié)構(gòu)，如圖9c所示，以彌補(bǔ)造型原因?qū)е碌慕佑|點(diǎn)彎矩過(guò)大問(wèn)題。

另外，在不影響性能等前提下，通過(guò)弱化大燈殼體剛性、降低進(jìn)氣格柵材質(zhì)厚度及減弱發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前沿加強(qiáng)板局部剛度，并綜合以上措施，得到最終優(yōu)化后的大腿碰撞仿真結(jié)果，如表3所示。相比優(yōu)化前設(shè)計(jì)，各碰撞點(diǎn)My和F均有較大程度降低。

表3 某SUV行人大腿保護(hù)優(yōu)化后分析結(jié)果

3 結(jié)論

1）采用塑料前端模塊的SUV車(chē)型，合理的布置空間、前端模塊水箱橫梁位置及鎖扣安裝位置，有利于改善汽車(chē)對(duì)大腿保護(hù)的性能；

2）塑料前端模塊上大燈、前保險(xiǎn)杠及進(jìn)氣格柵等與碰撞接觸的零部件安裝點(diǎn)通過(guò)弱化的支架過(guò)渡連接，并合理預(yù)留塑料模塊與周邊零部件潰縮間隙，可降低大腿碰撞中的反作用力；

3）在產(chǎn)生彎矩較大的碰撞區(qū)域，前端模塊上需設(shè)計(jì)合理的支撐結(jié)構(gòu)，降低合力彎矩，同時(shí)注意避免局部剛度過(guò)大而降低對(duì)大腿的保護(hù)。

通過(guò)分析優(yōu)化過(guò)程，也可以看出：1）因SUV車(chē)型造型原因，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前沿高度值偏大，保險(xiǎn)杠前沿寬度值偏小，造成碰撞能量值最大（700 J）及碰撞速度最大（40 m/s），不利于大腿保護(hù)，這也是多數(shù)SUV車(chē)型大腿碰撞測(cè)試不得分的直接原因；2）在前期造型階段，合理的造型設(shè)計(jì)有助于提升汽車(chē)的行人保護(hù)性能。