面向行人腿部保護的保險杠吸能結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

張志飛,李 勛,徐中明,賀巖松,楊海威

(1.重慶大學(xué)，機械傳動國家重點實驗室,重慶 400030； 2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院,重慶 400044)

2016007

面向行人腿部保護的保險杠吸能結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

張志飛1,2,李 勛2,徐中明1,2,賀巖松2,楊海威2

(1.重慶大學(xué)，機械傳動國家重點實驗室,重慶 400030； 2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院,重慶 400044)

對某轎車進行行人小腿與保險杠的碰撞試驗，建立行人小腿與某轎車前端的碰撞有限元模型，并進行相應(yīng)的仿真，試驗結(jié)果驗證了有限元模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，為滿足Euro-NCAP法規(guī)要求，在原車上增加吸能泡沫和副保險杠，對比分析了3種不同截面形狀的EPP泡沫對行人腿部的保護效果，確定了吸能泡沫的最優(yōu)截面形狀為C形。接著通過Hyperstudy和LS-DYNA聯(lián)合仿真對吸能泡沫和薄壁圓管進行了形狀和尺寸優(yōu)化，得到對行人腿部保護效果最好的參數(shù)組合。結(jié)果表明：行人保護綜合評價指標(biāo)MSE較優(yōu)化前降低了47.4%，脛骨加速度和膝部彎曲角峰值分別下降了19.6%和37.6%。最后分析了設(shè)計變量對腿部損傷指標(biāo)的貢獻率。

行人保護；EPP泡沫；保險杠；形狀優(yōu)化；尺寸優(yōu)化

前言

人體下肢是在人車碰撞中最容易受傷的部位[1]。國內(nèi)外學(xué)者對行人下肢保護方面進行了大量的研究。文獻[2]中通過大量試驗指出，能夠滿足脛骨加速度峰值和膝關(guān)節(jié)彎曲角度峰值要求的車前端結(jié)構(gòu)，一般都能滿足膝關(guān)節(jié)剪切位移峰值的要求，因此研究的趨勢主要是在保險杠橫梁與蒙皮之間布置吸能塊來降低脛骨加速度和加裝副保險杠來減小膝部彎曲角[3]。文獻[4]中采用金屬吸能薄板作為緩沖吸能結(jié)構(gòu)，并對其剛度和厚度進行了優(yōu)化，降低了行人腿部損傷指標(biāo)。文獻[5]中使用PC/PBT材料作為緩沖吸能結(jié)構(gòu)，對汽車前端結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，提高了行人腿部保護性能。文獻[6]中通過改變泡沫吸能塊的密度和添加小腿加強筋，使脛骨加速度和膝部彎曲角峰值對比原有結(jié)構(gòu)有明顯降低。

現(xiàn)階段，主要采用近似模型或者軟件集成進行緩沖吸能部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，文獻[7]中通過正交試驗采集樣本，構(gòu)造出了3個腿部損傷指標(biāo)的切比雪夫正交多項式，利用序列二次規(guī)劃法對近似模型進行多目標(biāo)優(yōu)化，提升了行人腿部保護性能。該方法計算效率高，應(yīng)用廣泛，但是對建立的近似模型的精度要求高。文獻[8]中按照FMVSS581中的擺錘沖擊試驗要求，以擺錘的沖擊位移最小化為目標(biāo)，在Hyperstudy軟件中調(diào)用LS-DYNA求解器，對PB/PCT緩沖吸能材料進行形狀和尺寸優(yōu)化。該方法操作簡單直接，沒有構(gòu)建響應(yīng)面的繁瑣過程，但是求解效率與模型大小直接相關(guān)。在行人保護方面，應(yīng)用軟件集成優(yōu)化的方法對緩沖吸能部件進行形狀和尺寸優(yōu)化的研究較少。

本文中選取EPP泡沫材料作為保險杠橫梁和蒙皮之間的吸能材料，采用金屬薄壁圓管作為副保險杠，并在3種不同截面形狀的泡沫結(jié)構(gòu)中優(yōu)選出對行人腿部保護性能最好的吸能結(jié)構(gòu)，在Hypermorph中建立3個影響吸能泡沫截面的形狀變量，以圓形薄壁管的厚度作為尺寸變量，利用Hyperstudy和LS-DYNA進行聯(lián)合仿真優(yōu)化，獲得對行人腿部保護性能最好的吸能結(jié)構(gòu)參數(shù)，并分析了設(shè)計變量對3個腿部損傷指標(biāo)的貢獻率。

1 腿部傷害指標(biāo)的試驗與仿真分析

由于影響行人腿部保護性能的部位主要是汽車前端結(jié)構(gòu)，故只選取汽車前端對行人腿部傷害指標(biāo)有影響的部件建立某車型前端的有限元模型，包括發(fā)動機艙蓋、保險杠蒙皮、翼子板、進氣格柵、前保險杠、冷凝器和前縱梁等。對縱梁、翼子板下端、懸架、機艙蓋鉸鏈安裝點進行6個自由度的約束。所建立的有限元模型采用BT薄殼單元，網(wǎng)格平均尺寸為6mm，包含337 300個單元，348 595個節(jié)點。行人下肢模型與汽車前端結(jié)構(gòu)采用自動面面接觸，汽車前端結(jié)構(gòu)采用自動單面接觸，靜摩擦因數(shù)fs為0.15，動摩擦因數(shù)fd為0.08。該有限元模型經(jīng)過了動態(tài)與靜態(tài)有限元仿真試驗標(biāo)定[9]，符合法規(guī)規(guī)定。將有限元模型提交LS-DYNA求解，提取3個腿部損傷指標(biāo)曲線。

按照Euro-NCAP法規(guī)要求，行人下肢模塊與汽車碰撞試驗中，質(zhì)量為(13.4±0.2)kg的下肢模塊以(11.1±0.2)m/s的速度沿著與車輛縱垂面平行的方向撞向靜止的汽車前端，撞擊點在保險杠中間位置，在試驗中測量脛骨加速度gAcc、膝關(guān)節(jié)彎曲角度θBend和剪切位移dshear，試驗標(biāo)準(zhǔn)要求3個損傷指標(biāo)分別不超過150g，6mm和15°。

圖1為試驗和仿真分析得到的腿部損傷指標(biāo)曲

圖1 仿真與試驗腿部損傷指標(biāo)曲線對比

線對比，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。可以看出：腿部損傷指標(biāo)的試驗和仿真曲線變化趨勢和峰值基本保持一致，誤差不超過10%，表明該有限元模型是可靠的。經(jīng)分析可知，脛骨加速度峰值和膝部彎曲角峰值都超過了Euro-NCAP法規(guī)限值。

表1 仿真和試驗以及法規(guī)限值對比

2 吸能泡沫和副保險杠的設(shè)計

為降低脛骨加速度和膝部彎曲角峰值，使該車行人腿部保護性能滿足法規(guī)要求，添加吸能泡沫和副保險杠薄壁圓管，如圖2所示。吸能泡沫使用EPP發(fā)泡材料，其密度為45kg/m3，縱向厚度為80mm，粘連在保險杠橫梁上，副保險杠薄壁圓管使用鋼材料，厚度為0.5mm，圓管半徑為10mm，屈服應(yīng)力為210MPa，焊接在下端支撐梁上。

圖2 吸能泡沫和副保險杠

設(shè)計3種不同截面形狀的吸能泡沫，其外輪廓尺寸不變，見圖3。截面1為矩形，截面2為M形，截面3為C形。副保險杠均使用相同的薄壁圓管。

圖3 吸能泡沫截面形狀

使用MSE作為綜合評價指標(biāo)[10]，即

(1)

經(jīng)過變換后得到

0.1(dShear/6)2

(2)

從變換后的式(2)中可以看出：它不僅衡量了歸一化的加速度和彎曲角度峰值之和的平均值大小，也衡量了歸一化的加速度和彎曲角度峰值之差的大小。

采用這3種截面形式的吸能泡沫時，行人腿部損傷指標(biāo)的計算結(jié)果見表2，可知截面3泡沫所對應(yīng)的MSE值最小，即其綜合性能最好，因此選擇截面3的吸能泡沫作為保險杠橫梁和蒙皮之間的吸能結(jié)構(gòu)。

表2 3種不同截面吸能泡沫的仿真結(jié)果

改進后的車型(安裝C形泡沫和圓管)與原車型對比見圖4。可以看出，增加吸能泡沫后，保險杠區(qū)域的剛度明顯加強。在0～4ms，脛骨加速度快速上升，然后進入“平臺段”，直到10ms后吸能泡沫被壓實，加速度達到峰值。由于“平臺段”的碰撞力較原車型高出很多，吸能泡沫在“平臺段”的變形能夠吸收更多的沖擊動能，使進入“壓實段”的加速度峰值降低至150g以下[11]。增加薄壁圓管后，副保險杠區(qū)域的剛度加強，能夠?qū)π⊥绕鸬接行У闹巫饔茫乐剐⊥扔捎趹T性效應(yīng)而發(fā)生較大彎曲，圖4(b)中膝部彎曲角峰值已經(jīng)降至法規(guī)限值以下。

圖4 改進前后腿部損傷指標(biāo)曲線對比

3 吸能泡沫和副保險杠結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 形狀和尺寸優(yōu)化流程

尺寸優(yōu)化時，和尺寸相關(guān)的屬性都可以作為尺寸優(yōu)化的變量。這里將副保險杠薄壁管的厚度設(shè)為尺寸變量t(圖5)。形狀優(yōu)化的設(shè)計變量是結(jié)構(gòu)的形狀，因此在創(chuàng)建設(shè)計變量時需要在Hypermorph模塊中定義結(jié)構(gòu)的形狀，應(yīng)用morph命令改變吸能泡沫的形狀，并建立形狀變量s1，s2，s3，它們共同決定吸能泡沫的截面形狀。設(shè)計變量的初始值及上下限如表3所示。

圖5 形狀和尺寸設(shè)計變量

mm

以MSE作為目標(biāo)函數(shù)找到的最優(yōu)設(shè)計點不僅要求歸一化的損傷指標(biāo)(即脛骨加速度和膝部彎曲角峰值)的均值最小，還要求兩個損傷指標(biāo)的差值最小。因此，將綜合評價指標(biāo)MSE取得最小值作為目標(biāo)函數(shù)。采用Euro-NCAP推薦的腿部損傷指標(biāo)限值作為約束條件，即脛骨加速度不大于150g，膝部彎曲角不大于15°，膝部剪切位移不大于6mm。數(shù)學(xué)優(yōu)化模型為

設(shè)計變量:t,s1,s2,s3

優(yōu)化目標(biāo): minMSE

s.t:0.5mm≤t≤1.0mm;10mm≤s1≤30mm;

4mm≤s2≤36mm;10mm≤s3≤30mm;

gAcc≤150g;QBend≤15°;dShear≤6mm

聯(lián)合Hyperstudy和LS-DYNA軟件進行集成優(yōu)化，首先在Hyperstudy中調(diào)用LS-DYNA求解器，然后定義設(shè)計變量，進行初始分析計算，在結(jié)果文件nodeout和deforc中定義4個響應(yīng)量[12]，分別是最大脛骨加速度、最大膝部彎曲角、最大膝部剪切位移和綜合評價指標(biāo)MSE。最后在Optimization模塊下定義約束條件和目標(biāo)函數(shù)，由于自適應(yīng)響應(yīng)面法迭代收斂快，適用于求解非線性問題，所以選擇該優(yōu)化算法求解。

3.2 優(yōu)化前后結(jié)果對比

經(jīng)過27步迭代計算后結(jié)果收斂，圖6～圖8為脛骨加速度、膝部彎曲角和綜合評價指標(biāo)MSE的迭代歷程。優(yōu)化過程中各設(shè)計變量和響應(yīng)量的變化歷程如表4所示。將初始結(jié)果(第1步)和最優(yōu)結(jié)果(第25步)進行對比分析，如表5所示，可知經(jīng)過優(yōu)化后行人腿部損傷指標(biāo)都下降，且MSE降低了47.4%，行人下肢保護性能有明顯提升。

圖6 脛骨加速度迭代歷程

圖7 膝部彎曲角迭代歷程

圖8 綜合評價指標(biāo)MSE迭代歷程

迭代次數(shù)t/mms1/mms2/mms3/mm脛骨加速度峰值/g膝部彎曲角峰值/(°)膝部剪切位移峰值/mmMSE10.50020.00020.00020.000126.64112.2321.9510.63120.50019.96418.10723.399126.12612.2492.0350.630………………………251.00024.49817.06916.291101.8227.6261.7730.332261.00024.66217.10315.291101.9947.6141.7890.333271.00024.59817.08514.230102.1417.6531.7760.335

表5 優(yōu)化前后結(jié)果對比

考慮到產(chǎn)品的制造加工，將設(shè)計變量精確到小數(shù)點后一位，最終確定副保險杠薄壁圓管的厚度為1.0mm，保險杠橫梁和蒙皮之間的吸能泡沫的3個形狀變量分別為24.5，17.1和16.3mm。

3.3 設(shè)計變量對行人腿部損傷指標(biāo)的影響

設(shè)計變量對行人腿部損傷指標(biāo)的影響可通過分析設(shè)計變量對3個損傷指標(biāo)的貢獻率來確定，忽略交互作用的影響[13]。各設(shè)計變量對3個損傷指標(biāo)的貢獻率見圖9。對于脛骨加速度，主要影響因素是形狀變量，尺寸變量t對脛骨加速度的貢獻率僅為24%；對于膝部彎曲角，主要影響因素是尺寸變量t，形狀變量的影響很小；對于膝部剪切位移，主要受形狀變量的影響，圓管厚度對其影響不超過5%。

4 結(jié)論

為提高該車的行人腿部保護性能，在保險杠橫梁和蒙皮之間設(shè)計吸能泡沫，并安裝小腿支撐結(jié)構(gòu)即副保險杠薄壁圓管。對比分析3種不同截面形狀的吸能泡沫，選取對行人保護性能最好的吸能泡沫結(jié)構(gòu)。

以綜合評價指標(biāo)MSE最小為目標(biāo)，集成Hyperstudy和LS-DYNA軟件對吸能泡沫的截面形狀和副保險杠薄壁圓管的厚度進行優(yōu)化，最終獲得對行人腿部保護性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。從優(yōu)化結(jié)果可以看出，綜合評價指標(biāo)MSE較優(yōu)化前降低了47.4%，有效地降低了行人腿部在交通事故碰撞中受到的傷害。

[1] MIZUNO Y. Summary of IHRA Pedestrian Safety WG Activities(2003)-Proposed Test Methods to Evaluate Pedestrian Protection Afforded by Passenger Cars[C]. Proceedings of the 18th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles,2003.

[2] LAWRENCE G J L, HARDY B J. Pedestrian Safety Testing Using the EEVC Pedestrian Impactors[C]. 16thESV Conference, Paper 98-S10-O-03,1998.

[5] TSAI L W, SCHULTZ G. A Motor-integrated Parallel Hybrid Transmission[J].Journal of Mechanical Design,2004, 126(5).

[6] 于永濤,王慶年,曾小華,等. 傳統(tǒng)差速器應(yīng)用于HEV動力耦合的可行性[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2010,40(2):305-310.

[7] 高建平,何洪文,孫逢春. 混合動力電動汽車機電耦合系統(tǒng)歸類分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2008, 28(3):197-201.

[8] 魏躍遠,林程,林逸,等.混合動力汽車系統(tǒng)效率的影響因素[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2006,36(1):20-24.

[9] 陳家瑞. 汽車構(gòu)造(下)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006：79-81.

[10] 步曦,杜愛民,薛鋒. 混合動力汽車用行星齒輪機構(gòu)的理論研究與仿真分析[J].汽車工程，2006,28(9):835-853.

Optimization of Bumper Energy-absorbing Structure for Pedestrian Leg Protection

Zhang Zhifei1,2, Li Xun2, Xu Zhongming1,2, He Yansong2& Yang Haiwei2

1.ChongqingUniversity,StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,Chongqing400030;2.SchoolofAutomotiveEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044

A pedestrian lower legs-bumper crash test is conducted on a passenger car. Meanwhile a finite element model for the collision between pedestrian lower legs and the front-end of the car is established with a corresponding simulation performed. The results of test verify the correctness of the model built. On this basis，for meeting the requirements of Euro-NCAP regulation, energy-absorbing foam and auxiliary bumper are added on the original car. The pedestrian leg protection effects of expanded polypropylene foam with three different cross-sections are comparatively analyzed, with the cross-section “C” is determined to be the optimum. Then size and shape optimizations are carried out on energy-absorbing foam and thin-walled circular tube by Hyperstudy / LS-DYNA co-simulation, and a set of parameters providing the best protection effect of pedestrian legs are obtained. The results show that after optimization the comprehensive evaluation index MSE for pedestrian protection reduces by 47.4% and the peak tibia acceleration and knee bending angle decrease by 19.6% and 37.6% respectively. Finally, the contribution rate of each design variable to leg injure index is analyzed.

pedestrian protection; expanded polypropylene foam; bumper; shape optimization; size optimization

*中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(CDJZR14115501)資助。

原稿收到日期為2014年5月5日。