基于Euro NCAP 8.0行人上腿部評(píng)價(jià)規(guī)程的車輛前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

韓海英++李博

摘要： 歐盟新車評(píng)價(jià)規(guī)程（Euro NCAP）8.0版本對(duì)行人上腿部碰撞測(cè)試方法進(jìn)行了修改，新的測(cè)試方法減小行人上腿部對(duì)車輛前端空間的要求，但是對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬點(diǎn)的布置等提出新的要求.從行人上腿部的碰撞位置、碰撞角度及能量等方面對(duì)比Euro NCAP新舊版本的不同.根據(jù)Euro NCAP 8.0行人上腿部的碰撞要求，對(duì)車輛前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并針對(duì)某車進(jìn)行試驗(yàn)，用CAE技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其滿足Euro NCAP 8.0對(duì)行人上腿部碰撞的要求.

關(guān)鍵詞： 汽車安全； 汽車前端結(jié)構(gòu)； 行人保護(hù)； 上腿部保護(hù)

中圖分類號(hào)： U462文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Automotive front structure design and optimization

based on evaluation rules of pedestrian upper

leg protection in Euro NCAP 8.0

HAN Haiying， LI Bo

（Advanced Engineering & Core Technology Institute， Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241009， Anhui， China）

Abstract： Version 8.0 of EU new car evaluation rules（Euro NCAP） has modified the test protocol for pedestrian upper leg impact. The new test protocol has less demand for the vehicle front end space， but more requirements for structure design and hard points arrangement. The differences about impact position， angle and energy etc. between the new and old protocols are compared. The structural design of vehicle front end is analyzed according to the rules for pedestrian upper leg impact in Euro NCAP 8.0， and the test is performed on a typical vehicle. Based on CAE technique， the design is optimized to make the front end structure meet the requirement of pedestrian upper leg impact in Euro NCAP 8.0.

Key words： automotive safety； vehicle front end structure； pedestrian protection； upper leg protection

收稿日期： 2016[KG*9〗11[KG*9〗07修回日期： 2017[KG*9〗01[KG*9〗14

作者簡(jiǎn)介： 韓海英（1986—），女，安徽蕪湖人，工程師，碩士，研究方向?yàn)槠囆腥吮Ｗo(hù)，（Email）hanhaiying@163.com0引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展與家用轎車的廣泛使用，汽車安全保護(hù)措施成為汽車設(shè)計(jì)的重要課題之一，且越來(lái)越重視對(duì)行人的保護(hù).歐盟新車評(píng)價(jià)規(guī)程Euro NCAP已將行人保護(hù)作為評(píng)價(jià)內(nèi)容之一，主要針對(duì)行人的頭部、上腿部及下腿部進(jìn)行評(píng)價(jià)，故行人保護(hù)性能直接影響車輛安全星級(jí)的評(píng)定.[12]在2015年之前Euro NCAP公布的結(jié)果中，較大部分行人保護(hù)上腿部得分為0分，尤其是大型車輛.由于行人上腿部的撞擊能量和角度都比較大，對(duì)車輛前端吸能空間和吸能零件的設(shè)計(jì)要求高，而前端結(jié)構(gòu)受造型的局限，空間非常有限.這會(huì)限制車輛的Euro NCAP星級(jí)評(píng)定.[3]Euro NCAP 8.0版對(duì)行人上腿部碰撞測(cè)試進(jìn)行修改，于2015年2月開(kāi)始實(shí)施.撞擊位置、撞擊角度、撞擊能量等均與之前版本不同.由于撞擊能量的整體降低，新的測(cè)試方法降低對(duì)車輛前端空間的要求，但是對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬點(diǎn)的布置等提出新的要求.[4]本文根據(jù)不同車型，對(duì)車輛前端進(jìn)行設(shè)計(jì)，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化分析.

1Euro NCAP行人上腿部評(píng)價(jià)規(guī)程簡(jiǎn)介在WAD775上選取撞擊點(diǎn)，從車輛中間位置開(kāi)始，在2個(gè)參考點(diǎn)區(qū)域內(nèi)在橫向垂直面內(nèi)每隔100 mm選取1個(gè)點(diǎn)，并刪除與角參考點(diǎn)距離小于50 mm的網(wǎng)格點(diǎn)，見(jiàn)圖1.按照舊的評(píng)價(jià)規(guī)程，撞擊位置在發(fā)動(dòng)機(jī)前緣基準(zhǔn)線上選取，對(duì)于離地高度角度較低的小型車輛來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)前緣基準(zhǔn)線與WAD775包絡(luò)線的位置一般均在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前端，碰撞點(diǎn)的位置差別太不大，但對(duì)于離地高度較高的SUV車型來(lái)說(shuō)，WAD775包絡(luò)線位置一般在車輛上格柵位置，較發(fā)動(dòng)機(jī)前緣基準(zhǔn)線z向要低一些.

每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的撞擊角度定義為該點(diǎn)的保險(xiǎn)杠內(nèi)參考線IBRL和包絡(luò)線WAD930所形成直線的垂直線與地面線所形成的夾角，見(jiàn)圖2.其中，保險(xiǎn)杠內(nèi)參考線IBRL是Euor NCAP 8.0新增加的劃線，與前保險(xiǎn)杠橫梁的結(jié)構(gòu)有關(guān).撞擊角度在0～44.757°范圍內(nèi)選?。ㄅf的評(píng)價(jià)規(guī)程的撞擊角度范圍為0～46°）.雖然撞擊角度的范圍并沒(méi)有減小太多，但對(duì)于離地高度較高的SUV車型來(lái)說(shuō)，由于撞擊位置的變化，新評(píng)價(jià)規(guī)程的角度變化比較明顯.

每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的撞擊能量由撞擊角度決定，新評(píng)價(jià)規(guī)程的范圍為160.0～456.7 J，舊評(píng)價(jià)規(guī)程的范圍為200～700 J，新評(píng)價(jià)規(guī)程的撞擊能量要小很多.根據(jù)能量與位移和上腿部軸向力的關(guān)系，行人上腿部設(shè)計(jì)對(duì)空間的要求有所降低，在合理的空間范圍內(nèi)對(duì)前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出更高的要求.

圖 2某車型行人保護(hù)上腿部撞擊示意

Fig.2Schematic of pedestrian upper leg impact

每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的撞擊速度由撞擊角度決定，其大小范圍為5.521～9.327 m/s，舊的評(píng)價(jià)規(guī)程的撞擊速度在發(fā)動(dòng)機(jī)前緣高度與保險(xiǎn)杠前緣的曲線上通過(guò)線性插值獲得，范圍為20～50 km/h（5.56～13.9 m/s），新的評(píng)價(jià)規(guī)程最大撞擊速度小很多.

行人保護(hù)上腿部碰撞器質(zhì)量為定值10.5 kg.Euro NCAP行人上腿部傷害指標(biāo)有2個(gè)：上腿部軸向力及上腿彎矩.每個(gè)撞擊點(diǎn)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為：上腿部軸向力<5 kN且上腿彎矩<300 N·m，該撞擊點(diǎn)得分為1分；上腿部軸向力>6 kN或者上腿彎矩>380 N·m，該撞擊點(diǎn)得分為0分；位于2種情況之間，用線性插值計(jì)算得分，每個(gè)上腿部網(wǎng)格點(diǎn)的評(píng)分按2個(gè)指標(biāo)中得分低的計(jì)算.[5]如果某個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)，則將會(huì)采用其臨近點(diǎn)的最壞的結(jié)果進(jìn)行評(píng)分.由于網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)稱位于車輛的兩邊，所以可使用對(duì)稱原則.所有撞擊點(diǎn)得分相加后除以總個(gè)數(shù)，為該車型的得分率，得分率乘以6，為該車型行人上腿部總得分.行人上腿部滿分為6分.

2基于Euro NCAP 行人上腿部的前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)Euro NCAP 行人上腿部撞擊點(diǎn)位置的不同，前端結(jié)構(gòu)也應(yīng)分別進(jìn)行設(shè)計(jì).[6]A級(jí)車型的行人保護(hù)上腿部撞擊位置一般在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣，主要關(guān)鍵部件為發(fā)動(dòng)機(jī)蓋系統(tǒng)前緣、散熱器上支架及前保系統(tǒng)上支架.離地高度較高的SUV車型的行人保護(hù)上腿部撞擊位置一般在前保系統(tǒng)的上格柵位置，主要關(guān)鍵部件為上格柵系統(tǒng)及內(nèi)部吸能零件.

2.1A級(jí)車型前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

A級(jí)車型的行人保護(hù)上腿部撞擊位置一般在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣，與BLE線位置接近，見(jiàn)圖3.

圖 3A級(jí)車型行人上腿部撞擊點(diǎn)位置

Fig.3Location of pedestrian upper leg impact points on

A level vehicle

由于上腿部彎矩受上腿力的影響較大，故本文分析時(shí)以上腿力作為評(píng)價(jià)指標(biāo).發(fā)動(dòng)機(jī)蓋系統(tǒng)前緣、散熱器上支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析如下.

2.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)蓋系統(tǒng)前緣設(shè)計(jì)

根據(jù)上腿部模型撞擊過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前端的變形狀態(tài)，將其結(jié)構(gòu)優(yōu)化為可壓潰的懸臂結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4a）.優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在受到上腿部撞擊時(shí)，圖示虛框內(nèi)的懸臂可以壓潰吸能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)蓋對(duì)上腿模型的碰撞力度，上腿部軸向力曲線對(duì)比見(jiàn)圖4b）.

a） 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)板前端結(jié)構(gòu)

b） 上腿部軸向力曲線對(duì)比

由圖4b）可看出，該結(jié)構(gòu)對(duì)曲線第二個(gè)峰值有明顯影響，表明發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前端的可壓潰結(jié)構(gòu)對(duì)上腿部軸向力的降低有明顯影響.由于造型和布置等原因，懸臂結(jié)構(gòu)不能設(shè)計(jì)太長(zhǎng)，故在3個(gè)面內(nèi)增加弱化孔，見(jiàn)圖5a）.該弱化孔可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前端對(duì)上腿模型的抗力，上腿部軸向力曲線對(duì)比見(jiàn)圖5b）.該弱化孔對(duì)上腿部軸向力曲線的2個(gè)峰值均有影響.弱化孔的方向及大小應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的綜合要求進(jìn)行設(shè)計(jì).

a） 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)板前端結(jié)構(gòu)

b） 上腿部軸向力曲線對(duì)比

2.1.2散熱器上支架設(shè)計(jì)

散熱器框架為塑料件（見(jiàn)圖6a）），安裝蒙皮的支架集成于散熱器前端模塊上.蒙皮支架剛度大，上腿模型撞擊到蒙皮支架上時(shí)，上腿部在該撞擊位置不得分，故對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.新增加圖6a）所示支撐板，并將蒙皮支架集成于該支撐板上，蒙皮支撐板安裝于散熱器上橫梁上端.該方案可將剛度大的支架后移，降低車輛前端剛度，從而減小上腿部軸向力，對(duì)比見(jiàn)圖6b）.該結(jié)構(gòu)第一個(gè)峰值增大，但第二個(gè)峰值明顯降低，曲線趨于平緩，上腿部軸向力減小.如果散熱器框架為金屬件，其上支架可以設(shè)計(jì)為易于壓潰的結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計(jì)方向?yàn)椋荷现Ъ軆?nèi)部加強(qiáng)筋的布置，其厚度及材料的選取參考文獻(xiàn)[7].

2.2SUV車型前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

離地高度較高的SUV車型的行人保護(hù)上腿部撞擊位置一般在BLE線下端的前保系統(tǒng)的上格柵位置，見(jiàn)圖7.a） 蒙皮支撐板結(jié)構(gòu)

b） 上腿部軸向力曲線對(duì)比

SUV vehicle

2.2.1上格柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上腿模型撞擊過(guò)程前保上格柵的變形狀態(tài)，對(duì)其剛度進(jìn)行優(yōu)化，主要設(shè)計(jì)方向有格柵x向?qū)挾?、格柵車?nèi)加強(qiáng)筋、材料厚度等.本文分析其厚度，研究格柵剛度對(duì)上腿部軸向力的影響，見(jiàn)圖8.

由圖8可看出，格柵剛度的減小有助于上腿部軸向力的減小，其剛度減小幅度也應(yīng)綜合其他因素進(jìn)行考慮.[8]

2.2.2內(nèi)部吸能零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SUV車型的上腿部撞擊點(diǎn)在上格柵位置，如果上格柵及前保蒙皮系統(tǒng)與前散熱器結(jié)構(gòu)的空間及造型有限制，在上腿部碰撞位置增加相應(yīng)的吸能零件對(duì)上腿部得分有很大幫助[9]，見(jiàn)圖9.吸能零件主要設(shè)計(jì)方向應(yīng)考慮吸能零件的位置、加強(qiáng)筋的布置及其料厚度等.[10]

3某車型的行人上腿部分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)某A級(jí)車型基于Euro NCAP剛性上腿部試驗(yàn)規(guī)程的試驗(yàn)曲線與CAE仿真曲線對(duì)比見(jiàn)圖10，其考察指標(biāo)峰值見(jiàn)表1.對(duì)比結(jié)果表明CAE仿真模型的精確性.

a） 上腿部軸向力

b） 上腿彎矩

simulation curve在該CAE模型的基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)撞擊點(diǎn)進(jìn)行分析，其結(jié)果及得分見(jiàn)表2.結(jié)果顯示U±5及U+6等4個(gè)撞擊點(diǎn)沒(méi)有得到滿分，根據(jù)上述前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)其關(guān)鍵件發(fā)動(dòng)機(jī)蓋進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)大燈支架進(jìn)行可壓潰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化后結(jié)果見(jiàn)表3.結(jié)果顯示該車型可獲得Euro NCAP行人上腿部撞擊評(píng)分6分.表 1考察指標(biāo)峰值對(duì)比表

Tab.1Comparison of peak value of index指標(biāo)上腿部軸向力F上腿彎矩M法規(guī)要求3.70 kN296.26 N·m實(shí)驗(yàn)4.07 kN280.00 N·mCAE10%5.4%表 2Euro NCAP行人上腿部分析結(jié)果

Tab.2Analysis result of Euro NCAP upper leg區(qū)域劃分（y向坐標(biāo)）區(qū)域（600～-600）碰撞點(diǎn)U+6U+5U+4U+3U+2U+1U0U-1U-2U-3U-4U-5U-6y向坐標(biāo)6005004003002001000-100-200-300-400-500-600上腿部軸向力F/kN5.044.804.743.263.123.604.073.783.103.154.514.805.04上腿彎矩My/（N·m）226.0349.1266.0203.5187.2222.6280.0232.1185.2198.4252.3349.1226.0Euro NCAP評(píng)分得分總得分0.960.391.001.001.001.001.001.001.001.001.000.390.965.4

表 3優(yōu)化后的Euro NCAP行人上腿部分析結(jié)果

Tab.3Analysis result of Euro NCAP upper leg after optimization區(qū)域劃分（y向坐標(biāo)）區(qū)域（600～-600）碰撞點(diǎn)U+6U+5U+4U+3U+2U+1U0U-1U-2U-3U-4U-5U-6y向坐標(biāo)6005004003002001000-100-200-300-400-500-600上腿部軸向力F/kN3.373.984.203.263.123.604.073.783.103.154.343.983.51上腿彎矩My/（N·m）145.4207.5241.8203.5187.2222.6280.0232.1185.2198.4242.0208.1149.0Euro NCAP評(píng)分得分總得分1.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.006.0

4結(jié)論

（1）基于行人上腿部設(shè)計(jì)A級(jí)車型前端結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋系統(tǒng)前緣設(shè)計(jì)為懸臂結(jié)構(gòu)并增加弱化孔，可有效降低行人上腿軸向力；散熱器上支架設(shè)計(jì)為剛度較小的2個(gè)結(jié)構(gòu)，可有效地將行人上腿部碰撞硬點(diǎn)后移，降低行人上腿軸向力.

（2）在基于行人上腿部設(shè)計(jì)SUV車型前端結(jié)構(gòu)時(shí)，從格柵x向?qū)挾?、格柵車?nèi)加強(qiáng)筋、材料厚度等幾個(gè)方面降低格柵剛度可以減小上腿部軸向力；在碰撞位置增加相應(yīng)的吸能零件有利于降低上腿部軸向力.參考文獻(xiàn)：

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