SUV前端造型對行人下肢損傷影響的定量研究?

張冠軍，秦 勤，陳 崢，曹立波

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

SUV前端造型對行人下肢損傷影響的定量研究?

張冠軍，秦 勤，陳 崢，曹立波

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

為在造型設計階段充分考慮汽車的行人碰撞安全性能，以提高汽車的開發效率和行人安全性，提取了77款SUV側視圖的輪廓線及其特征參數，構建并驗證了SUV前端造型的簡化有限元模型，并依據EuroNCAP評價規則進行行人安全性能仿真。以造型特征參數為自變量，損傷參數為因變量，采用多重線性回歸分析方法分別對有無擾流板的兩類車型篩選出對下肢損傷有顯著影響的造型特征參數，并建立回歸模型。分析結果表明，有前保險杠擾流板的SUV在造型設計時應增大保險杠中心離地高度、保險杠寬度和擾流板相對于保險杠的前伸量；無擾流板的SUV則應增大保險杠上參考線離地高度、進氣格柵曲率半徑，減小保險杠下參考線離地高度。建立在量產車型造型特征基礎上的汽車前部簡化模型通過EuroNCAP試驗數據的驗證，不僅能表征造型信息，也具備結構屬性，對于結構設計前的造型設計具有指導作用。

SUV；行人下肢損傷；造型；有限元方法；多重線性回歸分析

前言

行人作為道路交通中的弱勢群體，事故中的重傷甚至死亡率極高。世界衛生組織的統計數據顯示，全球行人死亡人數占道路交通事故總死亡人數的22%[1]。在我國，由于汽車數量的迅猛增長以及復雜的道路交通環境，行人安全更為嚴峻。2012年我國行人死亡人數占道路交通事故總死亡人數的25%左右[2]。研究表明，行人下肢是事故中最易遭受損傷的部位[3]。因此，研究影響行人下肢損傷的相關參數，對減輕行人下肢損傷和降低其社會損失具有重要意義。近年來全球運動型多用途汽車(sport utility vehicle，SUV)市場份額迅速增加[4－5]，其高大的外形特征和較大的碰撞能量，對行人造成的致命傷害比其它車型更為嚴重[6]。因此，提高SUV的行人保護效果更為迫切。

由于行人直接暴露在交通環境中，汽車外部造型對行人損傷的影響也最為直接。文獻[7]和文獻[8]中通過尸體實驗，指出行人的運動學響應和損傷情況與汽車前部造型密切相關。文獻[9]中采用仿真手段探究了不同類型乘用車的前端造型對行人下肢損傷的影響，指出保險杠結構是導致行人下肢損傷的主要誘因。文獻[10]中通過實驗研究了汽車保險杠對行人下肢損傷的影響，指出保險杠長度和伸出量對下肢損傷影響明顯[10]。文獻[11]中利用深入調查數據庫PCDS進行的分析表明，保險杠高度和碰撞速度對行人下肢損傷類型和損傷程度有顯著的影響。文獻[12]在行人沖擊器報告中，對如何改善汽車內部結構以滿足行人保護法規做了具體說明。文獻[13]中使用交通事故數據庫，研究了具有不同時代特征的車型與行人下肢損傷的關系，認為汽車前部結構的形狀對行人下肢損傷形式和損傷程度影響顯著。另外，國內學者使用仿真方法研究了保險杠參數對行人下肢損傷的影響[14－15]。

上述研究主要從改進汽車結構參數以提高行人下肢碰撞安全性的角度出發，指出汽車前部結構參數對行人下肢損傷有影響，并未涉及汽車造型特征和特征線等汽車造型范疇。而在汽車開發初期，傳統的汽車造型主要考慮美學法則、市場需求、人機工程學和空氣動力學等因素[16]，對行人碰撞安全性的考慮較少。因此，有必要利用造型特征線研究汽車前部造型與行人下肢損傷之間的定量關系，賦予造型特征以行人碰撞安全性能的屬性，以便在產品開發初期進行造型設計時就充分考慮行人碰撞安全。這對于降低交通事故中行人下肢的損傷，提高產品研發效率和減小研發成本具有重要的意義。

因此，本文中提出了以汽車造型特征參數為驅動的SUV前部結構簡化有限元模型，按照EuroNCAP行人保護測試規則仿真下肢沖擊器的損傷參數，采用多重線性回歸分析方法構建造型特征參數與下肢損傷的定量關系，揭示了造型與行人下肢安全的關系。

1 方法

汽車造型是空氣動力學、結構力學和市場需求等多學科約束的綜合設計問題，需考慮連續性和美觀性[17]。本文中以市場保有量較多的車型為基礎提取其造型特征線，采用統一的方法建立有限元模型并使用下肢沖擊器實驗數據驗證模型有效性，保證所建的汽車前部造型簡化模型不僅能反映汽車的造型，同時兼顧統一的結構特性。

1.1 樣本選取與造型特征線

采集了市場保有量較大的77款SUV車型開展研究，這些車型的基本參數如表1所示，其年份分布如圖1所示。

表1 SUV樣本基本參數

汽車側視圖的輪廓線是整車造型中最關鍵的造型特征線，它決定了汽車造型的整體感覺和風格，也是造型設計階段的主特征線[18]。因此，本文中主要研究該造型特征線與行人下肢損傷的關系。由于碰撞中與行人下肢接觸的前部結構主要是前保險杠、進氣格柵和發動機罩等，故只保留SUV的前部造型特征線。77款SUV前部造型特征線如圖2所示。

此外，根據前部造型線中前保險杠下端有無明顯的擾流板結構將SUV分為A和B兩類，如圖3所示。其中A類有54個樣本，B類有23個樣本。

圖1 77款SUV的年份分布圖

圖2 樣本資源的側面輪廓造型特征線

圖3 SUV樣本分類

圖4 SUV前部造型特征參數的確定

表2 SUV前部造型特征參數

1.2 造型特征參數的提取

本文中以A類車特征參數的提取進行說明。根據EuroNCAP定義4個造型特征參數[19]，如圖4(a)所示；根據汽車實際結構，確定7個實車結構參數，如圖4(b)所示。A類車共提取了11個造型特征參數，具體說明見表2。B類車除了無SBH和SL兩個參數外，其余特征參數的提取與A類車相同，B類車共有9個造型特征參數。

1.3 SUV簡化有限元模型的建立與驗證

利用HyperMesh建立了77個SUV樣本的前部造型特征簡化有限元模型，計算各SUV對行人下肢沖擊器的損傷值。根據實車結構劃分擾流板、保險杠、進氣格柵、發動機罩、前風窗玻璃和車頂，如圖5所示。為保證仿真結果只受造型影響，所有車型各部件設置相同的材料參數和單元屬性，并將車型寬度統一設為1 790mm。所有模型網格劃分方式和網格分布相同，網格大小均為30mm。為更真實地反映下肢沖擊器的動力學響應，在沖擊器與保險杠碰撞的區域設置9個彈簧單元，均勻分布在具有吸能緩沖作用處的保險杠中間位置，其中Y軸方向上每個彈簧單元間距60mm，Z軸方向上則沿著保險杠寬度均勻布置。彈簧的剛度依據文獻[20]確定，各模型中彈簧單元的參數相同。

圖5 2014款謳歌MDX前部造型簡化有限元模型

只對簡化模型的左右兩端邊緣施加適當的約束，以更好地模擬沖擊器的碰撞響應。為實現簡化模型的定位與支撐，將邊角點和保險杠彈簧單元后端點全約束，見圖6(a)；為模擬下肢碰撞時保險杠、擾流板、進氣格柵和彈簧單元前端點X方向的運動趨勢，約束保險杠、擾流板、進氣格柵邊界點和彈簧單元前端點除X方向平動以外的其它自由度，見圖6(b)；為模擬碰撞時發動機罩Z方向的運動趨勢，只允許其邊緣節點Z方向的平動，見圖6(c)；為模擬風窗玻璃的剛性邊界和運動趨勢，約束其邊緣節點Z方向的平動和轉動，如圖6(d)所示。

圖6 簡化模型約束示意圖

依據EuroNCAP(V5.3.1)行人保護測試要求和評價指標[19]，分別對77款SUV進行下肢沖擊器的碰撞仿真，并使用EuroNCAP官網公布的SUV行人測試結果進行驗證。本文中主要研究SUV造型特征線，而它們位于汽車的縱向對稱面中，因此只采用汽車縱向對稱面相鄰的左右兩塊碰撞區域的結果驗證模型。

以造型特征參數為自變量(A類車11個，B類車9個)，仿真得出的3個下肢沖擊器的損傷參數為因變量，使用多重線性回歸分析方法定量地描述造型特征參數與下肢損傷參數之間的關系，并采用逐步回歸法進行變量篩選。采用殘差分析方法對樣本進行LINE條件檢驗，采用方差膨脹因子VIF<4或者容差值＞0.25進行共線性診斷[21]。最后進行異常點檢測，剔除掉學生化殘差圖中殘差大于2的異常樣本[22]，得到最終的回歸模型。

2 結果

2.1 造型特征參數統計結果

77個SUV樣本的造型特征參數如表3所示。

表3 造型特征參數的統計結果

2.2 模型驗證結果

以2011款寶馬X3為例說明驗證結果。圖7 (a)為EuroNCAP測試結果，圖7(b)為仿真結果，對比兩者相同碰撞位置(箭頭所示)的顏色分布可知，仿真與實驗結果吻合。

選取20款車型做驗證，保險杠碰撞區域的仿真結果和EuroNCAP測試結果顏色完全一致的個數為15個，正確率為75%。這說明簡化模型基本能反映真實的碰撞情況。

2.3 仿真結果

77個SUV樣本A和B兩類下肢損傷仿真結果的盒線圖如圖8所示。依據EuroNCAP(V5.3.1)的評分標準，脛骨加速度、剪切位移和彎曲角度的限值分別為150g，6mm和15°。結合圖8可知，在下肢沖擊器碰撞仿真中，A和B兩類SUV的脛骨加速度和剪切位移基本在限值范圍以內，彎曲角度則均存在大于限值的樣本，說明在SUV下肢沖擊器碰撞中，影響下肢得分的主要因素是彎曲角度。

圖7 2011款寶馬X3仿真與實驗對比

圖8 樣本下肢損傷統計盒線圖

2.4 統計檢驗結果

表4為有擾流板的SUV下肢損傷參數統計結果。由表可見，在A類SUV中，BCH為脛骨加速度、剪切位移和彎曲角度的最大影響因素。LBH，BW和BCH等與保險杠相關的參數是下肢損傷參數的主要影響因素。SBH和SL等與擾流板相關的參數對下肢損傷參數的影響也很顯著。3個損傷參數擬合精度R2分別為64.3%，39%和82.9%，篩選出的自變量的系數及回歸模型均具有統計學意義。

表5為無擾流板的SUV下肢損傷參數的統計結果。由表可見，在B類SUV中，BCH，BW，UBH分別是脛骨加速度、剪切位移、彎曲角度的最大影響因素。UBH，LBH，BW和BCH等與保險杠相關的參數是下肢損傷參數的主要影響因素。3個損傷參數擬合精度R2分別為61.1%，65.7%和75.3%，篩選出的自變量的系數及回歸模型均具有統計學意義。

_表5 無擾流板的SUV下肢損傷參數的統計結果

3 討論

由回歸分析結果可知，A和B兩類車型篩選出的造型特征參數不完全一致。造型特征參數與兩類車型下肢損傷參數之間的正負相關性和影響程度如表6所示。

表6 造型特征參數與下肢損傷參數的正負相關性和影響程度

在A和B兩類SUV中，下肢沖擊器的3個損傷參數篩選出了UBH，LBH和BCH等與前保險杠相關的參數，這說明保險杠高度參數是影響下肢損傷的主要造型參數，這與文獻[11]中的研究結果吻合。

BCH對A類車的下肢沖擊器的3個損傷參數影響程度最大，對B類車的脛骨加速度和剪切位移影響顯著。圖9為保險杠參數分布盒線圖，圖中虛線和點劃線分別表示下肢沖擊器位于法規要求位置時膝關節和加速度傳感器的離地高度；由于本文中的樣本保險杠中心高度均大于脛骨上端加速度傳感器的高度，且下肢沖擊器與保險杠的碰撞點主要位于下肢沖擊器股骨上，見圖9。在一定范圍內，BCH的增大會使碰撞點越發遠離脛骨上端加速度傳感器和膝關節。碰撞點越高，脛骨上端加速度傳感器受到的撞擊力越小，脛骨加速度也就越小；同時，碰撞點越高，股骨和脛骨的相對轉角越小，膝關節彎曲角度也越小。股骨下端沿X軸向的位移減小，股骨和脛骨的相對位移增大，剪切位移也增大。

BW對A類車的脛骨加速度和彎曲角度有影響，對B類車的剪切位移影響最大，且均是負相關，說明保險杠寬度越寬，緩沖面積越大，下肢所受的損傷就越小。這與文獻[9]和文獻[15]中指出的增大保險杠寬度可降低行人下肢損傷的結果一致。因此，在進行SUV車型開發時，宜盡量增大保險杠寬度。

LBH對A，B兩類車的彎曲角度均有顯著影響，且均呈正相關。由圖9可見，A和B兩類車的LBH主要分布在下肢沖擊器膝關節以下，LBH越小，在碰撞過程中保險杠下端對下肢沖擊器的支撐點越靠下，對脛骨的支撐作用增大，使脛骨相對股骨的轉角減小，彎曲角度減小。

GR分別是A類車的脛骨加速度、B類車彎曲角度的第二影響因素，均呈負相關。這說明進氣格柵的曲率半徑對下肢損傷有顯著的影響，在進行SUV造型設計時，可適當增大進氣格柵的曲率半徑，以減小A類車的脛骨加速度和B類車的彎曲角度。

在無擾流板支撐下肢的B類車中，影響彎曲角度最大的造型特征參數是UBH，呈負相關，以及LBH，呈正相關。在B類車中基本滿足BW＝UBHLBH的關系式，說明UBH越大，LBH越小，保險杠的寬度BW就越大，下肢沖擊器的彎曲角度就越小，這與文獻[9]中研究結果一致。

在有擾流板支撐下肢的A類車中，擾流板最前端的離地高度SBH、擾流板最前端相對于保險杠的伸出量SL對下肢沖擊器的3個損傷參數有影響。如圖9所示，SBH與LBH盒線圖分布類似，說明兩者對下肢損傷的影響基本一致。SL對剪切位移和彎曲角度影響顯著，呈負相關，說明隨著SL伸長，在碰撞過程中保險杠的擾流板對下肢沖擊器脛骨的支撐作用明顯，同時抑制了脛骨和股骨的相對位移和相對轉角，使剪切位移和彎曲角度減小。因此，在進行SUV車型開發時，可適當增大擾流板最前端相對于保險杠的伸出量。

綜合圖8可知，影響A和B兩類SUV下肢得分的主要因素是彎曲角度。因此，在進行SUV設計時，應結合彎曲角度的回歸方程，在一定范圍內，增大A類車的BCH，BW，SL，并減小LBH，增大B類車的UBH，GR，并減小LBH，以減小彎曲角度，降低行人的損傷風險。

4 結論

圖9 保險杠參數分布盒線圖

將SUV分為有擾流板和無擾流板兩大類，通過簡化有限元模型的碰撞仿真以及對仿真結果的多重回歸分析，分別對下肢沖擊器的損傷參數篩選出了具有顯著影響的前部造型特征參數，建立了相應的回歸方程。研究結果表明，在造型設計時，有無擾流板對SUV的造型要求有所不同。在有擾流板的SUV車型開發時，增大保險杠中心離地高度、保險杠寬度和擾流板相對于保險杠的前伸量可減少行人下肢損傷。在無擾流板的SUV車型開發時，應增大保險杠上參考線離地高度和進氣格柵的曲率半徑，減小保險杠下參考線離地高度。因此，在進行SUV造型設計時，應根據該車型有無擾流板支撐使用不同的回歸方程作為設計指導。

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第九屆國際變速器及傳動技術研討會召開

2017年4月20日，第九屆國際變速器及傳動技術研討會(TMC2017)在上海寶華萬豪酒店盛大開幕，本屆研討會由中國汽車工程學會和中汽翰思管理咨詢公司聯合舉辦。

參會嘉賓超過650人，展示單位56家，有近50個技術報告，通過對研發經驗及成果的介紹，剖析中國變速器及傳動技術的發展趨勢和解決方案，共同致力于推動動力傳動技術的發展。

Quantitative Study on the Effects of the Frontend Styling of SUV on Pedestrian Lower Limbs Injury

Zhang Guanjun，Qin Qin，Chen Zheng＆Cao Libo
Hunan University，State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle body，Changsha 410082

For fully considering the pedestrian safety performance of vehicle in crash accident in order to enhance the development efficiency and pedestrian safety，the side-view contours of 77 SUVs and their styling feature parameters are

ed，the simplified FE model for the front-end of SUVs are set up and verified，and a simulation on the pedestrian safety performance of vehicle is conducted based on EuroNCAP evaluation rule.With styling feature and injury parameters as independent and dependent variables respectively，the styling feature parameters of both categories of vehicle with and without bumper spoiler，having apparent effects on the lower limbs injuries of pedestrian are selected by using multiple linear regression analysis with corresponding regression model established.The results of analysis suggest that SUVs with bumper spoiler should choose higher height of bumper center，wider bumper width and larger protrusion of spoiler relative to bumper in styling，while SUVs without spoiler should increase the height of bumper upper reference line and the curve radius of air inlet grille and reduce the height of bumper lower reference line.The simplified model for vehicle front-end，verified by EuroNCAP test data and based on the styling features of mass-produced vehicles，can not only characterize styling information，but also has structural attributes，playing a guiding role in styling before structural design.

SUV；pedestrian lower limbs injury；styling；FEM；multiple linear regression analysis

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.010

?國家自然科學基金(51205118)、湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室自主研究課題和中央高校基本科研業務費資助。

原稿收到日期為2016年5月16日。

張冠軍，博士，E-mail:zgjhuda＠163.com。