基于行人腿部碰撞保護的汽車前端設計

張義悅 張曉娟

（大連科技學院 116052)

基于行人腿部碰撞保護的汽車前端設計

張義悅 張曉娟

（大連科技學院 116052)

人車碰撞事故中，腿部與保險杠的碰撞傷害最為常見，本文提出了一種新型安全氣囊彈出系統，并結合汽車自動制動系統和紅外探測系統共同對行人的腿部進行保護。該方案是通過減弱碰撞中行人腿部受到的撞擊力來對其進行保護的，是一種主動安全技術。

汽車碰撞；行人保護；保險杠；安全氣囊；有限元分析

1 研究背景

汽車從誕生至今，其安全性基本都是圍繞車內人員展開的，對行人的保護則很少考慮。在人車碰撞中，行人屬于弱勢群體，往往會導致行人的傷亡嚴重。直到上世紀九十年代行人保護才在歐洲被真正重視起來，我國則是在2010年7月1日才實施汽車對行人的碰撞保護標準[1]。

行人與汽車發生正面碰撞時，傷害主要發生在腿部和頭部，腿部傷害主要是與保險杠碰撞引起的[2]。改進保險杠的結構，優化汽車前端設計，是目前降低對行人腿部碰撞傷害的重要措施。

2 設計方案

該設計由現有的主動安全技術和新型安全氣囊組成。運用自動制動系統中的毫米波雷達測出車輛與前方障礙物的距離[3]，用紅外熱成像儀識別出前方障礙物是否是人，即綜合運用毫米波雷達技術和紅外熱成像技術測出車輛與行人的距離。當此距離小于“報警距離”時就對駕駛員進行報警提示，小于“安全距離”時，如果駕駛員沒有踩制動踏板，系統會控制汽車自動制動。如果判斷出與前方行人仍會發生碰撞，系統將此信號傳輸到安全氣囊控制單元。

現有安全氣囊的彈出是由汽車的加速度控制的，當汽車碰撞的瞬時加速度達到-40 g，安全氣囊在幾十毫秒充氣完畢，充氣后保持1～2s[4]。本文設計使用的氣囊裝入保險杠內，是由單獨的控制單元控制，根據自動制動系統的計算，在人車碰撞前1～2 s時將數據傳輸到該控制單元，控制保險杠內的安全氣囊彈出。氣囊在汽車前端保險杠上形成彈性氣墊，及時吸收沖擊能量，減少行人腿部受到的撞擊力。

3 有限元軟件分析

3.1 模型的建立

為了模擬行人腿部與保險杠的碰撞過程以及安全氣囊的減振作用，使用有限元軟件進行分析。共建立3個基本模型，即保險杠、安全氣囊和行人腿部。在建立模型時對模型做了適當的簡化，并在尺寸上縮小了10倍。用長方體結構代替保險杠，尺寸取長110 mm，寬20 mm，厚1 mm。用圓柱結構代替腿部，長1 000 mm，直徑40 mm。用長方體結構代替安全氣囊，長1 200 mm，寬300 mm，厚5 mm。

3.2 材料的選擇

本文在對模型添加材料時，腿部使用的材料為脛骨皮質骨，密度1 000 kg/m3，彈性模量20 GPa，泊松比0.315。保險杠使用的材料為聚丙烯，密度900 kg/m3，彈性模量1.3 GPa，泊松比0.41。由于安全氣囊中的氣體多為氮氣，其壓強為標準狀況下氮氣壓強的2倍，因此安全氣囊設定材料為氮氣，密度2.5 kg/m3，彈性模量0.001 Pa，泊松比0。

3.3 劃分網格

保險杠長度和寬度方向網格尺寸為2 mm，厚度方向為0.1 mm。安全氣囊長寬方向為2 mm，厚度方向為0.1 mm，行人腿部網格尺寸為2 mm。

3.4 施加載荷和約束

為了簡化運動模型，根據力的作用是相互的，運動情況設計為：固定保險杠，行人腿部以一定速度撞擊保險杠。因此，對保險杠施加固定約束，安全氣囊與保險杠之間設定為綁定接觸，腿部施加8 000 mm/s的速度載荷，接近30 km/h即低速碰撞。由于人車碰撞的接觸時間非常短，通過多次模擬將運動時間設為0.01 s。

3.5 求解

求解分為兩個過程。第一個過程抑制安全氣囊，模擬行人腿部與保險杠的直接碰撞，第二過程對安全氣囊解除抑制，模擬有氣囊保護情況下行人腿部與保險杠的碰撞。

3.6 結果分析

兩次碰撞試驗結果為：無安全氣囊保護時，保險杠最大變形為0.50 mm，最大正應力為1726.5 MPa，最大正應變為9.23×10-3；有安全氣囊保護時，保險杠最大變形為0.33 mm，最大正應力為653.5 MPa，最大正應變為7.71×10-5。即有安全氣囊保護時，保險杠最大變形小，正應力小，總應變小。這說明有安全氣囊保護時保險杠受到的力減小，根據力的作用是相互的，行人腿部在人車碰撞時受到的沖擊力減小，即在保險杠前增加安全氣囊能夠有效的保護行人腿部。

4 結束語

在現有的安全技術基礎上，本文結合汽車自動制動系統、熱紅外探測系統，對現有安全氣囊系統的彈出原理進行改進，提出一種新保護行人腿部的設計方案，并通過有限元軟件分析了方案的可行性。

[1]呂曉江.王純.劉衛國等.基于行人保護的乘用車前部造型設計優化[J]. 汽車安全與節能學報.2011.2(3).

[2]魏政君.基于行人保護的彈起式發動機罩系統的應用研究[D].華南理工大學.2013.

[3]張學軍.張岳鋒.基于毫米波雷達的汽車防撞模糊控制研究[J].蘭州交通大學學報.2008.1.

[4]顧軍杰.轎車安全氣囊靜態展開性能測試系統的研究[D].吉林大學.2013.

U461.91文獻標示碼：A

張義悅（1987—），女，助教，碩士研究生，研究方向為汽車運用與技術研究。

張曉娟（1980—），女，副教授，研究生，研究方向為汽車運用與技術研究。