基于行人保護要求的前圍上部結構分析

孫風蔚，劉文晶，闖超，許方敏

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基于行人保護要求的前圍上部結構分析

孫風蔚，劉文晶，闖超，許方敏

（浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江 寧波 311336）

通過對行人保護法規的學習，進行成人頭部碰撞區域的車身結構分析，得到了以下結論：車身前圍上部鈑金結構設計對成人的頭部傷害具有重要的影響。從理論上分析車身前圍上部鈑金結構的可行性，并結合CAE虛擬分析結果，最終得到前圍上部鈑金結構設計的要點。在前圍上部鈑金的結構設計過程中，需要在成人頭部碰撞力的傳遞路徑上增加傳力引導面，同時減少鈑金設計的局部劇烈變形結構，以便保證前圍上部鈑金的變形潰縮模式，增加碰撞能量的吸收，減少碰撞的反作用力，從而降低成人頭部的傷害程度，保證行人頭部安全，為后續行人保護過程中的前圍上部結構設計提供指導。

行人保護；前圍上部；結構分析；碰撞安全

引言

行人保護是汽車安全發展的一個重要研究課題。行人身體各部位的傷害，包括頭部、面部、頸部及臀部、腿部等，尤其是頭部的傷害可能直接導致行人死亡。所以在汽車設計過程中，必須針對這些部位的車身結構進行優化，減少或者避免行人傷害。目前關于行人保護的研究課題基本都局限于車身與行人直接接觸的外部結構及內部空間布局的優化，如針對行人頭部的保護，目前傾向于設計隱藏式的通風蓋板及從前期造型上設計讓發動機罩后面的行人基準線劃分在發動機罩的后邊緣上而不是直接落在通風蓋板上，避免通風蓋板上雨刮電機及雨刮軸等硬點對行人頭部的傷害[1-2]；同時對發動機罩的結構進行優化，增加緩沖吸能特性保護行人頭部，如設計蜂窩狀的發動機罩內板或者采用鋁質發動機罩[3]；此外，在造型設計初期，針對發動機艙內影響行人保護的硬點，如蓄電池、保險絲盒、空氣濾清器、發動機罩蓋鎖扣、發蓋鉸鏈等，就需要考慮空間需求，增加頭部碰撞的緩沖空間或者將一些硬點布置在碰撞測試區域外[4]。本文以車身結構設計為基礎，從內部車身結構上分析頭部碰撞受力的路徑，進行力的引導和分散，從而保護成人頭部，減少傷害。

2 前圍上部與行人保護關系

圖1是行人保護測試區域示意圖，圖中紅色線圈標記區是成人頭部碰撞區域涉及到的車身局部結構，可以看出成人頭部碰撞區域的車身結構主要由五部分構成，除了外觀可見的①發動機罩、②通風蓋板和⑤前風擋玻璃之外，還有車身內部鈑金結構③前圍導水主板和④前圍上部。從圖示標記區結構中可以看出，當直徑為165mm的球與前風擋玻璃接觸時，其車身受力主要來自于前圍上部，所以前圍上部的結構設計，對行人頭部碰撞受力的傷害程度起著重要作用，如何使前圍上部在受力時可以將受力快速的傳遞擴散或者吸收是設計的關鍵，也是保護頭部碰撞安全的關鍵。

圖1 行人保護測試區域示意圖[3]

3 前圍上部結構分析

圖2 行人頭部結構斷面示意圖

圖2是針對行人頭部碰撞區域的斷面結構示意圖，從圖中可以看出，當直徑為165mm的球碰到到前風擋玻璃上時，碰撞力傳遞到前圍上部鈑金上，前圍上部鈑金受壓變形，對碰撞處產生反作用力。從圖示中可以看出，前圍上部支撐部位產生的反作用力與前圍上部鈑金的結構有關，反作用力沿著圖示箭頭方向旋轉（β角增加），碰撞力傳遞路徑減短，碰撞反作用力越大，行人頭部傷害值越大。針對前圍上部鈑金的這種受力情況，設計了兩種前圍上部鈑金結構，通過模擬分析行人頭部受力情況，進行更進一步的結果對比，為后續前圍上部鈑金的結構設計提供理論指導，如圖所示。

在理論上，對于圖3中的設計方案1，前圍上部結構在力的傳遞路徑上增加了一個斜面，作為力的傳遞引導面，使α角增大減緩，便于前圍上部結構受力潰縮變形吸收能量，從而減少力的傳遞，導致作用在前圍上部鈑金支撐點處的力減少，反作用力減少，進而減少行人頭部的傷害值；圖3中的設計方案2，前圍上部結構無力的引導面，而是形成了一個近似直角的拐彎，α角直接增大，這種結構在受力過程中，拐角處容易引起受力集中，從而導致力的傳遞受阻，前圍上部鈑金不容易變形，而容易在拐角處形成反作用力的支撐點，導致碰撞反作用力大，增加行人頭部的傷害值。

圖3 前圍上部鈑金結構設計斷面圖

4 設計驗證

圖4是對圖3中設計方案1的驗證結果，圖5是對圖3中設計方案2的驗證結果，從驗證結果可以看出設計方案1相對設計方案2，在行人頭部碰撞區域8個點的分值比較高（見圖4中的三角標記區域），與前圍上部鈑金的結構設計理論分析結果相符。

圖4 設計方案1行人頭部碰撞分析結果

圖6分別是圖3中的設計方案1和方案2的行人頭部碰撞變形示意圖，從圖中可以更形象的看出，方案1前圍上部鈑金比方案2壓縮變形效果好，所以方案1對行人頭部傷害值相對較小。

圖6 行人頭部碰撞變形示意圖

5 結論

綜述所述，在前圍上部結構設計過程中，必須考慮鈑金變形潰縮形式，力的傳遞模式，減少反作用力，保護行人頭部安全。

1）前圍上部結構上需要增加力的導引面，便于力的傳遞和變形吸能；

2）在力的傳遞路徑上不能存在變形劇烈的結構，如直角拐彎；

3）前圍上部鈑金與前風擋玻璃的接觸面，過多要平緩，圖示中α要逐漸增加，而β要小。

[1] 呂曉江,王純,劉衛國,馬芳武,吳成明,趙福全.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): 206- 211.

[2] 簡述汽車行人保護的現狀與發展方向[J].汽車實用技術,2014, (9): 01-03.

[3] 劉庭志,陳吉清.汽車行人保護開發與研究進展[J].汽車實用技術, 2012, (1): 17-22.

[4] 林忠海,謝金金,秦璐,陳曉磊,苗強.造型設計階段行人保護的設計[J].上海汽車, 2014, (1): 49-52.

Structure analysis of the cowl upper panel based on pedestrian protection

Sun Fengwei, Liu Wenjing, Chuang Chao, Xu Fangmin

( Geely Automobile Institute., Zhejiang Ningbo 311336 )

Through the study of pedestrian protection laws, adult head collision area of the body structure analysis, obtained the following conclusions: the upper parts of cowl panel structure design has important effects on adult head injury value. Theoretically, the feasibility of the cowl upper panel structure is analyzed, and the cowl upper panel structure design key points are finally obtained by combining the results of CAE virtual analysis. In the cowl upper panel structure design process, need to increase a guiding plane on the adult head collision force transfer path, at the same time reduce the local severe deformation structure of panel design, in order to ensure the cowl upper panel deformation collapse mode. And increase the collision energy absorption, reduce collision reaction, thus reduce the damage degree of adult head, to ensure the safety of pedestrian head. To provide guidance for the design of cowl upper panel in the future of pedestrian protection.

pedestrian protection; cowl upper panel; structure analysis; crash safety

B

1671-7988(2018)18-118-03

U462

B

1671-7988(2018)18-118-03

CLC NO.: U462

孫風蔚，就職于浙江吉利汽車研究院有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.040