潰縮設(shè)計(jì)在汽車行人保護(hù)中的應(yīng)用

龔益玲

（上汽大眾汽車有限公司產(chǎn)品研發(fā)與管理車身研發(fā)，上海201805）

0 引言

大量的交通事故調(diào)查結(jié)果表明，在行人與車輛的碰撞事故中，行人頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩或擋風(fēng)玻璃發(fā)生碰撞而引起行人頭部損傷約占損傷總數(shù)的30%，并常常是造成行人死亡的主要原因。而發(fā)動(dòng)機(jī)罩由于需要滿足車輛的相關(guān)性能要求，在前蓋與擋風(fēng)玻璃連接處，剛度較大，潰縮空間較小，常常會(huì)對(duì)頭部造成較為嚴(yán)重的傷害，從而不能滿足行人保護(hù)頭部碰撞的性能要求。本文根據(jù)行人保護(hù)頭部碰撞的要求，分析了該苛刻區(qū)域某零件的變形特性，兼顧整車剛度，利用仿真模擬計(jì)算，同時(shí)經(jīng)由試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了該零件的潰縮設(shè)計(jì)方案。

1 行人保護(hù)頭部保護(hù)法規(guī)及頭部傷害值介紹

由China-NCAP2018要求可知，在行人保護(hù)頭碰試驗(yàn)中，頭部損傷HIC值可由式（1）得到：

式中：

G：重力加速度

A：碰撞過程中頭部質(zhì)心合成加速度；

t2-t1：HIC達(dá)到最大值的時(shí)間間隔，其中最大間隔為15ms。

同時(shí)，根據(jù)China-NCAP2018要求，行人保護(hù)頭部碰撞分值設(shè)定如表1所示。

表1 HIC分值設(shè)定

2 苛刻區(qū)域的行人保護(hù)頭部碰撞

根據(jù)一般的行人保護(hù)結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)艙與擋風(fēng)玻璃交界處一般是頭部傷害值比較高的區(qū)域。本文以該苛刻區(qū)域的某零件設(shè)計(jì)為例，引入潰縮設(shè)計(jì)理念，通過仿真模擬計(jì)算的方法，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，來有效地降低該區(qū)域的HIC值。

圖1 行人保護(hù)頭部碰撞的區(qū)域分析

2.1 行人保護(hù)模型驗(yàn)證

選取行人保護(hù)頭碰試驗(yàn)苛刻區(qū)域內(nèi)的風(fēng)窗橫梁的小支架作為研究對(duì)象，該零件所對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵碰撞點(diǎn)，見圖2。

圖2 小支架以及相關(guān)碰撞點(diǎn)示意圖

基于China-NCAP2018行人保護(hù)要求，搭建行人保護(hù)頭部碰撞有限元計(jì)算模型，參見圖3示意圖。選取前車頭模型，進(jìn)行行人保護(hù)頭碰分析。

圖3 行人保護(hù)-小支架相關(guān)碰撞點(diǎn)有限元模型示意圖

對(duì)比該點(diǎn)行人保護(hù)頭部碰撞試驗(yàn)與相應(yīng)的模擬計(jì)算結(jié)果（見圖4），可以看出該零件在頭部碰撞過程中，零件本身幾乎沒有變形。試驗(yàn)和模擬計(jì)算的變形是一致的。進(jìn)而，再對(duì)比兩者的頭部HIC值，根據(jù)法規(guī)，試驗(yàn)?zāi)M計(jì)算的得分也是相同的。

圖4 行人保護(hù)-小支架相關(guān)碰撞點(diǎn)試驗(yàn)

由此可知，我們建立的行人保護(hù)有限元模型是十分符合實(shí)際試驗(yàn)，具有一定的參考價(jià)值，為后續(xù)潰縮設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證提供了精準(zhǔn)的計(jì)算基礎(chǔ)。

2.2 普通優(yōu)化

分析苛刻區(qū)域的頭碰碰撞的變形，發(fā)現(xiàn)該零件在碰撞過程中沒有明顯變形。局部的高強(qiáng)度零件對(duì)于頭部碰撞非常不利。因此，通過簡(jiǎn)單的開孔，弱化該零件（見圖5）。通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)：新的優(yōu)化方案在碰撞中有明顯的變形，且HIC值也有大幅度的下降。相對(duì)于基礎(chǔ)方案，吸收了頭碰過程中一部分的能量，對(duì)于降低頭部的HIC值有一定效果，且得分也得到了提高。

圖5 小支架普通優(yōu)化方案

圖6 T=30ms時(shí)刻的塑形應(yīng)變對(duì)比

圖7 普通優(yōu)化方案與基礎(chǔ)方案HIC值曲線對(duì)比

然而，該方案雖然對(duì)行人保護(hù)結(jié)果有效，但是結(jié)構(gòu)的弱化，導(dǎo)致了整車剛度的降低。通過相關(guān)計(jì)算，該優(yōu)化方案A對(duì)比基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，整車的彎曲剛度降低了0.39Hz（見圖8）。因此，借助單純開孔來弱化零件從而達(dá)到降低HIC值是不可取的。如何做到剛?cè)岵?jì)，滿足車身剛度的前提下，優(yōu)化我們的零件才是我們需要解決的一大問題。

圖8 普通優(yōu)化方案與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)車身剛度對(duì)比

2.3 潰縮設(shè)計(jì)

基于剛?cè)岵?jì)的理念，我們對(duì)該零件引入潰縮設(shè)計(jì)。仔細(xì)分析初始優(yōu)化方案的變形，零件中添加潰縮弱化筋的潰縮設(shè)計(jì)理念，可以很有效的通過零件本身的變形吸收碰撞能量，從而降低頭部的傷害值。因此，基于第一版的初步優(yōu)化方案，進(jìn)一步優(yōu)化潰縮弱化筋的布置，于此同時(shí)，還必須兼顧零件本身的剛度性能，詳見圖9零件示意圖。通過誘導(dǎo)變形筋的潰縮設(shè)計(jì)，不但滿足了頭部碰撞過程中該零件通過有效變形吸能降低頭部HIC值，同時(shí)也可以避免大面積開孔所引起的剛度降低問題。

圖9 普通優(yōu)化方案與潰縮優(yōu)化方案

通過有限元模擬分析三種方案在頭部碰撞中的變形圖，見圖10。由變形圖可以很明顯的看到，在頭碰過程中，普通優(yōu)化和潰縮優(yōu)化方案都有明顯的變形。在碰撞過程中，潰縮設(shè)計(jì)的潰縮筋起到了很好的誘導(dǎo)變形的作用，有效地將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成變形能，從而減低頭碰過程中頭部的傷害值。仔細(xì)研究圖11的HIC曲線以及車身剛度的模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，雖然相對(duì)于普通優(yōu)化，潰縮優(yōu)化的HIC值有一定程度的增加，但是在兼顧零件本身的剛度和行人保護(hù)性能的雙重要求下，明顯潰縮優(yōu)化設(shè)計(jì)更加的高效、可行。

圖10 優(yōu)化措施的變形對(duì)比

圖11 優(yōu)化措施的HIC值曲線

圖12

3 結(jié)語

本文通過具體分析行人保護(hù)頭部碰撞苛刻區(qū)域的某一零件，利用精準(zhǔn)的有限元模擬計(jì)算的方法，基于普通優(yōu)化方案，引入潰縮優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證車身剛度的前提下，有效地降低了該區(qū)域的頭部HIC值，真正做到了剛?cè)岵?jì)，提高了整車的性能。