汽車前端結(jié)構(gòu)的行人大腿碰撞保護性能研究

崔淑娟，劉 明，趙清江，范體強

（1.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 401122；2.中國汽車工程研究院，重慶 401122）

1 研究背景

1.1 國內(nèi)外行人保護評價體系現(xiàn)狀

中國是典型的以混合交通為主的國家，行人傷亡數(shù)量大，占交通事故死亡人數(shù)中的26%。圖1顯示了國內(nèi)（以長沙市交通事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例）和國外（以德國為例）的行人事故中人體損傷部位分布情況[1-3]。由圖可知，在行人事故中人體頭部、下肢、骨盆的受傷所占比例較高。

目前，國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)及測評規(guī)程中含有針對行人保護的骨盆和大腿傷害測試的有：Euro NCAP包含了上腿型沖擊WAD775試驗，EC 78/2009包含了上腿型沖擊發(fā)動機罩前緣試驗（監(jiān)測項）。2017年7月20日發(fā)布的中國保險汽車安全指數(shù)（China Insurance Automotive Safety Index，C-IASI）將上腿型沖擊WAD775試驗作為監(jiān)測項，其余法規(guī)均未對此做出規(guī)定，表1對各行人保護法規(guī)的試驗項目進行了匯總比對。

圖1 國內(nèi)外行人事故中人體損傷部位分布

表1 行人保護標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程內(nèi)容比對

1.2 Euro NCAP試驗數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

Euro NCAP于1997年引入大腿對發(fā)動機罩前緣的試驗，用于評估在涉及成人的車輛碰撞事故中骨盆和大腿部受傷的潛在風(fēng)險。利用成人大腿部碰撞器在沖擊速度為40 km/h的工況下開展一系列碰撞試驗，并于2015年更新，引入了大腿對發(fā)動機罩WAD775的試驗。

根據(jù)2009～2012年間Euro NCAP發(fā)布的結(jié)果統(tǒng)計，僅有約1/3的Euro NCAP五星車型獲得大于2分的大腿保護成績。其測評方法、閾值設(shè)定等受到越來越多質(zhì)疑。在多家主機廠和汽車行業(yè)組織的探討研究下，Euro NCAP于2015年將試驗工況由上腿型沖擊發(fā)動機罩前緣更新為上腿型沖擊WAD775，并對沖擊點位置、沖擊能量及免試能量等做出了適當(dāng)調(diào)整。

2014 ～2018年Euro NCAP行人保護測試結(jié)果中，骨盆試驗內(nèi)容的得分情況匯總?cè)鐖D2所示。2015年該試驗項目做了更新后，試驗難度下降，得分逐年趨好。

圖2 Euro NCAP結(jié)果分布

2 上腿型沖擊WAD775試驗測評標(biāo)準(zhǔn)

上腿型沖擊WAD775試驗是以上腿型沖擊器代替行人大腿，以沖擊器受到的最大彎矩M和合力F作為傷害評價指標(biāo)[4]，見表2。

表2 上腿型沖擊WAD775評價指標(biāo)

碰撞點位置對準(zhǔn)WAD775線，每個碰撞點的撞擊角度α如圖2所示。碰撞過程中，名義碰撞能量根據(jù)以下公式計算：

式中：mn= 7 .4 k g ；vc=v0× c os( 1 . 2α)；v0=11.1 1 m/s 。

碰撞速度vt根據(jù)名義碰撞能量進行調(diào)整計算[5-6]：

圖3 上腿型沖擊WAD775試驗工況

3 造型結(jié)構(gòu)開發(fā)策略

3.1 外造型

Euro NCAP規(guī)定，碰撞能量小于160 J可豁免這項試驗，默認滿分。碰撞能量的大小僅取決于每個碰撞點的碰撞角度α。即：

計算得出，當(dāng)α＞44.7°時滿足條件，即WAD930和IBRL的連線越接近水平，碰撞角度α越大。車輛前部造型越扁平，越能降低WAD930的高度。碰撞角度α與車輛前部造型、防撞橫梁高度有關(guān)。上腿型沖擊WAD775試驗的碰撞能量高低對傷害指標(biāo)具有顯著影響，而碰撞能量由車輛前部幾何參數(shù)決定。因此，在外造型設(shè)計初期，以降低碰撞能量輸入為目標(biāo)對車型外輪廓進行設(shè)計，將會有效提高其上腿型碰撞防護性能，如圖3所示。

圖4 上腿型沖擊WAD775滿分車身造型

3.2 總布置

碰撞能量一定的情況下，根據(jù)碰撞能量公式E=F×S，內(nèi)部碰撞吸能空間S越大，碰撞力F越小。在車輛開發(fā)總布置階段，在滿足其它性能的基礎(chǔ)上，發(fā)動機罩下端預(yù)留更多的變形區(qū)間，并考慮將零部件硬點、特征點等危險點盡可能布置在測試區(qū)域之外，以規(guī)避風(fēng)險[7]。

3.3 零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通常上腿型沖擊WAD775失分點主要集中在發(fā)動機罩罩蓋鎖、大燈、水箱上橫梁、保險杠上支撐件等加強件結(jié)構(gòu)處，這些結(jié)構(gòu)通常局部剛度較大，需要對其進行局部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，弱化上腿型碰撞方向上的支撐強度，在碰撞過程中充分變形[8]。如：部分現(xiàn)有車型中在車大燈、翼子板的安裝機構(gòu)上采用了整體潰縮吸能裝置，以改善局部碰撞緩沖效果，或采用新型材料，使其易于破碎、變形。將保險杠蒙皮安裝在可潰縮支架上，支架剛度弱。當(dāng)上腿型沖擊WAD775時，充分利用變形空間，降低行人骨盆受到的沖擊力，如圖5所示。

圖5 零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4 某車型上腿型沖擊WAD775性能分析及優(yōu)化

4.1 上腿型沖擊WAD775試驗得分

按照規(guī)程要求劃包絡(luò)線WAD775，轉(zhuǎn)角基準(zhǔn)點，確定上腿型沖擊WAD775試驗區(qū)域，并間隔100 mm標(biāo)記一個grid點，該車型共13個grid點。為驗證后續(xù)有限元模型的準(zhǔn)確性，試驗選擇U5、U3、U0、U-2、U-4、U-6共6個試驗點，試驗結(jié)果見表3。基礎(chǔ)車上腿型沖擊WAD775試驗得分為：2.963分。

表3 試驗點結(jié)果記錄

4.2 有限元模型搭建

采用HyperMesh軟件建立仿真模型，如圖6所示，按照實車參數(shù)設(shè)置零件的材料和厚度，并通過焊接、螺栓、鉸鏈等方式建立各部件之間的連接關(guān)系。分析只截取車輛A柱及之前部分[9]，約束車輛截面的6個自由度。前保險杠及其附件的材質(zhì)為塑料件，強度低且韌性差，在碰撞過程中容易發(fā)生斷裂失效等問題。為接近真實情況，對關(guān)鍵變形零部件設(shè)置斷裂失效模型，以提高計算精度。

圖6 有限元模型

4.3 有限元模型與試驗結(jié)果對標(biāo)

如圖7所示，有限元模型撞擊位置，以U3、U-6兩個點的上腿型沖擊WAD775碰撞仿真分析為例，對比性能指標(biāo)的仿真和試驗曲線及結(jié)果，如圖8和表4所示。試驗和仿真結(jié)果峰值接近，誤差最大不超過12%，曲線走勢一致，在工程精度要求范圍內(nèi)，認為模型精確可用。

圖7 撞擊位置

圖8 U0、U-6點試驗與仿真曲線對比

表4 碰撞點仿真試驗值對比

4.4 上腿型沖擊WAD775性能優(yōu)化及試驗驗證

分析車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，前保險杠內(nèi)部空間小，零部件布局緊湊，沒有可以利用的變形空間。仿真碰撞過程中，前保險杠蒙皮及其附屬零部件整體結(jié)構(gòu)偏硬，變形不充分。其中，前保險杠中支撐架結(jié)構(gòu)強，變形小，是上腿型受擠壓變形過程中的最大結(jié)構(gòu)硬點。摸底試驗中，該零件也出現(xiàn)了不同程度的撕裂和斷裂。通過多輪仿真計算，最終確定的優(yōu)化方案見表5。

（1）前保險杠本體左右對稱位置開孔。

（2）刪除前保險杠中部裝飾罩背面的加強筋，并開孔。

（3）前保險杠中支撐架兩端開槽、局部開孔、刪除內(nèi)部加強筋，并增加鈑金件。

仿真計算U5、U3、U0、U-2、U-4、U-6碰撞點，優(yōu)化前后的仿真結(jié)果對比見表6。碰撞合力、脛骨彎矩值均有一定幅度的降低。將優(yōu)化方案工程化，并進行試驗驗證。從U1開始選點，沿車輛向右間隔一個grid點選一個試驗點，試驗結(jié)果見表7。優(yōu)化后各點的試驗得分均為1.000分，上腿型總得分為6.000分。

表5 優(yōu)化方案

表6 優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比

表7 優(yōu)化方案試驗結(jié)果

5 結(jié)論

（1）本文總結(jié)出行人大腿碰撞保護與車輛前端的外造型設(shè)計、總布置及相關(guān)零部件局部結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)。性能優(yōu)化遵循優(yōu)化能量吸收、增加變形空間的設(shè)計原則。

（2）對某車型的保險杠蒙皮及相關(guān)附件結(jié)構(gòu)進行局部弱化，通過仿真和試驗證明，對保險杠蒙皮及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行有效設(shè)計改進可以降低碰撞事故中對行人大腿的傷害。