基于aPLI行人腿型車輛前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

袁堂軍，余小巧

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315000

0 引言

隨著生活水平的提高，汽車逐步成為大眾出行的必備工具，汽車保有量逐年增加，行人的安全問(wèn)題愈發(fā)突出。據(jù)調(diào)查，行人傷害達(dá)到簡(jiǎn)化傷害標(biāo)準(zhǔn)(abbreviated injury score,AIS)2級(jí)以上的身體傷害區(qū)域中，下肢的傷害比例為34%，而44.2%的下肢損傷是由汽車前保險(xiǎn)杠的碰撞引起的。在碰撞過(guò)程中，行人下肢受到剪切、彎曲組合作用，易造成膝蓋錯(cuò)位、韌帶撕裂、骨折等傷害，嚴(yán)重受損甚至?xí)?dǎo)致永久性殘疾。

歐盟新車評(píng)價(jià)規(guī)程(Euro-new car assessment program,Euro-NCAP)將行人保護(hù)碰撞作為其星級(jí)評(píng)定的內(nèi)容。為降低行人下肢損傷，Euro-NCAP于2014年采用FLEX-PLI作為試驗(yàn)腿型。我國(guó)也于2018年實(shí)施的C-NCAP新增行人保護(hù)評(píng)價(jià)，采用FLEX-PLI作為試驗(yàn)腿型。

近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)LEX-PLI盡管在仿生學(xué)上進(jìn)步巨大，但未考慮碰撞過(guò)程中人體上半身對(duì)下肢的影響，其響應(yīng)與真實(shí)行人碰撞存在差異，因此我國(guó)C-NCAP評(píng)價(jià)率先采用aPLI行人腿型。aPLI行人腿型相比FLEX-PLI作了一系列更新，如上部增加了一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)的質(zhì)量塊 (SUBP模塊)，調(diào)整了腿型的質(zhì)量分布更接近真實(shí)人體下肢結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上增加股骨的偏移，調(diào)整交叉韌帶布置位置更真實(shí)模擬人體膝蓋關(guān)節(jié)，腿型下部增加自由度較大的關(guān)節(jié)來(lái)模擬腳踝的運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

圖1 FLEX-PLI與aPLI行人腿型示意

由于在碰撞過(guò)程中，aPLI行人腿型上部增加質(zhì)量塊后，向后運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)更加明顯，導(dǎo)致膝部彎曲嚴(yán)重，小腿彎矩?fù)p傷增加。相比FLEX-PLI腿型，aPLI行人腿型更難得分。而SUV車型由于通過(guò)性存在要求，其接近角一般設(shè)計(jì)較大，自身離地間隙較高，碰撞過(guò)程中對(duì)腿部保護(hù)更為不利，且針對(duì)轎車的行人保護(hù)前部防護(hù)措施并不適用于SUV。文中通過(guò)某小型SUV車型基于LS-DYNA仿真分析對(duì)車輛前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，aPLI行人腿型得分提升，優(yōu)化方案效果明顯，為后續(xù)其他車型開(kāi)發(fā)提供參考。

1 aPLI行人腿型沖擊車輛前端工況性能設(shè)計(jì)

1.1 工況介紹

根據(jù)2021版C-NCAP評(píng)估規(guī)程要求，aPLI離地高度設(shè)定25 mm，以40 km/h的速度自由飛行撞擊車輛前端，根據(jù)碰撞點(diǎn)的選取方法，確定分析車型的測(cè)試點(diǎn)共計(jì)15個(gè)。碰撞測(cè)試工況如圖2所示。

圖2 碰撞測(cè)試工況

評(píng)價(jià)方法如下：

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括小腿彎矩4個(gè)，大腿彎矩3個(gè)以及膝部?jī)?nèi)側(cè)副韌帶()的伸長(zhǎng)量。

(2)在整個(gè)腿部試驗(yàn)區(qū)域，aPLI腿部滿分總計(jì)5分。

(3)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的最高得分為1分，最低0分。其中大腿彎矩最高得分0.4分，小腿彎矩最高得分0.4分，膝部韌帶伸長(zhǎng)量最高得分0.2分。

(4)大腿彎矩高性能限值為390 N·m，低性能限值為440 N·m;小腿彎矩高性能限值為275 N·m,低性能限值為320 N·m;膝部?jī)?nèi)側(cè)副韌帶伸長(zhǎng)量()高性能限值為27 mm，低性能限值為32 mm。

(5)評(píng)分依據(jù)高性能限值和低性能限值采用線性差值方法分別計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)得分，最終得分為大腿彎矩、小腿彎矩及三者得分之和。

(6)大腿、小腿彎矩評(píng)分時(shí)取損傷值最大的一個(gè)進(jìn)行評(píng)分，膝部韌帶前交叉韌帶伸長(zhǎng)量()、后交叉韌帶伸長(zhǎng)量()作為監(jiān)測(cè)項(xiàng)，不參與評(píng)分。

1.2 性能設(shè)計(jì)

車輛前端結(jié)構(gòu)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)蓋總成、前格柵總成、前貫穿燈總成、前保安裝骨架、前保防下潛安裝支架、行人小腿保護(hù)梁、前組合大燈等組成如圖3所示。

圖3 車輛前端結(jié)構(gòu)示意

aPLI行人腿型性能設(shè)計(jì)需要綜合考慮大腿彎矩得分，小腿彎矩得分及得分。行人大腿得分與車輛前端的造型、總布置及相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。行人小腿與保險(xiǎn)杠碰撞過(guò)程中，橫向剪切和彎曲是小腿兩種最重要的響應(yīng)。行人小腿的傷害主要與車輛保險(xiǎn)杠泡沫材料、下副保險(xiǎn)杠和發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿的相對(duì)位置以及剛度有關(guān)。

碰撞過(guò)程中碰撞結(jié)構(gòu)的剛度及腿部吸能空間，對(duì)于行人保護(hù)非常重要。為了減少aPLI腿部損傷值，滿足研究車型安全目標(biāo)得分，需要對(duì)車輛前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能設(shè)計(jì)。根據(jù)圖3可以看出，小型SUV前保安裝骨架及前貫穿燈等車輛前端上部支撐正對(duì)aPLI大腿上部彎矩和中部彎矩，中部支撐(防撞梁)正對(duì)aPLI膝部模塊，下支撐(行人小腿保護(hù)梁)正對(duì)aPLI小腿中上彎矩。

aPLI行人腿型沖擊車輛前端工況將與前保蒙皮、行人小腿保護(hù)梁、前保安裝骨架、前保防下潛支架、前貫穿燈及前組合大燈、機(jī)蓋總成等結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞接觸。沖擊過(guò)程大致分為4個(gè)階段：

第一階段：初始接觸階段(0～15 ms)，上、下部支撐接觸，aPLI行人腿型上下部開(kāi)始受力彎曲；

第二階段：吸能階段(15～30 ms)，車輛前端全面接觸，上、中及下部支撐受力趨于峰值，aPLI行人腿型損傷值趨于峰值；

第三階段：反彈階段(30～45 ms)，車輛前端完全接觸吸能結(jié)束，上、中及下部支撐開(kāi)始反彈，aPLI行人腿型損傷值由峰值趨于減小；

第四階段：結(jié)束(45～60 ms)，aPLI行人腿型完全遠(yuǎn)離車輛前端。

基于aPLI行人腿型碰撞整個(gè)過(guò)程分析，如果上、中及下部支撐剛度大導(dǎo)致第二階段吸能不充分，將導(dǎo)致aPLI行人腿型彎矩?fù)p傷值超標(biāo)，aPLI行人腿型不能得分。另外，如果上、中及下部支撐剛度匹配不合理，aPLI行人腿型呈現(xiàn)“C”字形彎曲，導(dǎo)致aPLI行人腿型不得分。大腿彎矩和小腿彎矩與存在關(guān)系：+∝，需要平衡大腿彎矩、小腿彎矩及損傷值，綜合考慮aPLI行人腿型整體得分。

綜合考慮以上影響因素，針對(duì)車輛前端結(jié)構(gòu)提出如下設(shè)計(jì)方案：

(1)車輛前端采用朝天縫設(shè)計(jì)，前機(jī)罩硬點(diǎn)后移；

(2)前保安裝骨架、前保防下潛支架及大燈安裝支架設(shè)計(jì)失效斷裂，實(shí)現(xiàn)碰撞的時(shí)候發(fā)生潰縮；

(3)前貫穿燈與前保安裝骨架連接，當(dāng)前保安裝骨架失效后一同向后運(yùn)動(dòng)；

(4)前保蒙皮距離前防撞梁留有100 mm空間，前貫穿燈后部留有80～100 mm空間，前組合大燈后部留有40～50 mm空間，保證足夠的腿部吸能空間。

車輛前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表1。

表1 車輛前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

基于上述設(shè)計(jì)要求，通過(guò)LS-DYNA仿真分析得出aPLI行人腿型得分4.218分，如圖4所示(車輛前端左右對(duì)稱呈現(xiàn)車輛左側(cè)狀態(tài)，下同)。

圖4 aPLI行人腿型得分結(jié)果

2 aPLI行人腿型沖擊車輛前端試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)LS-DYNA仿真分析結(jié)果，策劃aPLI行人腿型沖擊車輛前端試驗(yàn)。首先驗(yàn)證前期仿真階段性能設(shè)計(jì)要求在實(shí)車上的表現(xiàn)，其次驗(yàn)證aPLI行人腿型損傷值仿真與試驗(yàn)一致性問(wèn)題。

仿真與實(shí)車驗(yàn)證對(duì)比如圖5所示，經(jīng)對(duì)比可以看出：上述結(jié)構(gòu)斷裂失效形式的實(shí)車表現(xiàn)與仿真基本一致，性能設(shè)計(jì)基本滿足前期設(shè)定的要求。

圖5 仿真與實(shí)車驗(yàn)證對(duì)比

鑒于篇幅所限，文中以測(cè)試點(diǎn)L4對(duì)aPLI行人腿型仿真與試驗(yàn)損傷值一致性進(jìn)行分析說(shuō)明。其中表2為仿真與試驗(yàn)損傷值對(duì)比，圖6為仿真與試驗(yàn)損傷曲線對(duì)比。

圖6 仿真與試驗(yàn)損傷曲線對(duì)比

表2 仿真與試驗(yàn)損傷值對(duì)比

由表2可知，aPLI行人腿型損傷值仿真與試驗(yàn)相比誤差在10%左右，一致性較好。

由圖6可以看出，通過(guò)仿真與試驗(yàn)損傷曲線對(duì)比，兩者趨勢(shì)和峰值基本吻合。

由此可證明，前期仿真設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度較高，分析結(jié)果可信。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了獲得更高的aPLI行人腿型得分，主要通過(guò)提升小腿彎矩得分來(lái)實(shí)現(xiàn)，有效的方法是調(diào)整行人小腿保護(hù)梁的結(jié)構(gòu)剛度，增加小腿向后的侵入量，從而達(dá)到小腿彎矩?fù)p傷值降低的目的。

3.1 優(yōu)化方案

圖7為仿真動(dòng)畫示意。

圖7 仿真動(dòng)畫示意

通過(guò)結(jié)合圖6仿真曲線及圖7仿真動(dòng)畫可以看出：

(1)小腿彎矩?fù)p傷值在15 ms左右已達(dá)到峰值，說(shuō)明行人小腿是在接觸階段由于行人小腿保護(hù)梁的剛度大導(dǎo)致的損傷值超標(biāo)，不是處于回彈階段；

(2)小腿接觸前保蒙皮，前保蒙皮盒裝結(jié)構(gòu)擠壓小腿保護(hù)梁加強(qiáng)筋，導(dǎo)致行人小腿無(wú)法向后運(yùn)動(dòng)，侵入量不足。

基于上述原因分析，提出如下優(yōu)化方案：

(1)行人小腿保護(hù)梁前端取消加強(qiáng)筋；

(2)前保蒙皮盒裝結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)位置取消行人小腿保護(hù)梁雙十字交叉加強(qiáng)筋；

(3)測(cè)試點(diǎn)L6位置區(qū)域行人小腿保護(hù)梁前端開(kāi)長(zhǎng)條弱化孔。

優(yōu)化方案示意如圖8所示。

圖8 優(yōu)化方案示意

3.2 優(yōu)化方案驗(yàn)證

基于優(yōu)化方案進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，優(yōu)化后的小腿彎矩?fù)p傷曲線如圖9所示，優(yōu)化后的aPLI行人腿型得分結(jié)果如圖10所示。由圖9可以看到，優(yōu)化后小腿彎矩?fù)p傷值由280.39(N·m)降低至187.10(N·m)，降低33.2%;由圖10可以看到，aPLI腿部整體得分由4.218分提升至4.500分，提升6.27%，優(yōu)化方案有效且效果明顯。

圖9 優(yōu)化后的小腿彎矩?fù)p傷曲線

圖10 優(yōu)化后的aPLI行人腿型得分結(jié)果

4 結(jié)論

本文依據(jù)一款小型SUV車型，基于aPLI行人腿型對(duì)車輛前端設(shè)計(jì)及優(yōu)化，并進(jìn)行一系列仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：

(1)前期仿真階段，對(duì)車輛前端結(jié)構(gòu)提出了設(shè)計(jì)要求，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證基本滿足設(shè)定目標(biāo)。

(2)經(jīng)過(guò)仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線對(duì)比分析，表明仿真模型精確度較高，可指導(dǎo)對(duì)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)針對(duì)行人小腿保護(hù)梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低aPLI行人小腿彎矩?fù)p傷值，提升aPLI行人腿型整體得分。

(4)基于aPLI行人腿型的車輛前端設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法可行，后續(xù)將通過(guò)試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)一步驗(yàn)證。