碰撞條件下護膝板設計對駕駛員小腿保護分析與研究

摘 要：針對汽車碰撞事故中駕駛員下肢損傷防護需求，本研究通過有限元仿真與生物力學分析相結合的方法，探討護膝板結構參數對小腿保護的優化機理。基于C-NCAP正面碰撞工況構建包含Hybrid III 50th假人小腿模型的碰撞仿真系統，重點研究護膝板材料剛度對脛骨反力指標的影響規律。通過調整護膝板內緩沖件楊氏模量發現：采用密度為88kg/m3、楊氏模量4.5MPa海綿材料作為緩沖層可使碰撞能量吸收效率顯著提升，曲面曲率半徑在100-120 mm范圍內可有效降低剪切載荷。優化后的楔形護膝板結構使小腿反力Fx峰值控制在1.0kN以下，較傳統設計降低60%。研究結果為汽車內飾安全件的生物力學優化提供了新的設計思路和理論依據，對提升車輛被動安全性能具有重要工程應用價值。

關鍵詞：護膝板設計 小腿保護 碰撞安全 生物力學分析 有限元仿真

隨著汽車被動安全技術的快速發展，乘員下肢保護已成為車輛碰撞安全領域的研究重點。據統計，在正面碰撞事故中，由于儀表板下方空間侵入及膝部接觸效應，駕駛員小腿部位發生脛骨骨折、踝關節脫位等損傷的概率高達34%-41%[1]，其生物力學損傷機理涉及軸向壓縮、彎曲及剪切載荷的復合作用。

傳統車身安全設計多聚焦于乘員艙整體強度提升與約束系統優化，而對護膝板等內飾部件的生物力學防護機制尤其是護膝板沖擊反力Fx，缺乏系統性研究。

康巍，張俊南，王振強，[2-8]等，通過頸骨指數TI和小腿壓縮力Fz來評價正面偏置碰撞條件下駕駛員小腿部位傷害，并提出了對應的解決方案；劉燦燦[9]分析了膝部氣囊對駕駛員頭、胸、腿等部位的保護影響；匡芳[10]研究了不同類型偏置碰撞駕駛員小腿損傷情況；郭慶祥[11]則針對整車碰撞加速度和三踏板侵入量對駕駛員小腿損傷影響進行了研究。

現有研究表明，護膝板作為碰撞過程中膝部接觸的首要承力部件，其結構剛度、幾何形變特性直接影響沖擊能量的傳遞路徑與分布特征。文章基于C-NCAP正面碰撞法規，構建包含Hybrid III 50th假人小腿的約束系統多體動力學模型，通過有限元仿真分析方法，量化護膝板材料對脛骨反力Fx損傷指標的影響規律。研究突破傳統經驗設計范式，提出新型護膝板優化方案，為提升車輛下肢保護性能提供理論支持與工程實踐參考。

1 護膝板沖擊反力Fx分析方法

1.1 小腿損傷分析總體思路

分析目的：解決車輛正面碰撞駕駛員小腿失分問題，提高車輛對駕駛員的保護性能。

分析方法總體思路如圖1所示，包含四大步驟：（1）觀察整車正面碰撞駕駛員小腿損傷情況，提取整車碰撞試驗數據，包括膝部到IP護膝板的距離Lleft amp;Lright、膝部接觸到IP護膝板時刻Tleft amp; Tright；（2）根據小腿質量和相對于護膝板的運動速度，計算碰撞能量；（3）CAE模型設置中，小腿以第一定的初始動能沖擊護膝板，模擬實車碰撞中，膝部對護膝板的沖擊情況，求解護膝板沖擊反力Fx；（4）設置不同護膝板改進方案，重復第（3）步，提出小腿失分有效解決方案。

1.2 小腿沖擊初始動能計算方法

根據CNCAP2024管理規則[12]，試驗前記錄正面碰撞駕駛員各部分的靜態位置，提取與小腿有關的信息（見圖2），駕駛員側膝關節到儀表板邊緣Lleft=115mm，駕駛員側膝關節到儀表板邊緣Lright=100mm。根據大腿力變化曲線及試驗中所設置的觸發電位計，獲得膝部運動時間為Tleft=80ms、Tright=70ms（見圖3）。

駕駛員左、右小腿初始沖擊動能計算公式，以左小腿為例：

基于以上計算公式，計算某車型正面碰撞駕駛員小腿相對于護膝板的運動速度和初始沖擊動能，其結果見表1。

2 小腿沖擊CAE建模與仿真

小腿沖擊CAE建模需要對IP骨架和IP塑料件進行有限元建模，單元類型為Shell，IP骨架采用抽中面、單元尺寸為5mm，IP塑料件采用抽中面+Casting組合方式、單元尺寸為3mm進行處理，前處理軟件統一使用ANSA。在前處理軟件中，網格質量檢查遵循基本原則見表2，整體有限元模型如圖4和圖5所示。

模型的其他檢查內容包括：網格自由邊、自由節點檢查，重復網格檢查，交叉穿透檢查等。

考慮到小腿沖擊過程中，護膝板緩沖件呈壓縮狀態，采用3mm尺寸的六面體單元建模可以有效地保證有限元計算時不出現負體積，LS-DYNA計算求解可順利進行。

在完成所有網格后，通過PENENTRATION檢查網格干涉后才可以做連接。IP系統的骨架各鈑金件之間應用了燒焊連接，燒焊單元主要采用Beam單元。IP系統塑料件之間的連接為Nodal_Rigid_Bodies螺栓連接。

邊界約束與初始條件：由于文章主要針對駕駛員側小腿損傷進行研究，有限元模型僅截取小腿區域對應的IP部分，其邊界約束如圖4所示，在模型兩側采用SPC約束，初始沖擊條件如圖5所示，駕駛員左、右沖擊速度分別見表1。

3 結果分析與改進設計

小腿沖擊CAE分析方案說明：護膝板結構設計分兩種狀態，如圖6所示，基礎狀態為鈑金支撐，即正面碰撞時，小腿直接沖擊金屬支架（圖6所示方案一），改進設計則在護膝板內增加不同剛度的緩沖件（圖6所示方案二、三、四）。

四種護膝板設計方案有限元模型，提交LS-DYNA計算求解，采用META軟件提取各方案的Fx-t曲線如圖7所示。

小結：CAE仿真結果表明，方案一基礎狀態護膝板內未增加任何緩沖件設計，其最大反力值達到2.5kN；方案二采用楊氏模量31MP泡沫設計，最大反力值略低于基礎狀態；方案三采用楊氏模量200000MP泡沫設計，其最大反力值反而超過了基礎狀態達到3.5kN；方案四采用楊氏模量4.5MPa海綿設計，護膝板的反力值Fx最小，不超過1.0kN，較方案一降低了60%。

根據CNCAP管理規則[12]，駕駛員小腿頸骨指數TI值主要受小腿的彎矩My影響，即小腿所受到的壓迫力的影響。如圖8所示，A點位置為上小腿彎矩傳感器位置，B點位置為下小腿彎矩傳感器位置，則AC、BC之間的距離，為護膝板對小腿彎矩的力臂長度。護膝板對小腿沖擊力Fx的降低，有利于小腿TI值的改進。對比圖7的計算結果，方案四比方案一小腿所受的沖擊力有較大降低。因此，設計方案四最終被項目采用。

4 總結

文章以車型正面碰撞駕駛員小腿損傷系統分析為研究對象，針對小腿以一定初始動能沖擊IP場景進行CAE模擬，分別對4種不同的護膝板設計方案進行有限元分析，得到以下結論。

（1）根據整車實物碰撞試驗結果，提出了小腿沖擊IP的初始動能計算方法。

（2）提出了駕駛員側IP骨架與塑料件分區有限元建模方法。

（3）在正面碰撞過程中，分析了護膝板反力Fx與小腿頸骨指數的關聯關系。

（4）從4種不同護膝板設計仿真結果可知，采用密度為88kg/m3、楊氏模量4.5MPa海綿材料作為護膝板緩沖件可使碰撞能量吸收效率顯著提升，其反力最大值Fx由基礎狀態2.5kN降低至約1.0kN，降低了60%，有利于改善小腿頸骨指數TI。

文章研究方法對于汽車內部其他抗沖擊性能的部件如頭部撞擊IP、頭部撞擊A柱內飾板CAE分析，同樣具有參考意義。

基金項目：江西省重點研發計劃項目“復雜場景下新能源汽車碰撞數字孿生關鍵技術”（20232BBE50008）研究成果。

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