基于行人保護的轎車前部造型特征研究

曹立波 龍騰蛟 張冠軍 劉 適

湖南大學汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙，410082

0 引言

汽車造型是汽車研發(fā)初期非常重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的汽車研發(fā)在造型設(shè)計階段主要考慮美觀性、市場需求、空氣動力學和人機工程學等因素，而車輛的碰撞安全性能通常在工程設(shè)計階段考慮，如果發(fā)現(xiàn)車輛碰撞安全不能滿足要求，則需要返回修改汽車造型，降低了產(chǎn)品研發(fā)的效率和經(jīng)濟性。隨著汽車碰撞安全越來越受重視，尤其是行人碰撞法規(guī)推出后，汽車造型對行人安全的影響更加突出。因此，在汽車造型階段引入汽車碰撞安全顯得非常必要。

目前，基于特征的造型設(shè)計在汽車領(lǐng)域獲得了比較廣泛的應用。胡偉峰等［1］以造型特征線為基礎(chǔ)，利用感性工學和統(tǒng)計分析方法研究汽車造型意象，求出了敏感感性意象形容詞與對應主特征線的定量關(guān)系。譚浩等［2］通過汽車造型特征空間構(gòu)建和層次分析提取造型幾何特征，構(gòu)建了汽車造型特征定量化模型并應用到設(shè)計實踐中，解決了汽車造型設(shè)計主要依賴經(jīng)驗而缺乏定量工具的問題。

上述關(guān)于汽車造型特征方面的研究，主要考慮了美學法則和市場需求的影響，沒有考慮汽車碰撞安全性能對造型的要求。因此，本文結(jié)合碰撞安全性能對緊湊型轎車前部造型特征線進行了統(tǒng)計分析和參數(shù)化研究，并采用MADYMO軟件建立汽車與行人碰撞的多剛體模型進行仿真分析。

1 汽車造型特征線

1.1 汽車造型特征

在汽車造型中，特征攜帶了一款汽車區(qū)別于其他車型的特有的外觀信息。汽車造型特征是對汽車整體風格、形面感覺、細部處理、車型中延續(xù)的造型元素及造型所攜帶的結(jié)構(gòu)和形面信息的一種描述。汽車造型特征關(guān)注的是造型中的形式、走勢和比例，因此，它主要是汽車造型的形面風格信息以及與造型相關(guān)的結(jié)構(gòu)工藝信息的集合［3］。

汽車造型特征不僅攜帶著形狀、材料等物理信息，還攜帶了大量的風格意象、品牌、空氣動力學、人機工程、碰撞安全和制造工藝等與造型設(shè)計相關(guān)的信息，故可以將汽車造型研究抽象簡化為汽車造型特征研究。

1.2 汽車造型特征線及其提取

汽車造型特征線是有特定結(jié)構(gòu)約束和造型內(nèi)涵的，是被標記為腰線、側(cè)面輪廓線等名稱的構(gòu)造線，是認知汽車形態(tài)和進行造型設(shè)計的重要起點。從描述造型的角度看，點雖然具有重要的造型意義，但其對造型的描述不充分；面雖然最能表達形態(tài)的全部內(nèi)容，但其過于復雜而不易被表達；線源于點而展成面，包含了可以聯(lián)系點和面的重要造型信息，卻沒有點的瑣碎和面的冗余，是“承上啟下”的造型元素。線是汽車草圖的主要成分，幾乎攜帶了造型的所有特征信息，是對汽車概念及特征的最初表達，因此，線比點和面更適合于對造型特征的表示［3］。

在汽車外部造型的側(cè)視圖、前視圖、透視圖等圖中都可以提取到各視圖內(nèi)的相關(guān)特征線。圖1所示為汽車造型特征線的提取過程。首先，通過因特網(wǎng)及掃描等方法搜集相關(guān)車型的側(cè)視圖和前視圖等，形成樣本案例資源；然后運用矢量曲線將圖片中的汽車形態(tài)輪廓精確描繪，轉(zhuǎn)換成單純的輪廓圖；最后，運用基點和控制點將輪廓圖中的關(guān)鍵造型曲線分割成若干特征線段?；c為特征線段的端點或拐點，控制點為特征線段中間決定特征線曲率和走勢的關(guān)鍵點。基點和控制點的加入可以增加對特征線的控制編碼和參數(shù)化，方便對特征的修改及進一步研究。

圖1 汽車特征線的提取

2 汽車造型特征的碰撞安全屬性研究

2.1 與汽車造型相關(guān)的碰撞安全性能

與造型相關(guān)的汽車碰撞類型主要有汽車與行人碰撞、正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞和車輛翻滾。由于行人直接暴露在交通環(huán)境中，汽車外部造型對行人損傷的影響最為直接，因此，汽車前部造型與行人損傷緊密相關(guān)。研究表明，發(fā)動機罩、前擋風玻璃和保險杠是造成行人損傷的主要部件［4］。

2.2 基于碰撞安全性的造型特征實現(xiàn)

基于特征的汽車造型通過造型特征線描述產(chǎn)品設(shè)計，賦予造型特征線以碰撞安全性能屬性。具體方法是：首先對提取的汽車造型特征進行統(tǒng)計分析和參數(shù)化研究，建立基于特征和特征線的汽車造型特征參數(shù)描述模型；然后采用仿真的方法研究汽車造型特征參數(shù)與碰撞安全性的關(guān)系，從而建立汽車造型特征的碰撞安全性控制策略，實現(xiàn)對汽車造型設(shè)計階段的碰撞安全性能控制。

側(cè)視圖中的側(cè)面輪廓線是整車造型中最關(guān)鍵的造型線，是主特征線，它決定了汽車造型的整體感覺和風格。發(fā)動機罩、前擋風玻璃、車頂、后擋風玻璃的構(gòu)建都必須以側(cè)面輪廓線為造型基礎(chǔ)。

側(cè)面輪廓線中的發(fā)動機罩線、擋風玻璃線和保險杠線等受整車長度、高度和傾斜角度等參數(shù)的影響，為了便于研究，把特征線簡化為近似的直線或折線。同時，特征線具有一定的空間位置，可通過編碼的基點和控制點進行控制，因此，可對其進行參數(shù)化研究。將汽車側(cè)面輪廓線定位于oxy直角坐標系，原點為過前保險杠端面的垂直線與地面的交點，如圖2所示。坐標系中，造型特征線的基點和控制點Pi都有對應的坐標數(shù)值（xi，yi），通過汽車的實際尺寸與圖形尺寸的比例關(guān)系得出比例系數(shù)，坐標系中的數(shù)值與比例系數(shù)相乘就能得出實際值。

圖2 汽車前部造型特征參數(shù)

汽車前部造型主要由前保險杠線P3P6、發(fā)動機罩線P7P8和前擋風玻璃線P8P9描述，這3組特征線控制和表達了汽車前部造型的側(cè)面輪廓和車型。造型特征線都包含著相關(guān)的特征參數(shù)，其中與行人碰撞安全相關(guān)的前部造型特征參數(shù)有保險杠中心高度、保險杠伸出量、保險杠寬度、發(fā)動機罩前緣高度、發(fā)動機罩長度和傾角以及前擋風玻璃傾角，如圖2所示，分別記為HBC、LB、WB、HHE、LH、αH和αW。特征參數(shù)由基點和控制點控制，P4、P5兩點的坐標值控制著保險杠寬度和高度，同時與P7點一起決定保險杠伸出量；P7點的縱坐標值即為發(fā)動機罩前緣高度，其與P8點的距離即為發(fā)動機罩長度，P7P8特征線的角度即為發(fā)動機罩傾角；P8P9特征線的夾角為前擋風玻璃傾角。通過確定汽車前部造型的基點和控制點的坐標，從而得到特征參數(shù)的數(shù)值并構(gòu)建造型特征線，建立汽車造型特征參數(shù)的描述模型。然后運用仿真的方法建立多體模型開展研究。

2.3 造型特征參數(shù)的獲取

汽車造型受車型定位的限制，如整車長度、軸距等都有一定的范圍。定位相同的車型，其前部造型特征的約束條件相似，方便進行分析和研究。參照中國汽車分類標準中對于轎車的分類，綜合考慮整車長度和軸距，選取中國市場上現(xiàn)階段在售的52款緊湊型轎車作為樣本案例，提取出其前部造型特征線，統(tǒng)計得到的特征參數(shù)如表1所示。

表1 緊湊型轎車前部造型特征參數(shù)統(tǒng)計

3 仿真實驗研究

由于實車碰撞實驗成本高昂，故目前汽車－行人碰撞研究主要采用仿真的方法，常用的是有限元和多剛體仿真。相對于有限元仿真，多剛體仿真方法具有參數(shù)調(diào)整方便、計算高效的特點，又能得到較精確的結(jié)果。本文采用MADYMO軟件建立轎車－行人多剛體動力學模型。

3.1 轎車－行人碰撞模型的建立

模型的建立主要包括轎車前部多體模型、行人多體模型及兩者之間相互接觸的定義，多體仿真模型如圖3所示。行人模型采用查爾摩斯大學的多體人體模型［5］，該人體模型為50百分位成人男子模型，高1.75m，重78kg，通過實體實驗驗證，是目前生物逼真度較高的人體多剛體模型之一。轎車前部模型按照統(tǒng)計的緊湊型轎車的前部特征參數(shù)建立，主要包括保險杠、發(fā)動機罩前緣、發(fā)動機罩、前擋風玻璃、車輪等部件。各部件分別采用一個多體橢球進行表示，其相關(guān)的機械特性按照實驗中的力－變形曲線設(shè)定［6］，如圖4所示。國際協(xié)調(diào)研究機構(gòu)（IHRA）的一項調(diào)查報告顯示，70%的汽車與行人碰撞事故發(fā)生在40km／h的碰撞速度及以下，因此，仿真中采用的碰撞車速為40km／h［7］。

圖3 轎車－行人多體動力學模型

圖4 各部件力－變形曲線示意圖

3.2 評價指標

頭部損傷標準（HIC）是目前最常用的頭部評價指標，HIC值定義如下：

式中，a（t）為碰撞過程中頭部質(zhì)心合成加速度；t1～t2為HIC值達到最大的時間間隔。

行人下肢損傷評價主要有膝關(guān)節(jié)剪切位移d、彎曲角度n及脛骨上端加速度a三個指標，是一個多目標問題。Kajzer等［8］提出了加權(quán)傷害準則來評價下肢損傷，其表達式如下：

定義頭部目標函數(shù)［8］為

W2值越低，說明前部結(jié)構(gòu)對腿部的保護性能越好。

頭部損傷往往造成行人嚴重損傷，其權(quán)重系數(shù)應該比下肢的大。因此，定義行人綜合防護的目標函數(shù)為

WIC值越小，說明對行人保護性能越好［9］。

3.3 變量篩選

轎車前部造型特征中對行人損傷有影響的特征參數(shù)較多，如果都進行研究，勢必會加大研究的難度，還會造成研究不能開展。通過進行變量篩選可以去掉影響小的特征參數(shù)，提高運算效率。靈敏度分析是研究和分析參數(shù)對系統(tǒng)或模型影響大小的方法，本文選取了7個主要的轎車前部造型特征參數(shù)進行靈敏度分析，根據(jù)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)確定設(shè)計參數(shù)的變化范圍，共有14組運算，基本模型采用緊湊型轎車前部造型特征參數(shù)統(tǒng)計的平均近似值，具體如表2所示。

將每個特征參數(shù)改變后進行仿真計算，將得到的損傷參數(shù)數(shù)值按下式進行處理：

計算得到的特征參數(shù)變化對損傷參數(shù)值的影響如圖5所示。由圖可知，HIC值對保險杠中心高度、保險杠伸出長度、保險杠寬度和發(fā)動機罩長度4個參數(shù)敏感；脛骨加速度a和彎曲角度n對保險杠高度、保險杠伸出長度兩個參數(shù)敏感；膝部剪切位移d對保險杠高度、保險杠伸出長度、保險杠寬度和發(fā)動機罩前緣高度4個參數(shù)敏感。

表2 靈敏度分析設(shè)計表

圖5 靈敏度分析結(jié)果

綜上所述，保險杠中心高度、保險杠伸出長度、保險杠寬度、發(fā)動機罩前緣高度和發(fā)動機罩長度5個參數(shù)對損傷影響明顯，選取它們作為仿真分析的設(shè)計變量。發(fā)動機罩傾角和前擋風玻璃傾角對行人各損傷參數(shù)影響微弱，對于緊湊型轎車，這兩個造型特征參數(shù)統(tǒng)計的范圍變化不大，因此，這兩個參數(shù)不作為仿真實驗設(shè)計的變量，取值不發(fā)生變動。

3.4 仿真實驗設(shè)計及結(jié)果

采用均勻?qū)嶒炘O(shè)計方法安排仿真實驗。均勻?qū)嶒炘O(shè)計是通過使用均勻設(shè)計表及配套的使用表來安排實驗的。均勻設(shè)計表一般記為U＊n（qs），其中，“U”表示均勻設(shè)計，“n”表示有n個處理，“q”表示每個因子都有q個水平，指數(shù)“s”表示最多允許安排s個因子，加“＊”表示該均勻設(shè)計表具有更好的均勻性，應優(yōu)先選用［10］。

根據(jù)靈敏度分析的結(jié)果，將篩選的5個變量在統(tǒng)計取值范圍進行如下限定：380mm≤HBC≤580mm；20mm≤LB≤220mm；90mm≤WB≤190mm；670mm ≤HHE≤ 870mm；850mm≤LH≤11000mm。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 二次型回歸模型構(gòu)建及分析

均勻設(shè)計的結(jié)果數(shù)據(jù)分析需要采用回歸分析。以加權(quán)損傷值WIC為設(shè)計指標，運用SAS軟件對表3中的仿真實驗結(jié)果進行逐步回歸分析構(gòu)造二次型回歸方程模型，回歸分析的結(jié)果如表4和表5所示。

表3 實驗設(shè)計方案及結(jié)果

表4 方差分析

表5 參數(shù)估計值

由表4、表5可知，二次回歸模型的顯著性概率小于0.0001，模型高度顯著有效；每個系數(shù)的顯著性概率都小于0.08，說明10個系數(shù)都是顯著有效的。模型的決定系數(shù)R2為0.9953，總體擬合效果好。得到的二次型回歸方程如下：

式中，X1、X2、X3、X4、X5分別代表變量保險杠中心高度HBC、保險杠伸出長度LB、保險杠寬度WB、發(fā)動機罩前緣高度HHE和發(fā)動機罩長度LH。

由表5可知，與X3有關(guān)的有4項，且有關(guān)項的顯著性概率數(shù)值小于或等于0.003，F(xiàn)統(tǒng)計量數(shù)值大，表明保險杠寬度對行人損傷影響顯著，是對行人損傷影響最大的造型特征參數(shù)。與X2有關(guān)的有兩項，其中X2平方項的顯著性概率數(shù)值為0.0067，表明保險杠伸出長度對行人損傷影響較大。因此，在轎車前部造型特征線中，保險杠線的設(shè)計非常重要，在造型設(shè)計時需參考對行人的損傷影響仔細斟酌。

同時，每個造型特征參數(shù)對行人損傷的影響不是孤立的，還存在著交互作用。其中保險杠寬度分別與發(fā)動機罩前緣高度、發(fā)動機罩長度有交互作用，保險杠中心高度和保險杠伸出量有交互作用，發(fā)動機罩前緣高度和發(fā)動機罩長度有交互作用；并且保險杠中心高度和保險杠伸出量、發(fā)動機罩前緣高度和發(fā)動機罩長度對行人綜合損傷起正的交互作用，而保險杠寬度分別與發(fā)動機罩前緣高度、發(fā)動機罩長度對行人綜合損傷起負的交互作用。

4.2 優(yōu)化分析

在MATLAB軟件中采用遺傳算法對得到的二次型回歸模型進行限值范圍內(nèi)的最優(yōu)求解，得出轎車前部造型特征參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計組合為HBC＝395mm，LB＝ 220mm，WB＝ 171mm，HHE＝870mm，LH＝ 934mm，此時WIC預測 值為0.3775。將該設(shè)計組合的5個特征參數(shù)取值代入MADYMO仿真模型中進行計算，得到仿真模型在該組合下的WIC值為0.4121。二次型回歸模型的優(yōu)化值與該優(yōu)化組合的實際仿真值的相對誤差為8.40%，優(yōu)化達到收斂條件，優(yōu)化過程結(jié)束。優(yōu)化后的緊湊型轎車前部造型設(shè)計如圖6所示，該造型設(shè)計的保險杠特征線基點P4、P5相隔距離較大，P4點的位置偏低，保險杠寬大且中心高度低；發(fā)動機罩長度適中，在930mm左右，發(fā)動機罩前緣控制點P7的高度較高，位置偏向轎車后部，y軸的坐標數(shù)值較大，發(fā)動機罩前緣坡度較平緩，顯得圓潤平和。

圖6 優(yōu)化得到的轎車前部造型

將仿真優(yōu)化值與30組仿真實驗設(shè)計中損傷值最小的第22組進行對比，如表6所示。從表中可知，優(yōu)化后模型的WIC值與原模型中的最小值相比降低了18.94%，除了膝關(guān)節(jié)最大剪切位移稍有增大，其他損傷值也都有明顯的降低，表明經(jīng)過造型特征參數(shù)優(yōu)化后的轎車前部造型設(shè)計對行人保護效果有明顯提升。

表6 優(yōu)化值與原模型最小損傷值對比

5 結(jié)論

（1）保險杠伸出長度、保險杠寬度兩個造型特征參數(shù)對行人綜合損傷影響最大，說明保險杠是造成行人損傷的重要部件，保險杠線在造型設(shè)計時應引入碰撞安全這一技術(shù)因素。

（2）各造型特征參數(shù)對行人損傷的影響存在交互作用，其中保險杠中心高度和保險杠伸出量、發(fā)動機罩前緣高度和發(fā)動機罩長度對行人綜合損傷起正的交互作用，而保險杠寬度分別與發(fā)動機罩前緣高度、發(fā)動機罩長度對行人綜合損傷起負的交互作用。

（3）優(yōu)化得到的緊湊型轎車前部造型設(shè)計具有中心高度低且寬度大的保險杠，發(fā)動機罩長度在930mm左右，發(fā)動機罩前緣高且坡度平和，造型圓潤舒緩。仿真研究表明，按照該造型設(shè)計的車型能有效減少車輛對行人造成的損傷，對轎車造型設(shè)計有一定的參考價值。

（4）本文對轎車造型特征進行了簡化，只采用了仿真方法進行初步探究，為了獲得更可靠的結(jié)果，還需進行實車試驗驗證并結(jié)合交通事故調(diào)查數(shù)據(jù)庫等手段進一步完善。

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