基于行人碰撞保護(hù)的某輕型客車(chē)前部結(jié)構(gòu)改進(jìn)

胡 偉，呂北京，馮第瑤

(重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院有限公司國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于轎車(chē)基于行人碰撞保護(hù)的前部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)做了很多研發(fā)工作，然而關(guān)于輕型客車(chē)行人碰撞保護(hù)的前部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)鮮有研究。為降低道路事故中輕型客車(chē)對(duì)行人的傷害，本文依據(jù)GB/T 24550—2009《汽車(chē)對(duì)行人的碰撞保護(hù)》［1］建立行人下肢—輕型客車(chē)碰撞有限元模型并進(jìn)行改進(jìn):在輕型客車(chē)橫梁前端增加薄壁吸能板結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后的模型仿真結(jié)果表明:薄壁吸能板結(jié)構(gòu)可有效提高該輕型客車(chē)的行人碰撞保護(hù)性能。另外，由于國(guó)外推出了仿真程度更高的柔性腿型模型，本文還采用柔性腿型對(duì)改進(jìn)后的客車(chē)模型進(jìn)行仿真分析，并對(duì)比分析柔性腿型與剛性腿型的差異和對(duì)車(chē)輛前部結(jié)構(gòu)要求的異同。

1 剛性行人下肢—輕型客車(chē)仿真模型的建立

我國(guó)在2009年參考 GTR9法規(guī)制定了 GB/T 24550—2009《汽車(chē)對(duì)行人的碰撞保護(hù)》。該標(biāo)準(zhǔn)要求剛性腿型試驗(yàn)時(shí)膝部最大動(dòng)態(tài)彎曲角度不大于19°，膝部最大動(dòng)態(tài)剪切位移不大于6.0 mm，小腿上端加速度應(yīng)不大于170g。本文采用的腿型為T(mén)RL生產(chǎn)的TRL－LFL剛性腿型CAE模型。該腿型的總長(zhǎng)度為926 mm，總質(zhì)量為13.4 kg［2］。該模型包含 27 409個(gè)節(jié)點(diǎn)，23 664個(gè)實(shí)體單元，1 160個(gè)殼單元和若干梁?jiǎn)卧?。模型通過(guò)EEVCWG17規(guī)定的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)。

由于碰撞速度比較低，行人下肢—輕型客車(chē)碰撞過(guò)程中一般不涉及金屬材料的大變形與大轉(zhuǎn)角［3－4］。特別是對(duì)于前部結(jié)構(gòu)剛性更大的輕型客車(chē)，腿型在侵入過(guò)程中只接觸客車(chē)前部的蒙皮、吸能盒等結(jié)構(gòu)，客車(chē)第一立柱之后的部件在腿型侵入過(guò)程中基本不會(huì)發(fā)生變形。為降低計(jì)算時(shí)間，在仿真過(guò)程中車(chē)輛的模型只截取車(chē)體的前部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析［5－6］。同時(shí)在腿型侵入客車(chē)前部結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，輪胎變形對(duì)仿真結(jié)果的影響基本可以忽略，因此忽略了輪胎而只考慮了輪轂的建模。輕型客車(chē)建模主要選取其蒙皮、橫梁、橫梁加強(qiáng)板、前縱梁、冷凝器及支架、翼子板等前部結(jié)構(gòu)。去除第一立柱之后的結(jié)構(gòu)并計(jì)算去除部分的質(zhì)量及質(zhì)心點(diǎn)的坐標(biāo)，使用RBE2剛性連接單元以集中質(zhì)量的方式與簡(jiǎn)化模型前端進(jìn)行完全約束連接。

根據(jù) GB/T 24550—2009［1］的試驗(yàn)工況建立行人下肢—輕型客車(chē)碰撞有限元模型。該標(biāo)準(zhǔn)中要求腿型沖擊速度為11.1 m/s±0.2 m/s;在第一接觸時(shí)刻腿型的底部應(yīng)在地面基準(zhǔn)平面以上25 mm，偏差在10 mm范圍內(nèi)。車(chē)輛與腿型之間的仿真接觸設(shè)置對(duì)于模型仿真的可靠性特別重要，車(chē)輛和下肢沖擊器之間設(shè)為自動(dòng)面面接觸，并且腿型沖擊器模型本身設(shè)置為自動(dòng)面面接觸，其余部分設(shè)為自動(dòng)自身接觸［7］。最終建立的行人下肢及簡(jiǎn)化后的輕型客車(chē)碰撞有限元模型如圖1所示。

圖1 行人下肢—輕型客車(chē)碰撞仿真模型

2 輕型客車(chē)下肢碰撞仿真分析

2.1 碰撞能量分析

由于車(chē)輛左右對(duì)稱，因此選取車(chē)輛中間點(diǎn)(LL2碰撞位置點(diǎn))以及保險(xiǎn)杠與右側(cè)縱梁延展方向交匯點(diǎn)(LL3碰撞位置點(diǎn))進(jìn)行分析。通過(guò)求解器計(jì)算圖1模型，查看系統(tǒng)總能量、動(dòng)能、內(nèi)能、滑移界面能、沙漏能5條能量變化曲線。從曲線可以看到，系統(tǒng)動(dòng)能逐步轉(zhuǎn)化為內(nèi)能并在30 ms左右趨于平衡，系統(tǒng)能量是守恒的。各曲線光滑過(guò)渡且滑移界面能和沙漏能均未超過(guò)系統(tǒng)總能量的5%，說(shuō)明該模型是可靠的。

2.2 原始客車(chē)模型碰撞變形分析

LL2位置的行人下肢—車(chē)輛的碰撞時(shí)序圖如圖2所示，腿型在時(shí)間2 ms的時(shí)候開(kāi)始接觸客車(chē)前部蒙皮，隨著腿型進(jìn)一步侵入，客車(chē)的蒙皮不斷受擠壓變形。腿型在9 ms的時(shí)候接觸到橫梁鋼板，小腿的膝關(guān)節(jié)彎曲角度逐漸變大，并在21 ms左右的時(shí)候彎曲角度達(dá)到最大;同樣通過(guò)查看 LL3位置的行人下肢—車(chē)輛的碰撞的時(shí)序圖可知，由于車(chē)型前部造型需要LL3位置處的蒙皮凹陷，腿型在5 ms的時(shí)候開(kāi)始接觸蒙皮，隨著腿型進(jìn)一步侵入，在11 ms的時(shí)候開(kāi)始接觸橫梁，膝關(guān)節(jié)開(kāi)始彎曲，并在23 ms左右的時(shí)候彎曲角度達(dá)到最大。

圖2 LL2位置碰撞時(shí)序圖

2.3 保護(hù)性分析

通過(guò)Hyperwiew后處理功能讀取脛骨加速度曲線、膝部彎曲角度曲線和膝部剪切位移曲線，如圖3中改進(jìn)前部分曲線。在模型LL2位置處，腿型脛骨最大加速度為197g，膝部最大彎曲角度為17.7°，膝部最大剪切位移為5.1 mm;在LL3位置處的脛骨最大加速度為246g，膝部最大彎曲角度為16.2°，膝部最大剪切位移為 4.7 mm。與 GB/T 24550—2009［1］中剛性腿型損傷限值進(jìn)行對(duì)比分析，LL2位置的小腿上端加速度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值，膝部最大動(dòng)態(tài)彎曲角度、膝部最大剪切位移雖未超過(guò)但已接近標(biāo)準(zhǔn)限值;LL3位置的小腿上端加速度遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值，膝部最大彎曲角度雖未超過(guò)但已接近標(biāo)準(zhǔn)限值。出現(xiàn)上述情況的主要原因可能為:LL3位置處的蒙皮到吸能盒及后面縱梁的距離較近，在腿型的侵入過(guò)程中蒙皮的變形范圍相對(duì)有限，腿型能量衰減有限，導(dǎo)致腿型接觸到剛性比較大的縱梁;LL2位置優(yōu)于車(chē)輛前部造型的原因是蒙皮距離橫梁較遠(yuǎn)，碰撞的過(guò)程中蒙皮變形范圍較大，腿型能量衰減效果相對(duì)更有效。

3 輕型客車(chē)前部結(jié)構(gòu)改進(jìn)

行人碰撞保護(hù)設(shè)計(jì)的核心之一是車(chē)輛前部結(jié)構(gòu)吸能空間的布置設(shè)計(jì)［8－9］。該輕型客車(chē)在最初設(shè)計(jì)時(shí)并未將行人保護(hù)納入考慮范圍。為了工藝和裝配的方便，廠家在車(chē)輛蒙皮和橫梁之間未布置任何緩沖結(jié)構(gòu)來(lái)吸收碰撞過(guò)程中的能量以降低對(duì)行人腿部的傷害。該款輕型客車(chē)前部蒙皮離橫梁結(jié)構(gòu)有一定的距離，這為車(chē)輛前部結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了空間基礎(chǔ)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，能夠滿足脛骨加速度峰值和膝部彎曲角度峰值要求的車(chē)輛前部結(jié)構(gòu)一般都能滿足膝部剪切位移峰值的要求［10－11］。在盡可能控制改進(jìn)成本、不改變車(chē)輛設(shè)計(jì)的情況下，在蒙皮和橫梁之間添加可壓潰縮的薄壁吸能板結(jié)構(gòu)來(lái)吸收腿型侵入過(guò)程中的一部分能量以減小下肢損傷。

方案采用鋁合金薄壁吸能結(jié)構(gòu)，后部通過(guò)焊接的方式與水箱下橫梁底部實(shí)現(xiàn)固定。薄壁吸能結(jié)構(gòu)寬度與橫梁一致，寬度為剛性腿型直徑的兩倍。薄壁結(jié)構(gòu)厚度以0.1 mm為等差，從0.5 mm到3 mm進(jìn)行變量分析，對(duì)添加薄壁吸能結(jié)構(gòu)的車(chē)輛模型進(jìn)行仿真分析，得到薄壁吸能結(jié)構(gòu)在0.7 mm厚度時(shí)車(chē)輛對(duì)腿型的保護(hù)為最優(yōu)。

圖3給出了改進(jìn)前后的腿部損傷結(jié)果對(duì)比曲線，改進(jìn)前后峰值結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。在LL2位置，脛骨加速度峰值減小了44.2%，膝部最大彎曲角度減小了53.7%，膝部最大剪切位移減小33.3%;在LL3位置，脛骨加速度峰值減小67.9%，膝部最大彎曲角度減小56.8%，膝部最大剪切位移減小51.1%。

圖3 腿部損傷結(jié)果改進(jìn)前/后對(duì)比曲線圖

表1 改進(jìn)前后峰值結(jié)果對(duì)比

4 柔性腿型對(duì)比分析

LSTC－LFI柔性腿型沖擊器由2個(gè)外覆泡沫的剛性件組成，分別代表大腿和小腿，由可變形的模擬關(guān)節(jié)相連接。沖擊器的總長(zhǎng)應(yīng)是928 mm，試驗(yàn)質(zhì)量13.4 kg。有限元模型是基于歐洲委員會(huì) (EC)No．631/2009中對(duì)行人腿部保護(hù)要求建立的，并通過(guò)了 EC No．631/2009 試驗(yàn)驗(yàn)證要求［12］。該沖擊器有限元模型包含47 409個(gè)節(jié)點(diǎn)，33 664個(gè)實(shí)體單元，2 960個(gè)薄殼單元和2個(gè)梁?jiǎn)卧酥饽Ｐ椭羞€設(shè)置了傳感器和彈簧單元用于測(cè)量腿部傷害值。

采用LSTC－LFI柔性腿型沖擊器與改進(jìn)后的車(chē)輛模型建立行人下肢—車(chē)輛有限元碰撞模型后通過(guò)LS－DYNA求解計(jì)算。圖4給出了柔性腿型在LL2、LL3位置的彎矩和韌帶拉長(zhǎng)量損傷曲線。

圖4 LSTC－LFI柔性腿型仿真結(jié)果

數(shù)據(jù)處理后得到的柔性腿型脛骨最大彎矩和韌帶最大拉長(zhǎng)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 柔性腿型在LL2、LL3位置的損傷數(shù)據(jù)

柔性腿型碰撞單點(diǎn)評(píng)分分為兩部分:小腿的彎矩占0.5分，取4個(gè)彎矩值中最差的一個(gè)進(jìn)行評(píng)價(jià)，基于高、低性能限值通過(guò)線性差值法來(lái)計(jì)算得分;膝部韌帶的拉長(zhǎng)量占0.5分，在ACL、PCL低于限值的前提下，基于MCL高、低性能限值通過(guò)線性差值法計(jì)算得出。所有碰撞點(diǎn)總分和除以碰撞點(diǎn)數(shù)量計(jì)算出得分百分比。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，腿型試驗(yàn)區(qū)域最高得分為3分，最低得分為0分。柔性腿型試驗(yàn)需分別對(duì)車(chē)輛前部左、中、右3處位置進(jìn)行考核，因此上面計(jì)算得出的百分比乘以3，即為該腿型試驗(yàn)最終得分［13］。柔性腿型脛骨彎矩?fù)p傷限值為340～282 N·m，對(duì)應(yīng)得分為0～0.5;膝部韌帶中內(nèi)側(cè)韌帶(MCL)損傷限值為22～19 mm，對(duì)應(yīng)得分為 0～0.5;前、后韌帶(ACL、PCL)損傷限值為10 mm，若拉長(zhǎng)量超過(guò)10 mm，該部分得分為0。

根據(jù)計(jì)分規(guī)則計(jì)算發(fā)現(xiàn)，LL2和LL3位置的吸能效果不滿足柔性腿型某些指標(biāo)的要求，說(shuō)明相較于剛性腿型，柔性腿型對(duì)車(chē)輛前部結(jié)構(gòu)的要求更為嚴(yán)格。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)CAE分析可知，該輕型客車(chē)不符合法規(guī)GB/T 24550—2009［1］對(duì)行人保護(hù)的要求;通過(guò)在車(chē)輛前端添加鋁合金薄壁吸能結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以改善該輕型客車(chē)前部吸能特性，能夠有效地提高該輕型客車(chē)的行人保護(hù)性能。基于改進(jìn)的客車(chē)模型，再采用柔性腿型模型進(jìn)行仿真，對(duì)比分析了柔性腿型和剛性腿型性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和對(duì)車(chē)輛前部吸能結(jié)構(gòu)要求的異同。