基于行人保護(hù)試驗的前保險杠設(shè)計優(yōu)化

朱云娟 傅加榮 錢志峰 彭佳

（長安馬自達(dá)汽車有限公司）

在汽車安全研究領(lǐng)域中，車輛行人保護(hù)安全性能是非常重要的組成部分，其中行人小腿碰撞是車輛行人保護(hù)安全性能開發(fā)的重要內(nèi)容之一。車輛前保險杠系統(tǒng)的造型、結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響行人保護(hù)小腿碰撞安全性能。歐盟新車評價規(guī)程（E-NCAP）在2014 年將行人保護(hù)安全評價中使用的TRL 剛性腿型正式替換為Flex-PLI 柔性腿型，并且柔性腿型的傷害指標(biāo)及評價方法有很大更新。中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）發(fā)布的2018 版C-NCAP 方案整體概要中，加入了行人保護(hù)評價內(nèi)容，其中行人保護(hù)下腿型碰撞試驗評價采用Flex-PLI 柔性腿型。文章介紹了通過柔性腿型評價前保險杠設(shè)計的行人保護(hù)安全性能，及通過對碰撞模型的分析，實現(xiàn)前保險杠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

1 行人保護(hù)柔性腿評價方法

1.1 行人柔性腿型碰撞試驗方法

在保險杠2 個角點(diǎn)之間的區(qū)域和緩沖梁、橫梁等結(jié)構(gòu)部件的最外邊緣之間的區(qū)域中，取2 個區(qū)域中較大的區(qū)域作為腿型試驗區(qū)域[1]；由中點(diǎn)或中點(diǎn)左側(cè)第1 個點(diǎn)開始，選擇汽車單側(cè)的所有間隔點(diǎn)作為試驗點(diǎn)開展試驗；腿型沖擊器按要求位置擺放后，以40 km/h 的相對速度沖擊汽車前端。

1.2 柔性腿型碰撞傷害評價指標(biāo)

柔性腿型評價指標(biāo)分為韌帶伸長量和脛骨彎矩：韌帶伸長量包括前十字韌帶伸長量（ACL）、后十字韌帶伸長量（PCL）、內(nèi)側(cè)副韌帶伸長量（MCL）。脛骨彎矩包括脛骨上部彎矩（T1）、脛骨中上部彎矩（T2）、脛骨中下部彎矩（T3）、脛骨下部彎矩（T4）。柔性腿型上的傳感器分布，如圖1 所示。

圖1 行人保護(hù)試驗柔性腿型傳感器分布

2 碰撞模型的建立

行人保護(hù)腿型試驗區(qū)域主要為汽車的前端保險杠系統(tǒng)，為了更詳細(xì)地描述保險杠的結(jié)構(gòu)特征，保險杠部分的網(wǎng)格尺寸采用5 mm。腿型的初始撞擊速度為40 km/h，撞擊方向為整車坐標(biāo)的X 正向[2]。腿型與保險杠蒙皮的接觸采用面-面接觸，且摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2。文中的車型防撞梁Y 向?qū)挾确秶鸀?598～598 mm，保險杠兩側(cè)角點(diǎn)對應(yīng)的Y 向?qū)挾葹?500～500 mm。剛性腿型測試區(qū)域為保險杠兩側(cè)角點(diǎn)Y 向位置，測試點(diǎn)為-434～434 mm。柔性腿測試區(qū)域為保險杠角與防撞梁最外側(cè)中較大的區(qū)域，測試點(diǎn)為-556～556 mm。表1 示出某車型柔性腿型撞擊結(jié)果。

表1 某車型柔性腿型撞擊結(jié)果

根據(jù)表1 總結(jié)得出，各區(qū)域的實際改善思路為：

1）Y0～Y200區(qū)域，減小前保險杠小腿支撐骨架到腿型下邊界高度，吸能塊區(qū)域在最大侵入狀態(tài)，彈簧的壓縮量增大，前保險杠小腿支撐骨架壓縮量增大。

2）Y200～Y500區(qū)域，減小前保險杠小腿支撐骨架到腿型下邊界高度，吸能塊區(qū)域在最大侵入狀態(tài)，彈簧的壓縮量增大，前保險杠小腿支撐骨架壓縮量增大，膝關(guān)節(jié)彎曲角度在碰撞點(diǎn)向汽車保險杠兩側(cè)的位移呈逐漸增大趨勢，與柔性腿型的計算結(jié)果趨勢一致。這是因為越趨近保險杠兩側(cè)，保險杠的弧度越大，在腿型撞擊時更容易造成腿型的翻轉(zhuǎn)和彎曲，故保險杠兩側(cè)的膝關(guān)節(jié)傷害指標(biāo)不理想。

3 前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

最優(yōu)的汽車前端結(jié)構(gòu)應(yīng)使MCL，ACL，T 的數(shù)值最小，能在給定的約束范圍內(nèi)對這3 個評價函數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，從而求得最優(yōu)的參數(shù)組合[3]，使汽車前端結(jié)構(gòu)獲得最優(yōu)的行人保護(hù)性能。該優(yōu)化問題可以描述為：

目標(biāo)函數(shù)：min{MCL ACL T}；

約束條件：680＜H1＜850，150＜H3＜285，20＜H4＜90，60＜L＜160。

優(yōu)化計算得出一組優(yōu)化結(jié)果，如表2 所示。

表2 汽車前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計參數(shù) mm

根據(jù)最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，經(jīng)汽車前端有限元模型優(yōu)化后的仿真計算，得出膝部韌帶拉長量和脛骨彎矩響應(yīng)曲線，如圖2 和圖3 所示。由圖2 和圖3 可以看出，各傷害值均滿足Euro-NCAP 高性能指標(biāo)。

圖2 膝部韌帶拉長量響應(yīng)曲線

圖3 脛骨彎矩響應(yīng)曲線

圖4 示出某車型碰撞動畫。從圖4 中可以看出，隨著FLEX-PLI 與汽車前端接觸，MCL 隨著腿型運(yùn)動姿態(tài)的變化呈增加趨勢并在0.03 s 達(dá)到峰值，此時FLEX-PLI 腿型運(yùn)動姿態(tài)彎曲度最大；FLEX-PLI 腿型下端與汽車先接觸，腿型上端無接觸，在膝蓋關(guān)節(jié)處形成剪切力，所以在0.008 s 左右PCL 和ACL 形成峰值；對于脛骨而言，F(xiàn)LEX-PLI 腿型下端先與下支撐接觸，后與發(fā)動機(jī)罩前緣接觸，使得脛骨彎矩達(dá)到2 次峰值，隨后在反彈過程中隨著腿型擺動引起了脛骨彎矩的第3 峰值和第4 峰值，并逐漸衰減。

圖4 某車型碰撞FLEX-PLI 腿型變化動畫

4 結(jié)論

文章簡要介紹了剛性腿型和柔性腿型在結(jié)構(gòu)、傷害指標(biāo)、法規(guī)閥值等方面的差異，分別建立了行人保護(hù)剛性腿型與柔性腿型的有限元碰撞模型，最后針對柔性腿型的分析結(jié)果，對車型的脛骨彎矩指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化和驗證，得出：

1）柔性腿型作為新型的碰撞沖擊器，具有比剛性腿型較為全面的評分體系，能更好地反映真實的傷害過程。

2）保險杠小腿梁支撐結(jié)構(gòu)的剛度與柔性腿型傷害指標(biāo)有直接的關(guān)系。分析和優(yōu)化結(jié)果顯示，隨著小腿梁支撐剛度的減小，脛骨彎矩指標(biāo)也隨之減小。在類似新車型的保險杠開發(fā)中，合理降低小腿梁支撐結(jié)構(gòu)的剛性，可以更好地達(dá)到法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。以上方法為改進(jìn)行人保護(hù)柔性腿型碰撞的車輛前保險杠結(jié)構(gòu)提供了參考，也啟發(fā)了對前保險杠結(jié)構(gòu)布置尺寸與柔性腿型碰撞傷害指標(biāo)的量化關(guān)系的進(jìn)一步研究。