基于行人腿部保護(hù)的商用車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化分析

尚雯雯 鄭松林 劉斌 黃晨暉 漆露霖

（1.上海理工大學(xué)；2.上海汽車集團(tuán)商用車技術(shù)中心）

1 前言

根據(jù)歐洲車輛安全委員會(huì)EEVC（European Enhanced Vehicle Committee）對(duì)行人傷害事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，在行人與車輛的碰撞過(guò)程中，頭部傷害和腿部傷害所占比例分別為31.3%和32.4%[1]，是行人保護(hù)研究的兩個(gè)主要方向，而其中腿部傷害是最常見的行人傷害類型。

隨著行人保護(hù)技術(shù)的進(jìn)步，一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如EuroNCAP、ENCAP、ANCAP、JNCAP、Directive 2003/102/EC 和 GTR（Global Technical Regulation）等陸續(xù)出臺(tái)。2009年10月，我國(guó)發(fā)布了推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24550—2009《汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)》，該標(biāo)準(zhǔn)基本執(zhí)行GTR9《關(guān)于機(jī)動(dòng)車碰撞時(shí)對(duì)行人及弱勢(shì)道路使用者加強(qiáng)保護(hù)和減輕嚴(yán)重傷害的認(rèn)證統(tǒng)一規(guī)定》的試驗(yàn)規(guī)定，只是降低了幾個(gè)要求較高的傷害指標(biāo)，因此本文應(yīng)用GTR法規(guī)進(jìn)行研究。

2 行人保護(hù)安全法規(guī)及試驗(yàn)簡(jiǎn)介

小腿加速度、膝部彎曲角度和膝部剪切位移是評(píng)價(jià)小腿傷害的3項(xiàng)重要指標(biāo)，前述主要行人保護(hù)法規(guī)對(duì)這3項(xiàng)指標(biāo)的要求對(duì)比如表1所列?？紤]模擬分析與實(shí)際試驗(yàn)的誤差，本文按照法規(guī)要求指標(biāo)值的 80%進(jìn)行分析[1，2]。

表1 各行人保護(hù)法規(guī)中腿部傷害指標(biāo)對(duì)比

GTR法規(guī)定義的腿部碰撞區(qū)域以保險(xiǎn)杠角為橫向邊界，由保險(xiǎn)杠上部基準(zhǔn)線UBRL（Upper bumper reference line）、 下部基準(zhǔn)線 LBRL（Lower bumper reference line） 和保險(xiǎn)杠角 CB （Corner of bumper）圍成[3]，如圖 1所示，碰撞點(diǎn)間距 132 mm以上并且碰撞點(diǎn)至少在保險(xiǎn)杠角以內(nèi)66 mm。本文選取商用車對(duì)行人腿部傷害最嚴(yán)重位置即Y=0截面處的碰撞點(diǎn)進(jìn)行研究。

用于試驗(yàn)的腿部沖擊器由兩個(gè)外覆泡沫的剛性部件組成，分別代表人體的大腿和小腿，由可變形的膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)連接。腿部沖擊器總長(zhǎng)為926 mm，質(zhì)量為13.4 kg，大腿和小腿的直徑為70 mm，外覆泡沫肌肉和皮膚，泡沫肌肉由厚度為25 mm的CF－45型泡沫或等效物組成，皮膚由氯丁橡膠泡沫制成，兩面覆蓋厚度為0.5 mm的尼龍布，總厚度為6 mm。大腿和小腿的質(zhì)心分別在膝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)以上217mm處和膝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)以下233 mm處。在小腿的非撞擊側(cè)安裝了一個(gè)單向加速度傳感器，位置在膝關(guān)節(jié)中心以下66 mm處，其測(cè)量軸沿撞擊方向。腿部沖擊器后表面的任一點(diǎn)上或內(nèi)部安裝了與剪切位移系統(tǒng)相連的阻尼器。膝關(guān)節(jié)處安裝了測(cè)量膝部彎曲角和膝部剪切位移的傳感器。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)模型建立

3.1 腿部模型

按照?qǐng)D2中GTR對(duì)腿部沖擊器的要求，采用LSTC公司基于歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)行人保護(hù)法規(guī)ECNo.631/2009開發(fā)的小腿模型，其共包含47409個(gè)節(jié)點(diǎn)，由33 664個(gè)實(shí)體單元、2 960個(gè)薄殼單元和2個(gè)梁?jiǎn)卧M成，共29個(gè)部件。模型包括橡膠表皮、大腿泡沫、小腿泡沫、大腿、小腿、膝關(guān)節(jié)、加速度傳感器和阻尼器8部分。大腿和小腿兩部分由模擬韌帶連接，大腿和小腿外表包裹泡沫和橡膠層以模擬皮膚。其中腿部管狀實(shí)體與泡沫層內(nèi)表層、橡膠皮膚與泡沫外表層共用節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

3.2 整車前部模型

按照GTR法規(guī)中對(duì)切割車身的要求建立整車前部結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示，包括前保險(xiǎn)杠、前格柵、發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣和燈具等所有可能參與碰撞的部件。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間和提高計(jì)算精度，對(duì)主要碰撞區(qū)域采用網(wǎng)格尺寸為10 mm的有限元模型，其中發(fā)生碰撞接觸的蒙皮網(wǎng)格尺寸為8 mm，變形較大的前格柵采用5 mm網(wǎng)格，其他部分網(wǎng)格尺寸為10～15 mm。前保險(xiǎn)杠蒙皮選用分段線性塑性材料，泡沫材料為PU30，與實(shí)車狀態(tài)一致。撞擊點(diǎn)處泡沫X向厚度為60 mm，進(jìn)氣口下緣表面離地Z向高度為617 mm，保險(xiǎn)杠蒙皮殼單元厚度為3.5 mm，其中在Y=0處的截面形狀如圖5所示。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在試驗(yàn)中汽車后部基本保持靜止，故約束模型后部6個(gè)自由度。小腿撞擊器的初始速度為40 km/h，撞擊方向沿X軸正向。

4 試驗(yàn)參數(shù)靈敏度優(yōu)化分析

4.1 試驗(yàn)控制參數(shù)及水平確定

通過(guò)對(duì)原始模型仿真結(jié)果中各零部件的吸能比例與受力分析可知，在碰撞區(qū)域內(nèi)Y=0處的撞擊點(diǎn)位置，影響小腿碰撞結(jié)果的主要部件為前保險(xiǎn)杠總成、前格柵總成和吸能泡沫總成，可將其幾何尺寸和材料作為主要設(shè)計(jì)參數(shù)。由于本文中車輛前段造型和布置空間已確定，可作為變量的參數(shù)有保險(xiǎn)杠進(jìn)氣口下緣Z向離地高度A、保險(xiǎn)杠蒙皮厚度B、泡沫材料剛度C與保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)形式（加強(qiáng)筋）D。運(yùn)用正交試驗(yàn)方法，將以上4個(gè)參數(shù)作為本次試驗(yàn)的控制因子，如圖6所示。

本文重點(diǎn)分析各控制因素對(duì)碰撞試驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)靈敏度，暫不考慮各因素的交互作用。將每個(gè)變量的變化范圍設(shè)為初始值的85%～115%，制定的優(yōu)化變量控制因素及水平如表2所示。對(duì)于上述4因素3水平試驗(yàn)，以不考慮交互作用的L9（34）列表[4]為例進(jìn)行正交分析，僅進(jìn)行9次試驗(yàn)即可反映出全部組合81次試驗(yàn)的整體趨勢(shì)。

表2 設(shè)計(jì)變量控制因素水平表

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)L9正交列表中的控制因子和水平，對(duì)有限元分析模型的因子進(jìn)行9次組合，在GTR法規(guī)要求的碰撞條件下將有限元模型導(dǎo)入LS－DYNA進(jìn)行模擬計(jì)算，得到的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及3項(xiàng)傷害指標(biāo)的輸出響應(yīng)如表3所列。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及輸出響應(yīng)結(jié)果

分析表3中響應(yīng)結(jié)果可知：

a. 組合3中，小腿雖有剛度較大的D3筋結(jié)構(gòu)支撐，使膝部彎曲角度最小，但由于A1使保險(xiǎn)杠進(jìn)氣口下緣離地高度較低，B3、C3、D3組合使得下部結(jié)構(gòu)剛度過(guò)于集中，加速度響應(yīng)值過(guò)大。

b. 組合5與組合9情況類似，B、C因子的水平取值使中部剛度較大，但因D1未布置筋結(jié)構(gòu)，小腿上部無(wú)法提供支撐，得到的結(jié)果較差。

c. 組合8中，A3使保險(xiǎn)杠進(jìn)氣口提供的彎矩最大，D3增加的筋結(jié)構(gòu)使上、下剛度平衡，而B2、C1又使中部剛度較小，可以較好的吸收碰撞能量，因此該組合得到的3項(xiàng)傷害值最小，可為選取最優(yōu)方案設(shè)計(jì)提供參考。

對(duì)3個(gè)輸出響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行靈敏度分析如圖7所示。

對(duì)圖7中靈敏度分析結(jié)果進(jìn)行比較可知：

a. 小腿加速度響應(yīng)同時(shí)受4個(gè)控制因素的影響。其中，保險(xiǎn)杠蒙皮厚度和泡沫材料剛度的影響表現(xiàn)為正相關(guān)，即保險(xiǎn)杠材料越厚，泡沫剛度越大，碰撞時(shí)產(chǎn)生的小腿加速度值越大。

b.影響膝部剪切位移的主要因素是泡沫材料剛度和保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)形式。其中，保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)形式的影響表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，剛度較小的泡沫材料和較薄的蒙皮結(jié)構(gòu)組合形式有利于減小膝部剪切位移。

c. 膝部彎曲角度響應(yīng)主要受保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)形式的影響，其他3個(gè)因素對(duì)該響應(yīng)的靈敏度較低，影響不顯著。剛度分配均勻的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)形式有利于減小膝部彎曲角度，但局部剛度過(guò)大會(huì)造成加速度過(guò)大（如因素D3對(duì)應(yīng)的加速度值）。

d. 進(jìn)氣口下緣Z向高度決定小腿與保險(xiǎn)杠碰撞點(diǎn)位置，從而影響小腿緩沖彎矩的大小。由于商用車前部結(jié)構(gòu)與普通轎車不同，無(wú)法增加副保險(xiǎn)杠以支撐小腿下部，因此可適當(dāng)降低保險(xiǎn)杠安裝高度來(lái)降低膝部彎曲角度和剪切位移，但高度過(guò)低也會(huì)因局部剛度過(guò)大而增加傷害程度。

e. 泡沫材料對(duì)各傷害指標(biāo)的影響主要受剛度限制，在一定范圍內(nèi)，剛度較小的泡沫材料可通過(guò)大變形吸收更多能量，從而降低對(duì)小腿的傷害程度。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型商用車與行人小腿碰撞過(guò)程、主要控制參數(shù)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及靈敏度分析，找出了影響保險(xiǎn)杠系統(tǒng)小腿保護(hù)性能的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。其中保險(xiǎn)杠進(jìn)氣口高度、泡沫材料剛度和合理的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)形式是商用車行人保護(hù)性能需要重點(diǎn)考慮的設(shè)計(jì)因素。

本研究為商用車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期考慮行人碰撞安全性提供了理論設(shè)計(jì)依據(jù)，有關(guān)試驗(yàn)的穩(wěn)健性及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法還有待于進(jìn)一步研究。

1 Kathleen DeSantis Klinich，Lawrence Schneider.Biomechanics of pedestrian injuries related to lower extremity injury assessment tools:A Review of the Literature and Analysis of pedestrian crash database.Alliance for Automobile Manufacturers.September，2003.

2 GTR9（Global Technical Regulation of Pedestrian Protection）.2008.

3 孫金霞.基于行人保護(hù)的金屬吸能塊副保險(xiǎn)杠系統(tǒng)正交優(yōu)化分析.INFATS Proceedings of the 9th International Forum of Automotive Traffic Safety.2011－12.

4 GB/T 24550－2009.汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù).

5 劉瑞江.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法研究.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，9（27）：52～55.