滿足兩種行人下肢沖擊器碰撞要求的車型開發(fā)

王迎++陳如意++王菊++張鈺++禹慧麗++崔泰松++趙會

摘 要：目前，不同的行人保護法規(guī)中均要求使用下肢碰撞柔性小腿（Flex-PLI）或剛性小腿（TRL-LFI）。在開發(fā)長安某海外出口車型時，為同時滿足兩種腿型碰撞要求，在分析兩種碰撞腿型評價指標差異的基礎上，設計出了腿部塑料吸能結構。通過不同開孔結構的改進分析，研究了腿部上下支撐剛度變化對兩種腿型各項評價指標的影響，為開發(fā)同時滿足兩種腿型碰撞的車型提供了參考。

關鍵詞：行人保護；下肢沖擊器；吸能結構；支撐剛度

中圖分類號：U461.91文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.01.11

Abstract：Currently， all the pedestrian protection regulations require the use of fexible or rigid pedestrian legform impactors （PLIs）. A Chang'an export vehicle was developed to simultaneously meet the requirements with two types of PLIs. A plastic structure on the impactor for absorbing energy was designed after analyzing the discrepancy between two legform evaluation indexes. By modifying and improving the holes in the impactor， the influence of rigidity of both upper and lower legform braces on the evaluation indexes was researched. The results provide some reference for the vehicle development which needs to meet the two types of legform impactors simultaneously.

Keywords：pedestrian protection； legform impactor； absorbing energy structure； brace rigidity

行人是道路交通參與者中的弱勢群體，事故發(fā)生率極高。尤其在發(fā)生行人與車輛碰撞事故時，下肢是第一碰撞位置，受傷最為嚴重，極易導致腿部的長期殘疾[1-2]。參考美國、日本、歐洲和澳大利亞的統(tǒng)計數據，在人車碰撞時行人下肢受傷幾率高達52%[3]，因此如何減小下肢體傷害成為行人保護領域內的重要課題。

目前，國際上采用的行人保護法規(guī)和標準主要有歐盟EC 78/2009法規(guī)[4]、全球技術法規(guī)

GTR 9[5]、聯(lián)合國歐洲經濟委員會UNECE R127法規(guī)[6]、歐洲新車評價規(guī)程 Euro NCAP[7]。我國于2009年10月發(fā)布了GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護》[8]。但各法規(guī)對于下肢體碰撞的評價方法和內容并不相同，具體情況見表1。

由表1可知，Euro NCAP和UNECE R127法規(guī)下肢體碰撞已經采用柔性小腿（Flex-PLI），如圖1a所示；而EC 78/2009、GTR 9和GB/T 24550—2009仍然采用剛性小腿（TRL-LFI），如圖1b所示。

由于TRL-LFI腿型模擬大腿長骨和小腿長骨的兩根金屬圓管都是剛性的，無法模擬腿骨的斷裂，與人體腿部的生理特征有一定區(qū)別，而且未得到生物醫(yī)學方面的認可，仿真性存有爭議。Flex-PLI由18個碰撞節(jié)組成，更貼切地模擬人體腿骨的斷裂和小腿的彎曲變形，但其試驗重復性差，沖擊器模型還需要改進，同時Flex-PLI的醫(yī)學生物仿真性能和事故數據的對比也還需要進一步研究[9-10]。因此Flex-PLI腿型要完全取代TRL-LFI腿型將是一個非常漫長的過程，目前TRL-LFI腿型仍然被廣泛應用。在行人保護法規(guī)兩種腿型并存的情況下，如何開發(fā)出同時滿足兩種腿型的車型，尤其是海外出口的車型，便成為一個具有現實意義的研究課題。

本文針對長安某海外出口的SUV車型，為滿足GTR 9和UNECE R127法規(guī)的規(guī)定，對該車型進行行人保護下肢體碰撞性能的開發(fā)。

1 下肢碰撞法規(guī)試驗要求

1.1 試驗條件

根據兩個法規(guī)的規(guī)定，沖擊試驗中，兩種腿型的沖擊速度都為11.1±0.2 m/s，沖擊方向在車輛縱向垂直平面內，相對于水平平面和垂直平面的偏差均為±2°，沖擊位置的誤差為±10 mm。不同的是腿型第一接觸時刻，剛性小腿的底部距離地面基準平面為25 mm，而柔性小腿為75 mm。

1.2 評價要求分析

對比兩種腿型的評價要求，最大的不同在于剛性小腿評價項加速度反映的是腿部受力大小，而柔性小腿評價項腿部彎矩反映的是腿部受到的力矩大小，可見考查的內容并不相同。為了滿足法規(guī)要求，減小腿部受力，需要通過腿部吸能件來吸收腿部碰撞能量。而為了減小力矩，則需要弱化腿部吸能件的剛度以平衡柔性小腿上中下三部分的支撐剛度。但在行人保護腿型碰撞分析改進時，外造型已經確定，涉及外造型的前保險杠、格柵、發(fā)動機罩等結構不易更改，最易行的方法是設計出即滿足腿部加速度要求，又可以平衡腿部上中下支撐剛度的前防撞橫梁吸能結構。

現在許多車型采用在汽車前防撞橫梁和前保險杠蒙皮之間裝置泡沫吸能件吸收碰撞能量，但由于泡沫壓縮程度有限，無法充分利用吸能空間，吸能效率很低，而塑料吸能件不但整體吸能效果高于泡沫，而且在相同吸能條件下，塑料件更能有效降低小腿彎曲角和韌帶拉伸量[11]。因此本文通過塑料吸能件的設計和改進達到使車型滿足兩種下肢體碰撞要求的開發(fā)目標。

2 碰撞模型建立

由于整車模型計算時間非常長，且行人保護腿部碰撞只有車體前部結構發(fā)生變形，對車體后部影響非常小，因此分析模型截取整車前部有限元模型，包括發(fā)動機艙部件、前罩板總成、保險杠總成、翼子板總成、大燈總成、霧燈總成、雨刮總成、風擋玻璃、前罩裝飾件、前防撞橫梁、縱梁等。分析模型采用8 mm的網格尺寸建模，對于腿部碰撞變形較大的前保險杠和吸能件采用為5 mm的網格尺寸。分析模型如圖2所示。

在車體后端截面處添加六個方向自由度的約束。腿沖擊方向為在車輛縱向垂直平面內沿著x的正方向，沖擊速度為11.1±0.2 m/s。為腿部與車體模型前部部件添加*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接觸約束，靜、動摩擦系數設置為0.3。柔性小腿有限元模型為首美公司開發(fā)的V2.0.2版本，沖擊時與地面距離為75 mm。剛性小腿為Arup公司設計的有限元模型，沖擊時與地面距離為25 mm。

3 初始方案碰撞分析

3.1 初始方案

初始方案的腿部塑料吸能結構由上、前、下三

個吸能面組成，其縱向截面為等腰梯形，厚度為

2.5 mm，分析采用MAT_24材料模型，密度為1.2 g/cm3，

彈性模量為1.87 GPa，泊松比0.4，如圖3所示。

3.2 CAE仿真結果及分析

以車體中間位置Y=0 mm的碰撞點為例進行分析和改進。其柔性小腿和剛性小腿的分析結果見表2。

由表2數據與GTR9和UNECE R127法規(guī)評價要求對比可知，柔性小腿最大彎矩、韌帶拉伸量MCL、ACL三項指標超標；剛性小腿彎曲角超標。通過結合如圖4所示的動畫截圖分析發(fā)現，該車型主要問題在于腿部塑料吸能件在碰撞過程中沒有充分壓潰，在X向留有較大的剩余空間，使得在碰撞過程中后期，腿型中部受到較強的支撐，而腿型上、下兩部分分別受到上、下格柵的支撐相對較弱，腿型上下兩端會繼續(xù)向前運動，從而導致腿型彎曲程度增大，使柔性小腿韌帶拉伸量和剛性小腿的彎曲角超標。

4 改進方案碰撞分析

4.1 改進方案

通過對初始方案的分析，改進方案的設計思路主要是要解決腿部塑料吸能件未充分壓潰的問題，以減小對小腿中部的支撐?？紤]到CAE仿真分析和試驗之間的誤差，改進分析的目標值設定為法規(guī)評價值的80%。

腿部塑料吸能件設計有三種開孔弱化結構形式。圖5a方案一為在上下吸能面對稱開孔結構，孔寬為20 mm，孔間距為20 mm。圖5b方案二為上下吸能面非對稱開孔結構，上吸能面孔寬為30 mm，孔間距為10 mm，下吸能面孔寬為10 mm，孔間距為30 mm。圖5c方案三與方案二開孔結構正好

相反。

通過這三種腿部塑料吸能件的開孔弱化結構，在減小小腿中部支撐剛度的基礎上，進一步深入研究上下吸能面不同支撐剛度對腿部碰撞性能的影響，為后期試驗對標和改進提供參考依據。

4.2 CAE仿真結果及分析

三種結構的仿真分析結果見表3。

由表3可知，方案一所有的分析結果都滿足改進目標值。方案二與方案一相比，增加了對腿型下部的支撐剛度，使柔性小腿的韌帶拉伸量和剛性小腿的彎曲角都有顯著的減小，但卻增大了剛性小腿的加速度值。方案三與方案一相比，增加了對腿型上部的支撐剛度，但兩種腿型的分析結果都略有增加，改進效果并不明顯。綜合來看，方案一為最適宜方案，而方案二可以作為單獨開發(fā)柔性小腿車型的方案。

由圖6、圖7與圖4進一步對比分析可知，改進方案的吸能結構變形非常徹底，已經基本完全壓潰，充分利用了所有的吸能空間，使整個腿部在碰撞中的彎曲程度得到了較大改善?？梢娝芰衔芗赬向的壓潰程度是開發(fā)過程中的關鍵影響因素。

對于該車型其余碰撞位置，由于腿部上、中、下三部分的支撐剛度與車體中間位置Y=0 mm相似，因此，改進方案同樣適用。

綜上所述，通過腿部塑料吸能件的開孔弱化結構，可以同時達到剛性小腿和柔性小腿碰撞的開發(fā)要求。這為開發(fā)滿足兩種腿型碰撞的車型，尤其是海外出口車型提供了參考，具有重要的現實意義。

5 結論

本文為達到GTR9剛性小腿碰撞和UNECE R127柔性小腿碰撞法規(guī)的規(guī)定，通過對腿部塑料吸能件結構的分析改進，可以得出以下結論：

（1）通過對塑料吸能結構的改進設計，同時達到了兩種腿型碰撞的開發(fā)目標，驗證了設計出既滿足腿部加速度要求，又可以平衡腿部上中下支撐剛度的前防撞橫梁吸能結構是可行的。

（2） 適當增大塑料吸能結構X向的壓潰程度，可以改善腿部的運動姿態(tài)，提高吸能結構的吸能效率，既可以減小剛性小腿的加速度和彎曲角，又可以減小柔性小腿的彎矩和韌帶的拉伸量。

（3）增大小腿下部支撐剛度，能防止小腿向車底移動，有利于減小柔性小腿韌帶拉伸量和剛性小腿的彎曲角，但需避免對剛性小腿脛骨加速度造成惡劣影響。

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