基于行人保護(hù)FLEXPLI腿型的車輛前結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

韓海英++趙正++譚冰花++李博

摘要： 歐盟新車評價規(guī)程Euro NCAP中的TRL腿型驗算即將被FLEXPLI腿型驗算替代，所以針對前者開發(fā)的某款車型在使用新標(biāo)準(zhǔn)驗算時不能得到滿分。運用計算機(jī)仿真對該車型前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)：去除前保險杠吸能泡沫；重新設(shè)計W形結(jié)構(gòu)的下腿部保護(hù)橫梁，在碰撞點對應(yīng)位置增加與FLEXPLI腿型寬度相同的加強(qiáng)筋，加大下腿部保護(hù)橫梁與前保橫梁的距離；改進(jìn)導(dǎo)風(fēng)板局部結(jié)構(gòu)。對改進(jìn)后前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行FLEXPLI腿型驗算，達(dá)到得分為滿分的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 汽車安全； 汽車前端結(jié)構(gòu)； 行人保護(hù)； FLEXPLI腿型

中圖分類號： U463.821文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Vehicle front structure improvement and analysis based on

FLEXPLI legform for pedestrian protection

HAN Haiying， ZHAO Zheng， TAN Binghua， LI Bo

（Advanced Engineering & Core Technology Institute， Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241009， Anhui， China）

Abstract： The TRL legform checking calculation in Euro NCAP will be replaced by FLEXPLI legform checking calculation ， so a vehicle type which is designed on the basis of TRL legform will fail to achieve full marks when the new standard checking calculation is pushed out. The front structures of this vehicle are improved by computer simulation. The absorbing energy foam in front bumper is removed. The Wshape pedestrian cruris protection bumper is redesigned： the reinforcing ribs are added corresponding to the impact points and its width is equal to the legform width in FLEXPLI， the distance between cruris protection bumper and front bumper is increased， and the local structures of air deflector is improved. The FLEXPLI legform checking calculation is carried out for the original and improved front structures， and the goal of full marks can be achieved.

Key words： vehicle safety； vehicle front structure； pedestrian protection； FLEXPLI legform

收稿日期： 2017[KG*9〗02[KG*9〗10修回日期： 2017[KG*9〗03[KG*9〗29

作者簡介： 韓海英（1986—），女，安徽蕪湖人，工程師，研究方向為汽車行人保護(hù)，（Email）hanhaiying@163.com0引言

汽車安全性是汽車設(shè)計的重要課題之一，在汽車安全設(shè)計中，行人保護(hù)越來越受到重視。歐盟新車評價規(guī)程Euro NCAP早已將行人保護(hù)作為評價內(nèi)容之一，而且所占比例越來越高。[12]中國新車評價規(guī)程CNCAP計劃于2018年加入行人保護(hù)評價，且五星門檻高達(dá)65%，對行人保護(hù)設(shè)計能力提出更高的要求。[3]Euro NCAP從7.0版本開始將行人下腿部評價更新為FLEXPLI腿型。[45]與原來的TRL腿型相比，F(xiàn)LEXPLI腿型的傷害指標(biāo)和評價方法有很大變化，對車輛前端結(jié)構(gòu)的要求也發(fā)生一定變化，給新車型的開發(fā)提出新的挑戰(zhàn)。[6]

影響行人下腿部保護(hù)的車輛前端結(jié)構(gòu)主要有前保險杠橫梁及其吸能裝置、下腿部保護(hù)橫梁、發(fā)動機(jī)罩前緣、前保險杠蒙皮、前大燈等。由于車輛造型的限制，前保險杠蒙皮、前大燈和發(fā)動機(jī)罩前緣改動量較小[7]，前保險杠橫梁及其吸能裝置和下腿部保護(hù)橫梁對下腿部起主要影響作用。由于傷害指標(biāo)及評價方法的更新，F(xiàn)LEXPLI腿型與TRL腿型對于前端結(jié)構(gòu)的要求不盡相同。[8]本文針對某開發(fā)車型，基于Euro NCAP行人下腿部碰撞要求，對其前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)果達(dá)到Euro NCAP FLEXPLI腿型評分為滿分。

1Euro NCAP行人下腿部評價規(guī)程

在Euro NCAP中，TRL腿型傷害指標(biāo)為脛骨加速度、彎曲角度和剪切位移，F(xiàn)LEXPLI腿型傷害指標(biāo)分為韌帶伸長量和脛骨彎矩2類，具體傷害指標(biāo)及性能值見表1。[9]

Euro NCAP TRL腿型評價規(guī)定在前保險杠上選擇最能引起傷害的3個碰撞點，每個碰撞點按照傷害指標(biāo)中最差項算分，滿分為2分，介于高低性能值之間時采用線性插值計算得分，3個碰撞點得分相加即為TRL腿型評價的最終得分。

Euro NCAP FLEXPLI腿型評價規(guī)定每個碰撞點的得分由脛骨彎矩和韌帶伸長量組成，2項滿分均為0.5分，其中：脛骨彎矩按照T1～T4中最差項結(jié)果進(jìn)行評價；韌帶伸長量中的ACL和PCL小于10 mm可得分，大于10 mm不得分，MCL與脛骨彎矩評分方法相同。將碰撞區(qū)域內(nèi)每個碰撞點的得分相加除以碰撞點的個數(shù)，可得到FLEXPLI腿型評價的最大得分率，最大得分率乘以6即為FLEXPLI腿型評價的最終得分。[10]endprint

2初步分析

2.1模型建立

截取車輛前端結(jié)構(gòu)模型，見圖1。車輛前端結(jié)構(gòu)采用5 mm×5 mm的網(wǎng)格尺寸劃分網(wǎng)格，約束后端6個自由度，下腿部保護(hù)橫梁采用塑料件，前保橫梁吸能泡沫密度為30 g/L。FLEXPLI腿型分析采用HUMANETICS公司開發(fā)的FLEXPLI GTR有限元腿型，其網(wǎng)格劃分和結(jié)構(gòu)示意見圖2，其中LCL為膝蓋外側(cè)韌帶伸長量。該模型共有30個傳感器，總質(zhì)量為13.04 kg[11]。

2.2結(jié)果分析

在某車型開發(fā)初期，根據(jù)前文建立的模型分析Euro NCAP TRL腿型，結(jié)果見表2，總分為滿分。從2014年開始，Euro NCAP更新下腿部模型，對傷害指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)均進(jìn)行更新，要求計算FLEXPLI腿型，原車型分析結(jié)果見表3，行人保護(hù)下腿部總分為4.57分，表中下劃線數(shù)據(jù)表示未得到滿分。因此，基于TRL腿型開發(fā)的車型，應(yīng)用FLEXPLI腿型試驗，取得滿分存在風(fēng)險。表 2Euro NCAP TRL腿型分析結(jié)果

Tab.2Euro NCAP TRL legform analysis results碰撞區(qū)域邊界中間位置拖車鉤位置脛骨加速度/g140125137膝蓋彎曲角度/（°）0.968.3111.7剪切位移/mm0.700.670.94分項得分222總分6由表3可以看出：FLEXPLI腿型除L±6這2個碰撞點外，其余碰撞點均沒有得到滿分；L-4～L+4這9個點的脛骨彎矩超過Euro NCAP高性能指標(biāo)，L±5及L-3這3個點的ACL超出Euro NCAP得分值。

對比分析TRL腿型和FLEXPLI腿型的工作原理動畫和傷害指標(biāo)的曲線，發(fā)現(xiàn)車輛前端結(jié)構(gòu)對2種腿型的作用不同。

（1）對于TRL腿型而言，前保險杠吸能泡沫的剛度對降低脛骨加速度起很大作用，所以前保險杠吸能泡沫的布置空間對于TRL腿型來說至關(guān)重要。下腿部保護(hù)橫梁與前保險杠泡沫的剛度及位置的合理匹配可有效降低膝蓋彎曲角度。剪切位移一般均可小于Euro NCAP高性能指標(biāo)。

（2）對于FLEXPLI腿型而言，前保險杠吸能泡沫的剛度對韌帶伸長量和脛骨彎矩的作用降低，吸能效果變得不明顯。合理布置前保險杠橫梁與下腿部保護(hù)橫梁的相對位置，才能保證FLEXPLI腿型在運動過程中保持平直。FLEXPLI腿型在碰撞中的平直狀態(tài)能夠減小韌帶伸長量和脛骨彎矩，另外，車輛前端結(jié)構(gòu)之間剛度的合理匹配對于降低傷害指標(biāo)也起到關(guān)鍵作用。

3改進(jìn)分析

3.1改進(jìn)方案

在該車型的開發(fā)過程中，與造型相關(guān)的前保險杠蒙皮、前大燈、格柵和前保險杠等結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，更改這些零件的結(jié)構(gòu)成本太高，最好通過改進(jìn)車輛內(nèi)部其他零部件的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)FLEXPLI腿型滿分要求，具體方案如下。

3.1.1去除前保險杠吸能泡沫

從FLEXPLI腿型的運動姿態(tài)及傷害指標(biāo)來看，由于前保險杠吸能泡沫的支撐，F(xiàn)LEXPLI腿型從中間關(guān)節(jié)處開始彎曲，在運動過程中不能保持平直狀態(tài)，從而增加韌帶伸長量。FLEXPLI腿型運動姿態(tài)見圖3。去除前保險杠泡沫能夠保持FLEXPLI腿型在運動過程中的平直狀態(tài)，而且從降低成本的角度來看，也是非常有利的。需要注意的是，該改進(jìn)方案并不完全適用于所有車型，只有在前保險杠橫梁與前保險杠蒙皮之間的空間滿足經(jīng)驗值且前保險杠蒙皮和格柵剛度均勻的前提下，去除前保險杠吸能泡沫才是有效的改進(jìn)方案。由于預(yù)留吸能空間，去除泡沫對低速碰撞法規(guī)的通過性不會產(chǎn)生影響。在新車型設(shè)計初期，為行人保護(hù)設(shè)計預(yù)留足夠的空間至關(guān)重要。

圖 3FLEXPLI腿型運動姿態(tài)

Fig.3FLEX PLI legform motion attitude

3.1.2重新設(shè)計下腿部保護(hù)橫梁

在該車型開發(fā)初期，沿用現(xiàn)有車型的下腿部保護(hù)橫梁即可滿足TRL腿型滿分要求，但是更新為FLEXPLI腿型后，該橫梁的剛度不能滿足滿分要求，須重新設(shè)計，具體結(jié)構(gòu)見圖4。圖中虛線內(nèi)的2個加強(qiáng)筋寬度與FLEXPLI腿型寬度一致，這組加強(qiáng)筋從車輛中間位置開始沿y向每隔100 mm設(shè)置一組，與FLEXPLI腿型碰撞點位置對應(yīng)，共設(shè)置7組加強(qiáng)筋。圖中實線內(nèi)加強(qiáng)筋為L±4和L±5這4個點提供支撐作用。下腿部保護(hù)橫梁的截面見圖5，W形結(jié)構(gòu)沿z向貫穿整個撞擊區(qū)域，該結(jié)構(gòu)增加橫梁的剛度，防止下腿部向車輛下端甩動，橫梁吸收更多碰撞能量。

圖 4下腿部保護(hù)橫梁結(jié)構(gòu)

Fig.4Crossbeam structure for lowerleg protection

圖 5下腿部保護(hù)橫梁結(jié)構(gòu)截面

Fig.5Section of crossbeam structure for lowerleg protection

將下腿部保護(hù)橫梁的位置x向前移13 mm，加大其與前保險杠的x向距離。該位置的更改主要是考慮去除前保險杠吸能泡沫后，下腿部在最初運動過程中缺少支撐，將下腿部保護(hù)橫梁x向前移，能夠彌補(bǔ)這一支撐作用，使得下腿部在運動過程中保持平直。

3.1.3導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

分析L±4和L±5這4個碰撞點的運動姿態(tài)發(fā)現(xiàn)：由于造型原因，發(fā)動機(jī)蓋前沿較其他碰撞點后移，下腿部上端的支撐作用減小，韌帶伸長量增加。導(dǎo)風(fēng)板位于碰撞點L+4與L+5和L-4與L-5之間，優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)可以有效地支撐L±4和L±5這4個碰撞點的下腿部關(guān)節(jié)，進(jìn)而減小傷害指標(biāo)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)見圖6。沿著圖6a）的箭頭分別向y向和x向延長擾流板局部結(jié)構(gòu)，其中箭頭1方向移動至y=500 mm的位置，箭頭2移動至前保險杠前端50 mm的位置，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)見圖6b）。圖中實線圈內(nèi)的結(jié)構(gòu)可以吸收L±4這2個對稱位置碰撞時產(chǎn)生的能量，達(dá)到降低傷害指標(biāo)的作用，虛線圈內(nèi)的結(jié)構(gòu)可以對L±5這2個對稱碰撞點起支撐作用，控制碰撞過程中FLEXPLI腿型平直的運動姿態(tài)。endprint

3.2改進(jìn)結(jié)果分析

綜合上述3個方案進(jìn)行CAE分析，結(jié)果見表4。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)得到Euro NCAP FLEXPL1腿型評價滿分。由表4可以看出，車輛前端結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計及相互間剛度的匹配對降低FLEXPLI腿型傷害指標(biāo)至關(guān)重要。

4結(jié)論

根據(jù)Euro NCAP行人TRL腿型開發(fā)的車型，當(dāng)使用FLEXPLI腿型驗算時，車輛評價得分降低。對車輛前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，有效降低碰撞點的傷害指標(biāo)，并達(dá)到新Euro NCAP下腿部滿分要求。

（1）在碰撞空間允許并滿足低速碰撞的前提下，去除前保險杠吸能泡沫，能夠減小前保險杠泡沫對FLEXPLI腿型的支撐作用，而且能降低整車成本。 （2）下腿部保護(hù)橫梁中與碰撞點對應(yīng)的y向加強(qiáng)筋和z向W形結(jié)構(gòu)可以起到有效的支撐作用，可減少下腿部向車輛下方的甩動；增加下腿部保護(hù)橫梁與前保險杠的x向距離可以使下腿部在運動過程中保持平直，降低傷害指標(biāo)。（3）在滿足導(dǎo)風(fēng)板基本導(dǎo)風(fēng)功能的前提下，改進(jìn)其局部結(jié)構(gòu)可以對附近位置的FLEXPLI腿型下腿部起到很好的保護(hù)作用。

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