基于行人保護(hù)下腿型的車輛前端結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃金華,鄭文強(qiáng)

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院,上海 200092；2.延鋒彼歐汽車外飾系統(tǒng)有限公司,上海 201805)

0 引言

2013年世界衛(wèi)生組織發(fā)布的《道路安全全球現(xiàn)狀報(bào)告》指出：全世界的道路交通死亡總數(shù)每年高達(dá)124萬(wàn)例,其中22%的受害者都是行人。根據(jù)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),在行人傷亡事故中,小腿是主要的受傷部位之一[1]。在行人碰撞事故中，碰撞產(chǎn)生的力傳遞到皮膚、肌肉、韌帶、骨骼等部位，如果相應(yīng)部位受到的碰撞力值超過(guò)限值，就會(huì)造成肌肉損傷、韌帶斷裂、骨折等傷害，所以行人下腿型傷害受到國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠、科研機(jī)構(gòu)和法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)制定部門的重視。

我國(guó)在2010年7月1日實(shí)施了GB/T 24550—2009汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2]，此法規(guī)的行人保護(hù)沖擊器為剛性腿。從2014開(kāi)始，歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程(Euro-NCAP)的行人碰撞保護(hù)評(píng)價(jià)使用柔性腿替代剛性腿作為行人腿型沖擊器[3]。同時(shí)從2015年開(kāi)始，行人碰撞保護(hù)歐洲法規(guī)ECER127也開(kāi)始從剛性腿切換為柔性腿[4]。

本文首先針對(duì)行人保護(hù)剛性腿進(jìn)行研究分析，并依據(jù)柔性腿的分析和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)某車型前端結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化策略，為汽車前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 剛性腿與柔性腿分析研究

剛性腿有3個(gè)傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別是脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)彎曲角度和膝關(guān)節(jié)剪切位移。柔性腿針對(duì)股骨、膝關(guān)節(jié)和脛骨分別有股骨彎矩、膝關(guān)節(jié)韌帶伸長(zhǎng)量和脛骨彎矩3種傷害指標(biāo)。其中股骨彎矩指標(biāo)目前只作為監(jiān)控指標(biāo)，并不作為評(píng)價(jià)傷害指標(biāo)。膝關(guān)節(jié)部分的韌帶伸長(zhǎng)量分別為前十字交叉韌帶(ACL)、后十字交叉韌帶(PCL)、外側(cè)副韌帶(LCL)和內(nèi)側(cè)副韌帶(MCL)，這4個(gè)韌帶伸長(zhǎng)量中，外側(cè)副韌帶(LCL)伸長(zhǎng)量作為監(jiān)控指標(biāo)，其余3個(gè)都作為評(píng)價(jià)傷害指標(biāo)。脛骨部分的彎矩主要有上部彎矩(Tibia1)、中上部彎矩(Tibia2)、中下部彎矩(Tibia3)和下部彎矩(Tibia4)，這4個(gè)彎矩指標(biāo)都作為評(píng)價(jià)傷害指標(biāo)。

由剛性腿和柔性腿的傷害評(píng)價(jià)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：傷害評(píng)價(jià)主要分為脛骨和膝關(guān)節(jié)兩部分。剛性腿的脛骨加速度和柔性腿脛骨彎矩分別用來(lái)評(píng)價(jià)脛骨骨折風(fēng)險(xiǎn)；剛性腿的彎曲角和剪切位移與柔性腿的韌帶伸長(zhǎng)量分別用于評(píng)價(jià)膝關(guān)節(jié)受傷害風(fēng)險(xiǎn)。GB/T 24550—2009和ECER127法規(guī)對(duì)應(yīng)行人保護(hù)下腿型評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)閥值，如表1所示。

表1 GB/T 24550—2009和ECER127法規(guī)對(duì)應(yīng)行人保護(hù)下腿型評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)閥值

2 行人保護(hù)下腿型的有限元模型

行人保護(hù)腿型試驗(yàn)區(qū)域主要為汽車的前端保險(xiǎn)杠系統(tǒng)，其中白車身前端部分的網(wǎng)格尺寸采用10 mm，為了更詳細(xì)地描述保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)特征，保險(xiǎn)杠部分的網(wǎng)格尺寸采用5 mm。約束車身的6個(gè)自由度。腿型的初始撞擊速度為40 km/h，撞擊方向?yàn)檎囎鴺?biāo)的X正向。腿型與保險(xiǎn)杠蒙皮的接觸采用面-面接觸，且摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2。本文研究的車型防撞梁Y向?qū)挾确秶鸀?598 mm～+598 mm，保險(xiǎn)杠兩側(cè)角點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Y向?qū)挾葹?500 mm～+500 mm。剛性腿測(cè)試區(qū)域?yàn)楸ｋU(xiǎn)杠兩側(cè)角點(diǎn)Y向位置，即-500 mm～+500 mm，測(cè)試點(diǎn)為-434 mm～+434 mm。柔性腿測(cè)試區(qū)域?yàn)楸ｋU(xiǎn)杠角與防撞梁最外側(cè)中較大的區(qū)域，即-598 mm～+598 mm，測(cè)試點(diǎn)為-556 mm～+556 mm。圖1為某車型Y0位置的撞擊模型和柔性腿型、剛性腿型截面。

圖1 某車型Y0位置的腿型截面圖和柔性腿型、剛性腿型截面圖

3 剛性腿和柔性腿的有限元分析結(jié)果對(duì)比

仿真分析從車輛Y0位置按每隔100 mm選點(diǎn)進(jìn)行碰撞，再加上最外側(cè)測(cè)試點(diǎn)，剛性腿最外側(cè)測(cè)試點(diǎn)為Y434位置，柔型腿最外側(cè)測(cè)試點(diǎn)為Y556位置。選用Altair公司的Hyperworks軟件進(jìn)行前后處理，利用Radioss求解器進(jìn)行分析求解。剛性腿型和柔性腿型的分析結(jié)果分別如表2和表3所示。

表2 剛性腿型分析結(jié)果

表3 柔性腿型分析結(jié)果

有限元分析結(jié)果表明：剛性腿型和柔性腿型的結(jié)果整體趨勢(shì)接近；在Y0～Y300區(qū)域中，剛性腿的脛骨減速度超過(guò)目標(biāo)要求，在同樣區(qū)域中柔性腿的脛骨彎矩也超過(guò)目標(biāo)值。兩種腿型在脛骨傷害指標(biāo)上結(jié)果狀態(tài)接近，但剛性腿型對(duì)脛骨只有一個(gè)指標(biāo)，優(yōu)化時(shí)相對(duì)容易，而柔性腿有4個(gè)脛骨彎矩，在Y100～Y200區(qū)域，中上部彎矩和中下部彎矩均超過(guò)目標(biāo)，所以在優(yōu)化時(shí)需要同時(shí)考慮兩個(gè)彎矩狀態(tài)。

本車型剛性腿的計(jì)算結(jié)果中，膝關(guān)節(jié)彎曲角度在碰撞點(diǎn)往車輛保險(xiǎn)杠的兩側(cè)移動(dòng)呈逐漸增大趨勢(shì)，與柔性腿型的計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)一致。這是因?yàn)樵酵囕v保險(xiǎn)杠兩側(cè)，保險(xiǎn)杠的弧度越大，在腿型撞擊時(shí)更容易造成腿型的翻轉(zhuǎn)和彎曲，故兩側(cè)的膝關(guān)節(jié)傷害指標(biāo)不理想。

綜上分析，剛性腿的結(jié)果趨勢(shì)與柔性腿比較接近。但由于柔性腿的生理仿真性和傷害指標(biāo)更高，有必要針對(duì)柔性腿型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 車輛前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析

本車型柔性腿碰撞分析中，柔性腿型的中上彎矩以及中下彎矩均超過(guò)了傷害指標(biāo)值。圖2為Y0位置碰撞過(guò)程不同時(shí)刻腿型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。從圖2可以看出，脛骨下部彎曲主要是由于小腿梁(小腿支撐結(jié)構(gòu))剛性過(guò)大產(chǎn)生，即保險(xiǎn)杠底部支撐結(jié)構(gòu)吸能不足而造成脛骨彎矩超標(biāo)。

圖2 Y0位置碰撞過(guò)程不同時(shí)刻腿型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

原小腿梁結(jié)構(gòu)前端有交叉布置的結(jié)構(gòu)筋和較多的Z向加強(qiáng)筋，致使碰撞過(guò)程中小腿梁結(jié)構(gòu)的吸能較少，對(duì)小腿傷害較大，所以需對(duì)該零件進(jìn)行優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)可吸收更多的碰撞能量，從而起到改善小腿運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的作用。優(yōu)化前、后的小腿梁結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 小腿梁支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化前和優(yōu)化后對(duì)比

優(yōu)化前和優(yōu)化后Y0位置的傷害值如表4所示，其中Tibia3的曲線如圖4所示，優(yōu)化前、后傷害值峰值時(shí)刻腿型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)如圖5所示。

表4 優(yōu)化前和優(yōu)化后Y0位置傷害值對(duì)比

圖4 優(yōu)化前、后Y0位置的Tibia3曲線對(duì)比

由表4可知，中上彎矩與中下彎矩傷害指標(biāo)均有所下降，膝關(guān)節(jié)位置的韌帶伸長(zhǎng)量有所增加，但依然可以滿足法規(guī)要求。優(yōu)化結(jié)果表明:小腿梁支撐剛度與脛骨彎矩特別是支撐處的脛骨彎矩呈正相關(guān)，但與膝關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)副韌帶伸長(zhǎng)量指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。行人保護(hù)柔性腿優(yōu)化是一個(gè)整體性、綜合性的工作，優(yōu)化過(guò)程中還需考慮保險(xiǎn)杠的整體布置和制造工藝。

圖5 優(yōu)化前、后傷害值峰值時(shí)刻腿型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了剛性腿和柔性腿在結(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)剛性腿與柔性腿的有限元碰撞模型，最后針對(duì)柔性腿的分析結(jié)果，對(duì)本車型的脛骨彎矩指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證。得出以下結(jié)論：

(1) 柔性腿作為新型的碰撞沖擊器，具有比剛性腿較為全面的評(píng)分體系，能更好地反映真實(shí)的傷害過(guò)程。

(2) 由于本車型的保險(xiǎn)杠兩側(cè)弧度較大，在Y500與Y556位置，MCL結(jié)果均超過(guò)目標(biāo)值，說(shuō)明車輛前端兩側(cè)弧度較大的造型對(duì)小腿膝關(guān)節(jié)部位的傷害較大。

(3) 保險(xiǎn)杠小腿梁支撐結(jié)構(gòu)的剛度與柔性腿傷害指標(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。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，本車型Y0位置的Tibia2、Tibia3和Tibia4分別減小33.36%、36.16%和17.53%。在類似新車型的保險(xiǎn)杠開(kāi)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)。