汽車前端結(jié)構(gòu)的行人大腿碰撞保護性能研究

崔淑娟，劉 明，趙清江，范體強

（1.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 401122；2.中國汽車工程研究院，重慶 401122）

1 研究背景

1.1 國內(nèi)外行人保護評價體系現(xiàn)狀

中國是典型的以混合交通為主的國家，行人傷亡數(shù)量大，占交通事故死亡人數(shù)中的26%。圖1顯示了國內(nèi)（以長沙市交通事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例）和國外（以德國為例）的行人事故中人體損傷部位分布情況[1-3]。由圖可知，在行人事故中人體頭部、下肢、骨盆的受傷所占比例較高。

目前，國內(nèi)外的標準法規(guī)及測評規(guī)程中含有針對行人保護的骨盆和大腿傷害測試的有：Euro NCAP包含了上腿型沖擊WAD775試驗，EC 78/2009包含了上腿型沖擊發(fā)動機罩前緣試驗（監(jiān)測項）。2017年7月20日發(fā)布的中國保險汽車安全指數(shù)（China Insurance Automotive Safety Index，C-IASI）將上腿型沖擊WAD775試驗作為監(jiān)測項，其余法規(guī)均未對此做出規(guī)定，表1對各行人保護法規(guī)的試驗項目進行了匯總比對。

圖1 國內(nèi)外行人事故中人體損傷部位分布

表1 行人保護標準規(guī)程內(nèi)容比對

1.2 Euro NCAP試驗數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

Euro NCAP于1997年引入大腿對發(fā)動機罩前緣的試驗，用于評估在涉及成人的車輛碰撞事故中骨盆和大腿部受傷的潛在風險。利用成人大腿部碰撞器在沖擊速度為40 km/h的工況下開展一系列碰撞試驗，并于2015年更新，引入了大腿對發(fā)動機罩WAD775的試驗。

根據(jù)2009～2012年間Euro NCAP發(fā)布的結(jié)果統(tǒng)計，僅有約1/3的Euro NCAP五星車型獲得大于2分的大腿保護成績。其測評方法、閾值設(shè)定等受到越來越多質(zhì)疑。在多家主機廠和汽車行業(yè)組織的探討研究下，Euro NCAP于2015年將試驗工況由上腿型沖擊發(fā)動機罩前緣更新為上腿型沖擊WAD775，并對沖擊點位置、沖擊能量及免試能量等做出了適當調(diào)整。

2014 ～2018年Euro NCAP行人保護測試結(jié)果中，骨盆試驗內(nèi)容的得分情況匯總?cè)鐖D2所示。2015年該試驗項目做了更新后，試驗難度下降，得分逐年趨好。

圖2 Euro NCAP結(jié)果分布

2 上腿型沖擊WAD775試驗測評標準

上腿型沖擊WAD775試驗是以上腿型沖擊器代替行人大腿，以沖擊器受到的最大彎矩M和合力F作為傷害評價指標[4]，見表2。

表2 上腿型沖擊WAD775評價指標

碰撞點位置對準WAD775線，每個碰撞點的撞擊角度α如圖2所示。碰撞過程中，名義碰撞能量根據(jù)以下公式計算：

式中：mn= 7 .4 k g ；vc=v0× c os( 1 . 2α)；v0=11.1 1 m/s 。

碰撞速度vt根據(jù)名義碰撞能量進行調(diào)整計算[5-6]：

圖3 上腿型沖擊WAD775試驗工況

3 造型結(jié)構(gòu)開發(fā)策略

3.1 外造型

Euro NCAP規(guī)定，碰撞能量小于160 J可豁免這項試驗，默認滿分。碰撞能量的大小僅取決于每個碰撞點的碰撞角度α。即：

計算得出，當α＞44.7°時滿足條件，即WAD930和IBRL的連線越接近水平，碰撞角度α越大。車輛前部造型越扁平，越能降低WAD930的高度。碰撞角度α與車輛前部造型、防撞橫梁高度有關(guān)。上腿型沖擊WAD775試驗的碰撞能量高低對傷害指標具有顯著影響，而碰撞能量由車輛前部幾何參數(shù)決定。因此，在外造型設(shè)計初期，以降低碰撞能量輸入為目標對車型外輪廓進行設(shè)計，將會有效提高其上腿型碰撞防護性能，如圖3所示。

圖4 上腿型沖擊WAD775滿分車身造型

3.2 總布置

碰撞能量一定的情況下，根據(jù)碰撞能量公式E=F×S，內(nèi)部碰撞吸能空間S越大，碰撞力F越小。在車輛開發(fā)總布置階段，在滿足其它性能的基礎(chǔ)上，發(fā)動機罩下端預(yù)留更多的變形區(qū)間，并考慮將零部件硬點、特征點等危險點盡可能布置在測試區(qū)域之外，以規(guī)避風險[7]。

3.3 零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通常上腿型沖擊WAD775失分點主要集中在發(fā)動機罩罩蓋鎖、大燈、水箱上橫梁、保險杠上支撐件等加強件結(jié)構(gòu)處，這些結(jié)構(gòu)通常局部剛度較大，需要對其進行局部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，弱化上腿型碰撞方向上的支撐強度，在碰撞過程中充分變形[8]。如：部分現(xiàn)有車型中在車大燈、翼子板的安裝機構(gòu)上采用了整體潰縮吸能裝置，以改善局部碰撞緩沖效果，或采用新型材料，使其易于破碎、變形。將保險杠蒙皮安裝在可潰縮支架上，支架剛度弱。當上腿型沖擊WAD775時，充分利用變形空間，降低行人骨盆受到的沖擊力，如圖5所示。

圖5 零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4 某車型上腿型沖擊WAD775性能分析及優(yōu)化

4.1 上腿型沖擊WAD775試驗得分

按照規(guī)程要求劃包絡(luò)線WAD775，轉(zhuǎn)角基準點，確定上腿型沖擊WAD775試驗區(qū)域，并間隔100 mm標記一個grid點，該車型共13個grid點。為驗證后續(xù)有限元模型的準確性，試驗選擇U5、U3、U0、U-2、U-4、U-6共6個試驗點，試驗結(jié)果見表3?；A(chǔ)車上腿型沖擊WAD775試驗得分為：2.963分。

表3 試驗點結(jié)果記錄

4.2 有限元模型搭建

采用HyperMesh軟件建立仿真模型，如圖6所示，按照實車參數(shù)設(shè)置零件的材料和厚度，并通過焊接、螺栓、鉸鏈等方式建立各部件之間的連接關(guān)系。分析只截取車輛A柱及之前部分[9]，約束車輛截面的6個自由度。前保險杠及其附件的材質(zhì)為塑料件，強度低且韌性差，在碰撞過程中容易發(fā)生斷裂失效等問題。為接近真實情況，對關(guān)鍵變形零部件設(shè)置斷裂失效模型，以提高計算精度。

圖6 有限元模型

4.3 有限元模型與試驗結(jié)果對標

如圖7所示，有限元模型撞擊位置，以U3、U-6兩個點的上腿型沖擊WAD775碰撞仿真分析為例，對比性能指標的仿真和試驗曲線及結(jié)果，如圖8和表4所示。試驗和仿真結(jié)果峰值接近，誤差最大不超過12%，曲線走勢一致，在工程精度要求范圍內(nèi)，認為模型精確可用。

圖7 撞擊位置

圖8 U0、U-6點試驗與仿真曲線對比

表4 碰撞點仿真試驗值對比

4.4 上腿型沖擊WAD775性能優(yōu)化及試驗驗證

分析車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，前保險杠內(nèi)部空間小，零部件布局緊湊，沒有可以利用的變形空間。仿真碰撞過程中，前保險杠蒙皮及其附屬零部件整體結(jié)構(gòu)偏硬，變形不充分。其中，前保險杠中支撐架結(jié)構(gòu)強，變形小，是上腿型受擠壓變形過程中的最大結(jié)構(gòu)硬點。摸底試驗中，該零件也出現(xiàn)了不同程度的撕裂和斷裂。通過多輪仿真計算，最終確定的優(yōu)化方案見表5。

（1）前保險杠本體左右對稱位置開孔。

（2）刪除前保險杠中部裝飾罩背面的加強筋，并開孔。

（3）前保險杠中支撐架兩端開槽、局部開孔、刪除內(nèi)部加強筋，并增加鈑金件。

仿真計算U5、U3、U0、U-2、U-4、U-6碰撞點，優(yōu)化前后的仿真結(jié)果對比見表6。碰撞合力、脛骨彎矩值均有一定幅度的降低。將優(yōu)化方案工程化，并進行試驗驗證。從U1開始選點，沿車輛向右間隔一個grid點選一個試驗點，試驗結(jié)果見表7。優(yōu)化后各點的試驗得分均為1.000分，上腿型總得分為6.000分。

表5 優(yōu)化方案

表6 優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比

表7 優(yōu)化方案試驗結(jié)果

5 結(jié)論

（1）本文總結(jié)出行人大腿碰撞保護與車輛前端的外造型設(shè)計、總布置及相關(guān)零部件局部結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)。性能優(yōu)化遵循優(yōu)化能量吸收、增加變形空間的設(shè)計原則。

（2）對某車型的保險杠蒙皮及相關(guān)附件結(jié)構(gòu)進行局部弱化，通過仿真和試驗證明，對保險杠蒙皮及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行有效設(shè)計改進可以降低碰撞事故中對行人大腿的傷害。