車輛前保險杠結構分析優(yōu)化設計

劉向麗

（山西大同大學教學實驗與實訓中心，山西大同 037000）

0 引言

我國屬于人口密度較大的國家，城市中行人被撞的事故很多，因此在2010 年我國就制定了在汽車碰撞行人保護方面的國家標準，頒布了GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護》。在此規(guī)范中，行人的保護沖擊器為剛性腿[1]。但是在2014年，歐洲對新車的規(guī)范Euro-NCAP《歐洲新車評價規(guī)程評價》中，改用柔性腿作為行人碰撞保護的評價指標[2]。行人碰撞保護的歐洲法規(guī)ECER127《行人保護法規(guī) 劃線及定點》，從2015年也開始使用柔性腿。本文通過有限元碰撞法，對行人的剛性腿（TRL）和柔性腿（Flex-PLI）進行碰撞研究分析，并根據分析結果對汽車前端結構優(yōu)化提供方向，為以后的結構設計方向提供依據。

1 柔性腿和剛性腿的傷害指標

剛性腿被碰撞后有3 個傷害指標，分別是膝關節(jié)的剪切方向位移，膝關節(jié)的彎曲角度和脛骨的加速度值。柔性腿對股骨、脛骨和膝關節(jié)分別有彎矩指標，此外還對膝關節(jié)的韌帶伸長量和脛骨彎矩有指標，其中的股骨彎矩目前只作為監(jiān)控值，不作為評定傷害的指標。膝關節(jié)韌帶伸長量包含4 個部分：前十字交叉韌帶（ACL），后十字交叉韌帶（PCL），內側副韌帶（MCL）和外側副韌帶（LCL）。這4 個部分中僅外側副韌帶（LCL）伸長量作為監(jiān)控值，其余3 項均作為評定被撞擊后的傷害指標。脛骨的彎矩也包含4 個部分，分別是上部彎矩（Tibia1)、中上部彎矩（Tibia2）、中下部彎矩（Tibia3）和下部彎矩（Tibia4），這4 個部分均作為評定被撞擊后的傷害指標。

對比評定剛性腿和柔性腿被碰撞后的傷害指標可知，脛骨和膝關節(jié)是評定傷害的主要部分。評價骨折的風險主要依據剛性腿的脛骨加速度和柔性腿的彎矩，評價膝關節(jié)受傷的風險主要依據剛性腿的彎曲角度、剪切方向位移和柔性腿的韌帶伸長量。我國的GB/T 24550—2009 和歐洲規(guī)范ECER127對行人小腿碰撞的指標和評定值見表1 所示，其中g 為重力加速度。

表1 兩種規(guī)范對行人小腿碰撞的指標和評定值

2 行人小腿碰撞有限元模型

行人小腿的碰撞研究區(qū)域主要為車輛的前端系統(tǒng)，包含保險杠及其他吸收能量的裝置。整個有限元模型采用高級前處理軟件Hypermesh 搭建，網格類型均為四邊形殼單元，白車身部分網格尺寸10 mm，保險杠部分為撞擊區(qū)域，為了計算結果的精確性此區(qū)域采用5 mm 的網格尺寸。約束條件為約束汽車模型的6個自由度，不對腿模型進行約束。載荷為腿模型的速度，初始速度為40 km/h，方向為正常坐標系的X 負方向。對腿部模型和汽車保險杠設置面—面接觸對，摩擦系數為0.2。汽車的有限元模型中，防撞梁在Y 向的長度范圍：-598 mm～+598 mm，保險杠兩側在Y 向上對應的寬度：-500 mm～+500 mm。其中，剛性腿的模擬區(qū)域為保險杠兩側在Y 向的位置：-500 mm～+500 mm，監(jiān)測區(qū)域：-434 mm～+434 mm；而柔性腿的模擬區(qū)域為保險杠的角和防撞梁的最外側區(qū)域：-598 mm～+598 mm，監(jiān)測區(qū)域：-556 mm～+556 mm。

3 有限元分析結果分析

進行有限元分析時，令汽車從Y0位置每隔0.1 m 進行一次碰撞模擬，同時還要有保險杠最外側的檢測點。其中，剛性腿的檢測點在Y434處，而柔性腿的檢測點在Y556處。用Altiar 公司Hyperworks 軟件中的Radioss 求解器進行求解計算，兩種腿型的計算結果分別見表2 和表3。

從表2 可知，剛性腿模型和柔性腿模型的碰撞結果整體是一致的，剛性腿的脛骨減速度值和柔性腿的脛骨彎矩值在Y0至Y300區(qū)間均超過了評價閥值。對于脛骨，兩種腿型在受傷害的程度上很接近。但是就脛骨而言，剛性腿型只有一個減速度指標，結構優(yōu)化起來較容易，然而柔性腿對脛骨有4 個彎矩指標。由表3 可看出，中上部彎矩（Tibia2）和中下部彎矩（Tibia3）在Y100至Y200區(qū)域均超過傷害指標值，結構優(yōu)化時要從考慮這兩個彎矩情況。有限元碰撞計算結果中膝關節(jié)的彎曲角度會隨著碰撞點沿著保險杠兩側偏移而增大，這點與柔性腿的計算結果趨勢具有一致性。這是因為保險杠的兩側弧度比中間區(qū)域大，更容易對腿部造成彎曲，因此膝關節(jié)在保險杠兩側的碰撞高于傷害指標值。

表2 剛性腿型有限元碰撞仿真結果

表3 柔性腿型有限元碰撞仿真結果

由上述分析可知，在仿真結果方面，剛性腿和柔性腿的計算具有一致性，但是柔性腿無論是所要求的傷害指標內容還是指標值均比剛性腿要嚴格，因此必須對針對柔性腿的仿真結果對車輛前端結構進行優(yōu)化設計。

4 結構優(yōu)化以及仿真計算

從表3 可知，柔性腿中的中上部彎矩（Tibia2）和中下部彎矩（Tibia3）超過傷害指標值340 N·m，需要找出造成這兩個指標超標的原因并設法解決。分析可知，小腿支撐結構（小腿梁）的剛度過大是造成脛骨下部彎曲的主要原因，因此要提高保險杠底部的吸收能量能力。在原來的結構中，為提高保險杠的彎扭剛度，小腿支撐結構分布了較大交叉分布的加強筋，剛度過大，在碰撞過程中吸收能量的能力大大降低，因此會對人的小腿造成較大傷害。在保證保險杠彎扭剛度超過設計目標值的前提下，去掉多余的加強筋，使其具有較強的吸收能量能力，從而起到保護行人小腿的作用（圖1）。

圖1 優(yōu)化前、后小腿梁支撐結構

由優(yōu)化前、后Y0位置有限元計算傷害值對比表可看出，結構優(yōu)化后，中上部彎矩（Tibia2）和中下部彎矩（Tibia3）傷害指標均在一定程度上有所下降，雖然膝關節(jié)位置處的韌帶伸長量有所變大，但仍然在安全范圍內（表4）。因此可得出結論：脛骨碰撞后的彎矩程度與小腿梁的剛度成正相關，與膝關節(jié)內側副韌帶的伸長量呈負相關。

表4 優(yōu)化前、后Y0 位置有限元計算傷害值對比

5 結論

（1）柔性腿的相關傷害指標比剛性腿的更全面，能更好地反映行人腿部被撞擊后的傷害情況，保險杠兩側的弧度越大、對行人小腿膝關節(jié)部位造成的傷害越大。

（2）根據有限元分析和優(yōu)化的結果可知，脛骨彎矩指標會隨著小腿梁支撐剛度的減小而減小。車身前端結構優(yōu)化后，車身碰撞Y0位置的中上部彎矩（Tibia2）、中下部彎矩（Tibia3）和下部彎矩（Tibia4）會分別減小33.36%、36.16%和17.53%，因此合理降低小腿梁支撐結構的剛性，能顯著降低行人被碰撞后的傷害。