碰撞條件下護(hù)膝板設(shè)計(jì)對(duì)駕駛員小腿保護(hù)分析與研究

摘 要：針對(duì)汽車碰撞事故中駕駛員下肢損傷防護(hù)需求，本研究通過有限元仿真與生物力學(xué)分析相結(jié)合的方法，探討護(hù)膝板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)小腿保護(hù)的優(yōu)化機(jī)理。基于C-NCAP正面碰撞工況構(gòu)建包含Hybrid III 50th假人小腿模型的碰撞仿真系統(tǒng)，重點(diǎn)研究護(hù)膝板材料剛度對(duì)脛骨反力指標(biāo)的影響規(guī)律。通過調(diào)整護(hù)膝板內(nèi)緩沖件楊氏模量發(fā)現(xiàn)：采用密度為88kg/m3、楊氏模量4.5MPa海綿材料作為緩沖層可使碰撞能量吸收效率顯著提升，曲面曲率半徑在100-120 mm范圍內(nèi)可有效降低剪切載荷。優(yōu)化后的楔形護(hù)膝板結(jié)構(gòu)使小腿反力Fx峰值控制在1.0kN以下，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)降低60%。研究結(jié)果為汽車內(nèi)飾安全件的生物力學(xué)優(yōu)化提供了新的設(shè)計(jì)思路和理論依據(jù)，對(duì)提升車輛被動(dòng)安全性能具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：護(hù)膝板設(shè)計(jì) 小腿保護(hù) 碰撞安全 生物力學(xué)分析 有限元仿真

隨著汽車被動(dòng)安全技術(shù)的快速發(fā)展，乘員下肢保護(hù)已成為車輛碰撞安全領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在正面碰撞事故中，由于儀表板下方空間侵入及膝部接觸效應(yīng)，駕駛員小腿部位發(fā)生脛骨骨折、踝關(guān)節(jié)脫位等損傷的概率高達(dá)34%-41%[1]，其生物力學(xué)損傷機(jī)理涉及軸向壓縮、彎曲及剪切載荷的復(fù)合作用。

傳統(tǒng)車身安全設(shè)計(jì)多聚焦于乘員艙整體強(qiáng)度提升與約束系統(tǒng)優(yōu)化，而對(duì)護(hù)膝板等內(nèi)飾部件的生物力學(xué)防護(hù)機(jī)制尤其是護(hù)膝板沖擊反力Fx，缺乏系統(tǒng)性研究。

康巍，張俊南，王振強(qiáng)，[2-8]等，通過頸骨指數(shù)TI和小腿壓縮力Fz來評(píng)價(jià)正面偏置碰撞條件下駕駛員小腿部位傷害，并提出了對(duì)應(yīng)的解決方案；劉燦燦[9]分析了膝部氣囊對(duì)駕駛員頭、胸、腿等部位的保護(hù)影響；匡芳[10]研究了不同類型偏置碰撞駕駛員小腿損傷情況；郭慶祥[11]則針對(duì)整車碰撞加速度和三踏板侵入量對(duì)駕駛員小腿損傷影響進(jìn)行了研究。

現(xiàn)有研究表明，護(hù)膝板作為碰撞過程中膝部接觸的首要承力部件，其結(jié)構(gòu)剛度、幾何形變特性直接影響沖擊能量的傳遞路徑與分布特征。文章基于C-NCAP正面碰撞法規(guī)，構(gòu)建包含Hybrid III 50th假人小腿的約束系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型，通過有限元仿真分析方法，量化護(hù)膝板材料對(duì)脛骨反力Fx損傷指標(biāo)的影響規(guī)律。研究突破傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)范式，提出新型護(hù)膝板優(yōu)化方案，為提升車輛下肢保護(hù)性能提供理論支持與工程實(shí)踐參考。

1 護(hù)膝板沖擊反力Fx分析方法

1.1 小腿損傷分析總體思路

分析目的：解決車輛正面碰撞駕駛員小腿失分問題，提高車輛對(duì)駕駛員的保護(hù)性能。

分析方法總體思路如圖1所示，包含四大步驟：（1）觀察整車正面碰撞駕駛員小腿損傷情況，提取整車碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括膝部到IP護(hù)膝板的距離Lleft amp;Lright、膝部接觸到IP護(hù)膝板時(shí)刻Tleft amp; Tright；（2）根據(jù)小腿質(zhì)量和相對(duì)于護(hù)膝板的運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算碰撞能量；（3）CAE模型設(shè)置中，小腿以第一定的初始動(dòng)能沖擊護(hù)膝板，模擬實(shí)車碰撞中，膝部對(duì)護(hù)膝板的沖擊情況，求解護(hù)膝板沖擊反力Fx；（4）設(shè)置不同護(hù)膝板改進(jìn)方案，重復(fù)第（3）步，提出小腿失分有效解決方案。

1.2 小腿沖擊初始動(dòng)能計(jì)算方法

根據(jù)CNCAP2024管理規(guī)則[12]，試驗(yàn)前記錄正面碰撞駕駛員各部分的靜態(tài)位置，提取與小腿有關(guān)的信息（見圖2），駕駛員側(cè)膝關(guān)節(jié)到儀表板邊緣Lleft=115mm，駕駛員側(cè)膝關(guān)節(jié)到儀表板邊緣Lright=100mm。根據(jù)大腿力變化曲線及試驗(yàn)中所設(shè)置的觸發(fā)電位計(jì)，獲得膝部運(yùn)動(dòng)時(shí)間為Tleft=80ms、Tright=70ms（見圖3）。

駕駛員左、右小腿初始沖擊動(dòng)能計(jì)算公式，以左小腿為例：

基于以上計(jì)算公式，計(jì)算某車型正面碰撞駕駛員小腿相對(duì)于護(hù)膝板的運(yùn)動(dòng)速度和初始沖擊動(dòng)能，其結(jié)果見表1。

2 小腿沖擊CAE建模與仿真

小腿沖擊CAE建模需要對(duì)IP骨架和IP塑料件進(jìn)行有限元建模，單元類型為Shell，IP骨架采用抽中面、單元尺寸為5mm，IP塑料件采用抽中面+Casting組合方式、單元尺寸為3mm進(jìn)行處理，前處理軟件統(tǒng)一使用ANSA。在前處理軟件中，網(wǎng)格質(zhì)量檢查遵循基本原則見表2，整體有限元模型如圖4和圖5所示。

模型的其他檢查內(nèi)容包括：網(wǎng)格自由邊、自由節(jié)點(diǎn)檢查，重復(fù)網(wǎng)格檢查，交叉穿透檢查等。

考慮到小腿沖擊過程中，護(hù)膝板緩沖件呈壓縮狀態(tài)，采用3mm尺寸的六面體單元建?？梢杂行У乇ＷC有限元計(jì)算時(shí)不出現(xiàn)負(fù)體積，LS-DYNA計(jì)算求解可順利進(jìn)行。

在完成所有網(wǎng)格后，通過PENENTRATION檢查網(wǎng)格干涉后才可以做連接。IP系統(tǒng)的骨架各鈑金件之間應(yīng)用了燒焊連接，燒焊單元主要采用Beam單元。IP系統(tǒng)塑料件之間的連接為Nodal_Rigid_Bodies螺栓連接。

邊界約束與初始條件：由于文章主要針對(duì)駕駛員側(cè)小腿損傷進(jìn)行研究，有限元模型僅截取小腿區(qū)域?qū)?yīng)的IP部分，其邊界約束如圖4所示，在模型兩側(cè)采用SPC約束，初始沖擊條件如圖5所示，駕駛員左、右沖擊速度分別見表1。

3 結(jié)果分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

小腿沖擊CAE分析方案說明：護(hù)膝板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分兩種狀態(tài)，如圖6所示，基礎(chǔ)狀態(tài)為鈑金支撐，即正面碰撞時(shí)，小腿直接沖擊金屬支架（圖6所示方案一），改進(jìn)設(shè)計(jì)則在護(hù)膝板內(nèi)增加不同剛度的緩沖件（圖6所示方案二、三、四）。

四種護(hù)膝板設(shè)計(jì)方案有限元模型，提交LS-DYNA計(jì)算求解，采用META軟件提取各方案的Fx-t曲線如圖7所示。

小結(jié)：CAE仿真結(jié)果表明，方案一基礎(chǔ)狀態(tài)護(hù)膝板內(nèi)未增加任何緩沖件設(shè)計(jì)，其最大反力值達(dá)到2.5kN；方案二采用楊氏模量31MP泡沫設(shè)計(jì)，最大反力值略低于基礎(chǔ)狀態(tài)；方案三采用楊氏模量200000MP泡沫設(shè)計(jì)，其最大反力值反而超過了基礎(chǔ)狀態(tài)達(dá)到3.5kN；方案四采用楊氏模量4.5MPa海綿設(shè)計(jì)，護(hù)膝板的反力值Fx最小，不超過1.0kN，較方案一降低了60%。

根據(jù)CNCAP管理規(guī)則[12]，駕駛員小腿頸骨指數(shù)TI值主要受小腿的彎矩My影響，即小腿所受到的壓迫力的影響。如圖8所示，A點(diǎn)位置為上小腿彎矩傳感器位置，B點(diǎn)位置為下小腿彎矩傳感器位置，則AC、BC之間的距離，為護(hù)膝板對(duì)小腿彎矩的力臂長度。護(hù)膝板對(duì)小腿沖擊力Fx的降低，有利于小腿TI值的改進(jìn)。對(duì)比圖7的計(jì)算結(jié)果，方案四比方案一小腿所受的沖擊力有較大降低。因此，設(shè)計(jì)方案四最終被項(xiàng)目采用。

4 總結(jié)

文章以車型正面碰撞駕駛員小腿損傷系統(tǒng)分析為研究對(duì)象，針對(duì)小腿以一定初始動(dòng)能沖擊IP場景進(jìn)行CAE模擬，分別對(duì)4種不同的護(hù)膝板設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元分析，得到以下結(jié)論。

（1）根據(jù)整車實(shí)物碰撞試驗(yàn)結(jié)果，提出了小腿沖擊IP的初始動(dòng)能計(jì)算方法。

（2）提出了駕駛員側(cè)IP骨架與塑料件分區(qū)有限元建模方法。

（3）在正面碰撞過程中，分析了護(hù)膝板反力Fx與小腿頸骨指數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（4）從4種不同護(hù)膝板設(shè)計(jì)仿真結(jié)果可知，采用密度為88kg/m3、楊氏模量4.5MPa海綿材料作為護(hù)膝板緩沖件可使碰撞能量吸收效率顯著提升，其反力最大值Fx由基礎(chǔ)狀態(tài)2.5kN降低至約1.0kN，降低了60%，有利于改善小腿頸骨指數(shù)TI。

文章研究方法對(duì)于汽車內(nèi)部其他抗沖擊性能的部件如頭部撞擊IP、頭部撞擊A柱內(nèi)飾板CAE分析，同樣具有參考意義。

基金項(xiàng)目：江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“復(fù)雜場景下新能源汽車碰撞數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)”（20232BBE50008）研究成果。

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