張志飛,李 勛,徐中明,賀巖松,楊海威

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400030； 2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院,重慶 400044)

2016007

面向行人腿部保護(hù)的保險(xiǎn)杠吸能結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

張志飛1,2,李 勛2,徐中明1,2,賀巖松2,楊海威2

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400030； 2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院,重慶 400044)

對(duì)某轎車進(jìn)行行人小腿與保險(xiǎn)杠的碰撞試驗(yàn)，建立行人小腿與某轎車前端的碰撞有限元模型，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，為滿足Euro-NCAP法規(guī)要求，在原車上增加吸能泡沫和副保險(xiǎn)杠，對(duì)比分析了3種不同截面形狀的EPP泡沫對(duì)行人腿部的保護(hù)效果，確定了吸能泡沫的最優(yōu)截面形狀為C形。接著通過(guò)Hyperstudy和LS-DYNA聯(lián)合仿真對(duì)吸能泡沫和薄壁圓管進(jìn)行了形狀和尺寸優(yōu)化，得到對(duì)行人腿部保護(hù)效果最好的參數(shù)組合。結(jié)果表明：行人保護(hù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)MSE較優(yōu)化前降低了47.4%，脛骨加速度和膝部彎曲角峰值分別下降了19.6%和37.6%。最后分析了設(shè)計(jì)變量對(duì)腿部損傷指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

行人保護(hù)；EPP泡沫；保險(xiǎn)杠；形狀優(yōu)化；尺寸優(yōu)化

前言

人體下肢是在人車碰撞中最容易受傷的部位[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)行人下肢保護(hù)方面進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[2]中通過(guò)大量試驗(yàn)指出，能夠滿足脛骨加速度峰值和膝關(guān)節(jié)彎曲角度峰值要求的車前端結(jié)構(gòu)，一般都能滿足膝關(guān)節(jié)剪切位移峰值的要求，因此研究的趨勢(shì)主要是在保險(xiǎn)杠橫梁與蒙皮之間布置吸能塊來(lái)降低脛骨加速度和加裝副保險(xiǎn)杠來(lái)減小膝部彎曲角[3]。文獻(xiàn)[4]中采用金屬吸能薄板作為緩沖吸能結(jié)構(gòu)，并對(duì)其剛度和厚度進(jìn)行了優(yōu)化，降低了行人腿部損傷指標(biāo)。文獻(xiàn)[5]中使用PC/PBT材料作為緩沖吸能結(jié)構(gòu)，對(duì)汽車前端結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了行人腿部保護(hù)性能。文獻(xiàn)[6]中通過(guò)改變泡沫吸能塊的密度和添加小腿加強(qiáng)筋，使脛骨加速度和膝部彎曲角峰值對(duì)比原有結(jié)構(gòu)有明顯降低。

現(xiàn)階段，主要采用近似模型或者軟件集成進(jìn)行緩沖吸能部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，文獻(xiàn)[7]中通過(guò)正交試驗(yàn)采集樣本，構(gòu)造出了3個(gè)腿部損傷指標(biāo)的切比雪夫正交多項(xiàng)式，利用序列二次規(guī)劃法對(duì)近似模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，提升了行人腿部保護(hù)性能。該方法計(jì)算效率高，應(yīng)用廣泛，但是對(duì)建立的近似模型的精度要求高。文獻(xiàn)[8]中按照FMVSS581中的擺錘沖擊試驗(yàn)要求，以擺錘的沖擊位移最小化為目標(biāo)，在Hyperstudy軟件中調(diào)用LS-DYNA求解器，對(duì)PB/PCT緩沖吸能材料進(jìn)行形狀和尺寸優(yōu)化。該方法操作簡(jiǎn)單直接，沒(méi)有構(gòu)建響應(yīng)面的繁瑣過(guò)程，但是求解效率與模型大小直接相關(guān)。在行人保護(hù)方面，應(yīng)用軟件集成優(yōu)化的方法對(duì)緩沖吸能部件進(jìn)行形狀和尺寸優(yōu)化的研究較少。

本文中選取EPP泡沫材料作為保險(xiǎn)杠橫梁和蒙皮之間的吸能材料，采用金屬薄壁圓管作為副保險(xiǎn)杠，并在3種不同截面形狀的泡沫結(jié)構(gòu)中優(yōu)選出對(duì)行人腿部保護(hù)性能最好的吸能結(jié)構(gòu)，在Hypermorph中建立3個(gè)影響吸能泡沫截面的形狀變量，以圓形薄壁管的厚度作為尺寸變量，利用Hyperstudy和LS-DYNA進(jìn)行聯(lián)合仿真優(yōu)化，獲得對(duì)行人腿部保護(hù)性能最好的吸能結(jié)構(gòu)參數(shù)，并分析了設(shè)計(jì)變量對(duì)3個(gè)腿部損傷指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

1 腿部傷害指標(biāo)的試驗(yàn)與仿真分析

由于影響行人腿部保護(hù)性能的部位主要是汽車前端結(jié)構(gòu)，故只選取汽車前端對(duì)行人腿部傷害指標(biāo)有影響的部件建立某車型前端的有限元模型，包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋、保險(xiǎn)杠蒙皮、翼子板、進(jìn)氣格柵、前保險(xiǎn)杠、冷凝器和前縱梁等。對(duì)縱梁、翼子板下端、懸架、機(jī)艙蓋鉸鏈安裝點(diǎn)進(jìn)行6個(gè)自由度的約束。所建立的有限元模型采用BT薄殼單元，網(wǎng)格平均尺寸為6mm，包含337 300個(gè)單元，348 595個(gè)節(jié)點(diǎn)。行人下肢模型與汽車前端結(jié)構(gòu)采用自動(dòng)面面接觸，汽車前端結(jié)構(gòu)采用自動(dòng)單面接觸，靜摩擦因數(shù)fs為0.15，動(dòng)摩擦因數(shù)fd為0.08。該有限元模型經(jīng)過(guò)了動(dòng)態(tài)與靜態(tài)有限元仿真試驗(yàn)標(biāo)定[9]，符合法規(guī)規(guī)定。將有限元模型提交LS-DYNA求解，提取3個(gè)腿部損傷指標(biāo)曲線。

按照Euro-NCAP法規(guī)要求，行人下肢模塊與汽車碰撞試驗(yàn)中，質(zhì)量為(13.4±0.2)kg的下肢模塊以(11.1±0.2)m/s的速度沿著與車輛縱垂面平行的方向撞向靜止的汽車前端，撞擊點(diǎn)在保險(xiǎn)杠中間位置，在試驗(yàn)中測(cè)量脛骨加速度gAcc、膝關(guān)節(jié)彎曲角度θBend和剪切位移dshear，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求3個(gè)損傷指標(biāo)分別不超過(guò)150g，6mm和15°。

圖1為試驗(yàn)和仿真分析得到的腿部損傷指標(biāo)曲

圖1 仿真與試驗(yàn)腿部損傷指標(biāo)曲線對(duì)比

線對(duì)比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。可以看出：腿部損傷指標(biāo)的試驗(yàn)和仿真曲線變化趨勢(shì)和峰值基本保持一致，誤差不超過(guò)10%，表明該有限元模型是可靠的。經(jīng)分析可知，脛骨加速度峰值和膝部彎曲角峰值都超過(guò)了Euro-NCAP法規(guī)限值。

表1 仿真和試驗(yàn)以及法規(guī)限值對(duì)比

2 吸能泡沫和副保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)

為降低脛骨加速度和膝部彎曲角峰值，使該車行人腿部保護(hù)性能滿足法規(guī)要求，添加吸能泡沫和副保險(xiǎn)杠薄壁圓管，如圖2所示。吸能泡沫使用EPP發(fā)泡材料，其密度為45kg/m3，縱向厚度為80mm，粘連在保險(xiǎn)杠橫梁上，副保險(xiǎn)杠薄壁圓管使用鋼材料，厚度為0.5mm，圓管半徑為10mm，屈服應(yīng)力為210MPa，焊接在下端支撐梁上。

圖2 吸能泡沫和副保險(xiǎn)杠

設(shè)計(jì)3種不同截面形狀的吸能泡沫，其外輪廓尺寸不變，見(jiàn)圖3。截面1為矩形，截面2為M形，截面3為C形。副保險(xiǎn)杠均使用相同的薄壁圓管。

圖3 吸能泡沫截面形狀

使用MSE作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)[10]，即

(1)

經(jīng)過(guò)變換后得到

0.1(dShear/6)2

(2)

從變換后的式(2)中可以看出：它不僅衡量了歸一化的加速度和彎曲角度峰值之和的平均值大小，也衡量了歸一化的加速度和彎曲角度峰值之差的大小。

采用這3種截面形式的吸能泡沫時(shí)，行人腿部損傷指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，可知截面3泡沫所對(duì)應(yīng)的MSE值最小，即其綜合性能最好，因此選擇截面3的吸能泡沫作為保險(xiǎn)杠橫梁和蒙皮之間的吸能結(jié)構(gòu)。

表2 3種不同截面吸能泡沫的仿真結(jié)果

改進(jìn)后的車型(安裝C形泡沫和圓管)與原車型對(duì)比見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯黾游芘菽?，保險(xiǎn)杠區(qū)域的剛度明顯加強(qiáng)。在0～4ms，脛骨加速度快速上升，然后進(jìn)入“平臺(tái)段”，直到10ms后吸能泡沫被壓實(shí)，加速度達(dá)到峰值。由于“平臺(tái)段”的碰撞力較原車型高出很多，吸能泡沫在“平臺(tái)段”的變形能夠吸收更多的沖擊動(dòng)能，使進(jìn)入“壓實(shí)段”的加速度峰值降低至150g以下[11]。增加薄壁圓管后，副保險(xiǎn)杠區(qū)域的剛度加強(qiáng)，能夠?qū)π⊥绕鸬接行У闹巫饔茫乐剐⊥扔捎趹T性效應(yīng)而發(fā)生較大彎曲，圖4(b)中膝部彎曲角峰值已經(jīng)降至法規(guī)限值以下。

圖4 改進(jìn)前后腿部損傷指標(biāo)曲線對(duì)比

3 吸能泡沫和副保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 形狀和尺寸優(yōu)化流程

尺寸優(yōu)化時(shí)，和尺寸相關(guān)的屬性都可以作為尺寸優(yōu)化的變量。這里將副保險(xiǎn)杠薄壁管的厚度設(shè)為尺寸變量t(圖5)。形狀優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量是結(jié)構(gòu)的形狀，因此在創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量時(shí)需要在Hypermorph模塊中定義結(jié)構(gòu)的形狀，應(yīng)用morph命令改變吸能泡沫的形狀，并建立形狀變量s1，s2，s3，它們共同決定吸能泡沫的截面形狀。設(shè)計(jì)變量的初始值及上下限如表3所示。

圖5 形狀和尺寸設(shè)計(jì)變量

mm

以MSE作為目標(biāo)函數(shù)找到的最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)不僅要求歸一化的損傷指標(biāo)(即脛骨加速度和膝部彎曲角峰值)的均值最小，還要求兩個(gè)損傷指標(biāo)的差值最小。因此，將綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)MSE取得最小值作為目標(biāo)函數(shù)。采用Euro-NCAP推薦的腿部損傷指標(biāo)限值作為約束條件，即脛骨加速度不大于150g，膝部彎曲角不大于15°，膝部剪切位移不大于6mm。數(shù)學(xué)優(yōu)化模型為

設(shè)計(jì)變量:t,s1,s2,s3

優(yōu)化目標(biāo): minMSE

s.t:0.5mm≤t≤1.0mm;10mm≤s1≤30mm;

4mm≤s2≤36mm;10mm≤s3≤30mm;

gAcc≤150g;QBend≤15°;dShear≤6mm

聯(lián)合Hyperstudy和LS-DYNA軟件進(jìn)行集成優(yōu)化，首先在Hyperstudy中調(diào)用LS-DYNA求解器，然后定義設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行初始分析計(jì)算，在結(jié)果文件nodeout和deforc中定義4個(gè)響應(yīng)量[12]，分別是最大脛骨加速度、最大膝部彎曲角、最大膝部剪切位移和綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)MSE。最后在Optimization模塊下定義約束條件和目標(biāo)函數(shù)，由于自適應(yīng)響應(yīng)面法迭代收斂快，適用于求解非線性問(wèn)題，所以選擇該優(yōu)化算法求解。

3.2 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過(guò)27步迭代計(jì)算后結(jié)果收斂，圖6～圖8為脛骨加速度、膝部彎曲角和綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)MSE的迭代歷程。優(yōu)化過(guò)程中各設(shè)計(jì)變量和響應(yīng)量的變化歷程如表4所示。將初始結(jié)果(第1步)和最優(yōu)結(jié)果(第25步)進(jìn)行對(duì)比分析，如表5所示，可知經(jīng)過(guò)優(yōu)化后行人腿部損傷指標(biāo)都下降，且MSE降低了47.4%，行人下肢保護(hù)性能有明顯提升。

圖6 脛骨加速度迭代歷程

圖7 膝部彎曲角迭代歷程

圖8 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)MSE迭代歷程

迭代次數(shù)t/mms1/mms2/mms3/mm脛骨加速度峰值/g膝部彎曲角峰值/(°)膝部剪切位移峰值/mmMSE10.50020.00020.00020.000126.64112.2321.9510.63120.50019.96418.10723.399126.12612.2492.0350.630………………………251.00024.49817.06916.291101.8227.6261.7730.332261.00024.66217.10315.291101.9947.6141.7890.333271.00024.59817.08514.230102.1417.6531.7760.335

表5 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

考慮到產(chǎn)品的制造加工，將設(shè)計(jì)變量精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，最終確定副保險(xiǎn)杠薄壁圓管的厚度為1.0mm，保險(xiǎn)杠橫梁和蒙皮之間的吸能泡沫的3個(gè)形狀變量分別為24.5，17.1和16.3mm。

3.3 設(shè)計(jì)變量對(duì)行人腿部損傷指標(biāo)的影響

設(shè)計(jì)變量對(duì)行人腿部損傷指標(biāo)的影響可通過(guò)分析設(shè)計(jì)變量對(duì)3個(gè)損傷指標(biāo)的貢獻(xiàn)率來(lái)確定，忽略交互作用的影響[13]。各設(shè)計(jì)變量對(duì)3個(gè)損傷指標(biāo)的貢獻(xiàn)率見(jiàn)圖9。對(duì)于脛骨加速度，主要影響因素是形狀變量，尺寸變量t對(duì)脛骨加速度的貢獻(xiàn)率僅為24%；對(duì)于膝部彎曲角，主要影響因素是尺寸變量t，形狀變量的影響很小；對(duì)于膝部剪切位移，主要受形狀變量的影響，圓管厚度對(duì)其影響不超過(guò)5%。

4 結(jié)論

為提高該車的行人腿部保護(hù)性能，在保險(xiǎn)杠橫梁和蒙皮之間設(shè)計(jì)吸能泡沫，并安裝小腿支撐結(jié)構(gòu)即副保險(xiǎn)杠薄壁圓管。對(duì)比分析3種不同截面形狀的吸能泡沫，選取對(duì)行人保護(hù)性能最好的吸能泡沫結(jié)構(gòu)。

以綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)MSE最小為目標(biāo)，集成Hyperstudy和LS-DYNA軟件對(duì)吸能泡沫的截面形狀和副保險(xiǎn)杠薄壁圓管的厚度進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得對(duì)行人腿部保護(hù)性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。從優(yōu)化結(jié)果可以看出，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)MSE較優(yōu)化前降低了47.4%，有效地降低了行人腿部在交通事故碰撞中受到的傷害。

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Optimization of Bumper Energy-absorbing Structure for Pedestrian Leg Protection

Zhang Zhifei1,2, Li Xun2, Xu Zhongming1,2, He Yansong2& Yang Haiwei2

1.ChongqingUniversity,StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,Chongqing400030;2.SchoolofAutomotiveEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044

A pedestrian lower legs-bumper crash test is conducted on a passenger car. Meanwhile a finite element model for the collision between pedestrian lower legs and the front-end of the car is established with a corresponding simulation performed. The results of test verify the correctness of the model built. On this basis，for meeting the requirements of Euro-NCAP regulation, energy-absorbing foam and auxiliary bumper are added on the original car. The pedestrian leg protection effects of expanded polypropylene foam with three different cross-sections are comparatively analyzed, with the cross-section “C” is determined to be the optimum. Then size and shape optimizations are carried out on energy-absorbing foam and thin-walled circular tube by Hyperstudy / LS-DYNA co-simulation, and a set of parameters providing the best protection effect of pedestrian legs are obtained. The results show that after optimization the comprehensive evaluation index MSE for pedestrian protection reduces by 47.4% and the peak tibia acceleration and knee bending angle decrease by 19.6% and 37.6% respectively. Finally, the contribution rate of each design variable to leg injure index is analyzed.

pedestrian protection; expanded polypropylene foam; bumper; shape optimization; size optimization

*中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(CDJZR14115501)資助。

原稿收到日期為2014年5月5日。