崔淑娟，郝海舟，趙清江，劉 琦，彭 錕，劉 果

（1.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401122；2.中國汽車工程研究院，重慶 401122）

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球交通事故死亡人數(shù)中的22%為行人。各國行人事故中行人傷害多見于頭部和下肢，其中，行人下肢與汽車前保險(xiǎn)杠碰撞產(chǎn)生的傷害占行人總傷害比例為美國43%、德國35%、日本42%[1]。國內(nèi)，以長沙市的數(shù)據(jù)為例，下肢傷害占比為25.9%[2]。

下肢傷害極易導(dǎo)致腿部的長期殘疾，因此，國內(nèi)外均將行人下肢保護(hù)納入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)中。E-NCAP已于2014年開始采用Flex-PLI柔性腿型進(jìn)行新車星級(jí)評(píng)定試驗(yàn)，ECE R127-01于2015年執(zhí)行柔性腿型認(rèn)證試驗(yàn)[3]。C-NCAP 2018版和中國保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)C-IASI 2017版均包含行人保護(hù)測試項(xiàng)目，測試工況和所采用的沖擊器與E-NCAP相同。目前，行人柔性腿型沖擊在國內(nèi)外也成為研究熱點(diǎn)。

本文根據(jù)歐洲ECE R127-01法規(guī)要求，建立了某車型的有限元仿真模型，針對(duì)基礎(chǔ)車仿真分析結(jié)果，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和常見的行人保護(hù)柔性腿型沖擊性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)車輛前端吸能泡沫進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析。該車型最終通過了ECE R127-01的法規(guī)認(rèn)證。

1 基礎(chǔ)車Flex-PLI柔性腿型沖擊保險(xiǎn)杠性能分析

1.1 ECE R127-01柔性腿型沖擊測評(píng)標(biāo)準(zhǔn)

柔性腿型沖擊保險(xiǎn)杠試驗(yàn)是通過沖擊器受到的膝部韌帶伸長量和脛骨彎矩作為傷害指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)的（表1）。

根據(jù)ECE R127-01法規(guī)要求，確定腿型測試區(qū)域應(yīng)滿足以下條件：柔性腿型沖擊器離地面高度75 mm，沿車輛縱向以40 km/h的速度沖擊車輛前端，過保險(xiǎn)杠角的邊界線向內(nèi)偏移66 mm。再將腿型測試區(qū)域分為三等分，在各均分區(qū)域至少選擇1個(gè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 有限元模型搭建及對(duì)標(biāo)

采用Hyper-mesh軟件建立該車型仿真模型，按照實(shí)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。前保險(xiǎn)杠及其附件的材質(zhì)為塑料件，強(qiáng)度低且韌性差，在碰撞過程中容易發(fā)生斷裂失效等問題。在仿真模型中，為接近真實(shí)情況，對(duì)關(guān)鍵變形零部件設(shè)置斷裂失效模型[4]。

只截取車輛B柱之前的部分進(jìn)行分析，包括發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、前圍板及其之前的零部件、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部各零部件、前懸架等結(jié)構(gòu)。約束車輛截面和前懸架處的6個(gè)自由度。模型共有單元數(shù)1 079 545個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 578 193個(gè)，三角形單元比例4.5%。

車型研發(fā)初期進(jìn)行了剛性腿型沖擊試驗(yàn)，為驗(yàn)證車體有限元模型的有效性，根據(jù)摸底試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置與試驗(yàn)相同的工況進(jìn)行仿真分析。在仿真模型中，設(shè)置并調(diào)整剛性腿型沖擊器離地面高度25 mm，沿車輛縱向以40 km/h的速度沖擊車輛前端。計(jì)算完成后，查看模型的能量曲線。界面滑移能和沙漏能占總能量百分比小于5%，質(zhì)量增加百分比小于5%，認(rèn)為模型計(jì)算結(jié)果可信。

選取其中3個(gè)撞擊位置與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，膝部加速度曲線對(duì)標(biāo)結(jié)果見表2，最大誤差12%。以L-5試驗(yàn)點(diǎn)的膝部加速度曲線為例（圖1），試驗(yàn)曲線和仿真曲線走勢(shì)一致，滿足工程精度，模型可以用于后續(xù)分析。

表2 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

圖1 L-5 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線

1.3 基礎(chǔ)車柔性腿型沖擊仿真分析結(jié)果

柔性腿型沖擊的仿真模型如圖2所示，以ECE R127-01法規(guī)為開發(fā)目標(biāo)的行人保護(hù)分析項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段為驗(yàn)證測試區(qū)域全部滿足法規(guī)要求，常見的做法是從車體橫向中心位置開始，依次向左右兩側(cè)以100 mm間隔布置撞擊點(diǎn)來進(jìn)行仿真分析。該車型共選定11個(gè)仿真分析位置，仿真分析結(jié)果見表3。結(jié)果超過傷害極限的80%標(biāo)記成黃色，判斷為存在性能風(fēng)險(xiǎn)。由此可知，撞擊傷害主要表現(xiàn)在腿型的上部脛骨彎矩T1處。

表3 仿真分析結(jié)果

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)仿真分析

2.1 優(yōu)化策略

對(duì)行人保護(hù)柔性腿型沖擊性能最關(guān)鍵的影響因素是車輛前端造型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣、上支撐結(jié)構(gòu)、前防撞橫梁吸能裝置、下支撐結(jié)構(gòu)是幾個(gè)重要的傳力路徑[6]。通過合理配置前端結(jié)構(gòu)，從而改善腿型的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，是最有效的優(yōu)化柔性腿型沖擊性能的方法。

常見車輛造型特征可歸納為三種，如圖3所示，依次對(duì)應(yīng)轎車、接近角較大的SUV車型和城市/中大型SUV車型。轎車前保險(xiǎn)杠蒙皮下端通常離地高度較低，車體對(duì)腿型的脛骨有較好的支撐，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣較低，車體前端對(duì)腿型的膝蓋及以上結(jié)構(gòu)支撐不足，膝部韌帶伸長量與脛骨彎矩都有超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。接近角較大的SUV車型，前保險(xiǎn)杠蒙皮下端通常離地高度較高，車體對(duì)腿型的脛骨支撐不足，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣較高，車體前端對(duì)腿型的膝蓋及以上結(jié)構(gòu)有較好的支撐，膝部韌帶伸長量與脛骨彎矩T1都有超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。城市/中大型SUV車體前端比較平齊，為腿型的均勻支撐提供了可能性，但如果支撐剛度匹配不均勻，同樣存在性能超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)[7-8]。針對(duì)不同的車輛造型特征，采用不同的優(yōu)化開發(fā)策略，以達(dá)到不同的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，如圖4所示。

圖3 常見車輛造型特征

圖4 不同造型車輛的柔性腿型目標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

具體的優(yōu)化策略為：（1）轎車。弱化發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣剛度，在保險(xiǎn)杠下端內(nèi)側(cè)增加小腿支撐結(jié)構(gòu)，如圖5所示。（2）接近角較大的SUV。弱化保險(xiǎn)杠下部剛度，減弱保險(xiǎn)杠下部作為腿型彎曲的支點(diǎn)作用；通常不設(shè)計(jì)前保險(xiǎn)杠下端小腿支撐結(jié)構(gòu)，盡可能增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣剛度或增加上支撐結(jié)構(gòu)，如圖6所示；造型階段，盡可能使發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣靠前。（3）城市/中大型SUV。優(yōu)化前防撞橫梁泡沫的結(jié)構(gòu)以及材料參數(shù)，在支撐不足的高度位置增加支撐橫梁結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖5 轎車優(yōu)化實(shí)例

圖6 接近角較大的SUV優(yōu)化實(shí)例

圖7 城市/中大型SUV優(yōu)化實(shí)例

2.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，傷害主要出現(xiàn)在柔性腿型上脛骨處。觀察仿真動(dòng)畫，以L0點(diǎn)為例，碰撞過程中，在20 ms左右時(shí)，柔性腿型和前保險(xiǎn)杠發(fā)生擠壓，吸能泡沫結(jié)構(gòu)偏硬，成為前端造型的突出點(diǎn)。腿型上端受到發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣的支撐，腿型下端發(fā)生明顯彎曲，導(dǎo)致脛骨彎矩較大。前保險(xiǎn)杠蒙皮中間的安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)局部剛度大，導(dǎo)致前保險(xiǎn)杠蒙皮變形不充分，加劇了脛骨彎矩的增加。在40 ms左右時(shí)，腿型成向后倒的姿態(tài)反彈，腿型和車體分離，如圖8所示。

圖8 柔性腿型沖擊保險(xiǎn)杠截面圖

由圖8可知，車體前端外造型平齊。從支撐結(jié)構(gòu)上看，上部有發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣，中部有吸能泡沫，下部有前保險(xiǎn)杠蒙皮下支撐件。但位于防撞橫梁前端的吸能泡沫未與上下各支撐結(jié)構(gòu)形成良好的剛度匹配，使上下受力不均衡，所以重點(diǎn)弱化吸能泡沫結(jié)構(gòu)，并對(duì)前保險(xiǎn)杠蒙皮中間的安裝點(diǎn)進(jìn)行局部優(yōu)化，如圖9所示。

圖9 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

3 優(yōu)化方案仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)設(shè)計(jì)仿真分析結(jié)果見表4，采用上述改進(jìn)設(shè)計(jì)方案后，柔性腿型傷害值滿足ECE R127-01法規(guī)要求，并且保留了20%的安全裕度。上部脛骨彎矩值相對(duì)基礎(chǔ)車有明顯下降。

ECE R127-01規(guī)定，至少選擇3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)證試驗(yàn)。選擇點(diǎn)之間至少間隔132 mm，試驗(yàn)時(shí)，通常選擇最易造成傷害的點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)定的性能目標(biāo)，該車型順利通過ECE R127-01法規(guī)認(rèn)證。

測試位置 韌帶伸長量/mm 脛骨彎矩/Nm PCL ACL MCL T1 T2 T3 T4 L0 2.6 7.3 13.2 249 228 180 100 L1 2.5 6.8 13.2 250 227 184 97 L-1 3.1 7.7 14.5 250 234 190 105 L2 3.2 7.7 14.5 253 228 183 98 L-2 3.2 7.6 14.9 248 227 184 102 L3 2.6 6.9 12.4 223 208 184 107 L-3 3.1 7.6 14.0 232 222 191 111 L4 0.9 3.7 7.2 121 138 146 82 L-4 1.2 4.0 7.9 140 150 147 84.9 L5 7 4.4 8.9 116 123 157 86 L-5 6.1 4.0 8.2 107 125 265 94

表5 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）本文建立了某車型行人保護(hù)腿型沖擊仿真分析模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，模型精度滿足要求。

（2）根據(jù)ECE R127-01法規(guī)要求，進(jìn)行了柔性腿型沖擊保險(xiǎn)杠仿真分析，傷害主要集中在上部脛骨彎矩。針對(duì)常見的不同車輛前段外造型，對(duì)行人保護(hù)柔性腿型沖擊的性能開發(fā)策略進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。對(duì)該車型仿真結(jié)果進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明，優(yōu)化后該車型能夠通過ECE R127-01法規(guī)認(rèn)證。

（3）行人保護(hù)柔性腿型沖擊性能主要取決于車輛前端外造型和內(nèi)部支撐件的布置。在車輛開發(fā)早期，對(duì)外造型進(jìn)行特征設(shè)計(jì)，合理規(guī)劃支撐路徑，匹配支撐結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)提高行人保護(hù)性能意義重大。