基于行人腿部保护的商用车保险杠系统参数优化分析

尚雯雯 郑松林 刘斌 黄晨晖 漆露霖

（1.上海理工大学；2.上海汽车集团商用车技术中心）

1 前言

根据欧洲车辆安全委员会EEVC（European Enhanced Vehicle Committee）对行人伤害事故统计数据的分析结果，在行人与车辆的碰撞过程中，头部伤害和腿部伤害所占比例分别为31.3%和32.4%[1]，是行人保护研究的两个主要方向，而其中腿部伤害是最常见的行人伤害类型。

随着行人保护技术的进步，一系列相关标准如EuroNCAP、ENCAP、ANCAP、JNCAP、Directive 2003/102/EC 和 GTR（Global Technical Regulation）等陆续出台。2009年10月，我国发布了推荐性国家标准GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》，该标准基本执行GTR9《关于机动车碰撞时对行人及弱势道路使用者加强保护和减轻严重伤害的认证统一规定》的试验规定，只是降低了几个要求较高的伤害指标，因此本文应用GTR法规进行研究。

2 行人保护安全法规及试验简介

小腿加速度、膝部弯曲角度和膝部剪切位移是评价小腿伤害的3项重要指标，前述主要行人保护法规对这3项指标的要求对比如表1所列。考虑模拟分析与实际试验的误差，本文按照法规要求指标值的 80%进行分析[1，2]。

表1 各行人保护法规中腿部伤害指标对比

GTR法规定义的腿部碰撞区域以保险杠角为横向边界，由保险杠上部基准线UBRL（Upper bumper reference line）、 下部基准线 LBRL（Lower bumper reference line） 和保险杠角 CB （Corner of bumper）围成[3]，如图 1所示，碰撞点间距 132 mm以上并且碰撞点至少在保险杠角以内66 mm。本文选取商用车对行人腿部伤害最严重位置即Y=0截面处的碰撞点进行研究。

用于试验的腿部冲击器由两个外覆泡沫的刚性部件组成，分别代表人体的大腿和小腿，由可变形的膝关节结构连接。腿部冲击器总长为926 mm，质量为13.4 kg，大腿和小腿的直径为70 mm，外覆泡沫肌肉和皮肤，泡沫肌肉由厚度为25 mm的CF－45型泡沫或等效物组成，皮肤由氯丁橡胶泡沫制成，两面覆盖厚度为0.5 mm的尼龙布，总厚度为6 mm。大腿和小腿的质心分别在膝关节中心点以上217mm处和膝关节中心点以下233 mm处。在小腿的非撞击侧安装了一个单向加速度传感器，位置在膝关节中心以下66 mm处，其测量轴沿撞击方向。腿部冲击器后表面的任一点上或内部安装了与剪切位移系统相连的阻尼器。膝关节处安装了测量膝部弯曲角和膝部剪切位移的传感器。

3 试验系统模型建立

3.1 腿部模型

按照图2中GTR对腿部冲击器的要求，采用LSTC公司基于欧洲经济委员会行人保护法规ECNo.631/2009开发的小腿模型，其共包含47409个节点，由33 664个实体单元、2 960个薄壳单元和2个梁单元组成，共29个部件。模型包括橡胶表皮、大腿泡沫、小腿泡沫、大腿、小腿、膝关节、加速度传感器和阻尼器8部分。大腿和小腿两部分由模拟韧带连接，大腿和小腿外表包裹泡沫和橡胶层以模拟皮肤。其中腿部管状实体与泡沫层内表层、橡胶皮肤与泡沫外表层共用节点，如图3所示。

3.2 整车前部模型

按照GTR法规中对切割车身的要求建立整车前部结构有限元模型如图4所示，包括前保险杠、前格栅、发动机罩前缘和灯具等所有可能参与碰撞的部件。为节省计算时间和提高计算精度，对主要碰撞区域采用网格尺寸为10 mm的有限元模型，其中发生碰撞接触的蒙皮网格尺寸为8 mm，变形较大的前格栅采用5 mm网格，其他部分网格尺寸为10～15 mm。前保险杠蒙皮选用分段线性塑性材料，泡沫材料为PU30，与实车状态一致。撞击点处泡沫X向厚度为60 mm，进气口下缘表面离地Z向高度为617 mm，保险杠蒙皮壳单元厚度为3.5 mm，其中在Y=0处的截面形状如图5所示。保险杠系统在试验中汽车后部基本保持静止，故约束模型后部6个自由度。小腿撞击器的初始速度为40 km/h，撞击方向沿X轴正向。

4 试验参数灵敏度优化分析

4.1 试验控制参数及水平确定

通过对原始模型仿真结果中各零部件的吸能比例与受力分析可知，在碰撞区域内Y=0处的撞击点位置，影响小腿碰撞结果的主要部件为前保险杠总成、前格栅总成和吸能泡沫总成，可将其几何尺寸和材料作为主要设计参数。由于本文中车辆前段造型和布置空间已确定，可作为变量的参数有保险杠进气口下缘Z向离地高度A、保险杠蒙皮厚度B、泡沫材料刚度C与保险杠结构形式（加强筋）D。运用正交试验方法，将以上4个参数作为本次试验的控制因子，如图6所示。

本文重点分析各控制因素对碰撞试验结果的参数灵敏度，暂不考虑各因素的交互作用。将每个变量的变化范围设为初始值的85%～115%，制定的优化变量控制因素及水平如表2所示。对于上述4因素3水平试验，以不考虑交互作用的L9（34）列表[4]为例进行正交分析，仅进行9次试验即可反映出全部组合81次试验的整体趋势。

表2 设计变量控制因素水平表

4.2 试验结果分析

根据L9正交列表中的控制因子和水平，对有限元分析模型的因子进行9次组合，在GTR法规要求的碰撞条件下将有限元模型导入LS－DYNA进行模拟计算，得到的正交试验设计表及3项伤害指标的输出响应如表3所列。

表3 正交试验设计表及输出响应结果

分析表3中响应结果可知：

a. 组合3中，小腿虽有刚度较大的D3筋结构支撑，使膝部弯曲角度最小，但由于A1使保险杠进气口下缘离地高度较低，B3、C3、D3组合使得下部结构刚度过于集中，加速度响应值过大。

b. 组合5与组合9情况类似，B、C因子的水平取值使中部刚度较大，但因D1未布置筋结构，小腿上部无法提供支撑，得到的结果较差。

c. 组合8中，A3使保险杠进气口提供的弯矩最大，D3增加的筋结构使上、下刚度平衡，而B2、C1又使中部刚度较小，可以较好的吸收碰撞能量，因此该组合得到的3项伤害值最小，可为选取最优方案设计提供参考。

对3个输出响应结果进行灵敏度分析如图7所示。

对图7中灵敏度分析结果进行比较可知：

a. 小腿加速度响应同时受4个控制因素的影响。其中，保险杠蒙皮厚度和泡沫材料刚度的影响表现为正相关，即保险杠材料越厚，泡沫刚度越大，碰撞时产生的小腿加速度值越大。

b.影响膝部剪切位移的主要因素是泡沫材料刚度和保险杠结构形式。其中，保险杠结构形式的影响表现为负相关，刚度较小的泡沫材料和较薄的蒙皮结构组合形式有利于减小膝部剪切位移。

c. 膝部弯曲角度响应主要受保险杠结构形式的影响，其他3个因素对该响应的灵敏度较低，影响不显著。刚度分配均匀的保险杠结构形式有利于减小膝部弯曲角度，但局部刚度过大会造成加速度过大（如因素D3对应的加速度值）。

d. 进气口下缘Z向高度决定小腿与保险杠碰撞点位置，从而影响小腿缓冲弯矩的大小。由于商用车前部结构与普通轿车不同，无法增加副保险杠以支撑小腿下部，因此可适当降低保险杠安装高度来降低膝部弯曲角度和剪切位移，但高度过低也会因局部刚度过大而增加伤害程度。

e. 泡沫材料对各伤害指标的影响主要受刚度限制，在一定范围内，刚度较小的泡沫材料可通过大变形吸收更多能量，从而降低对小腿的伤害程度。

5 结束语

通过对某型商用车与行人小腿碰撞过程、主要控制参数的正交试验设计及灵敏度分析，找出了影响保险杠系统小腿保护性能的主要设计参数。其中保险杠进气口高度、泡沫材料刚度和合理的保险杠结构形式是商用车行人保护性能需要重点考虑的设计因素。

本研究为商用车保险杠系统设计初期考虑行人碰撞安全性提供了理论设计依据，有关试验的稳健性及优化设计方法还有待于进一步研究。

1 Kathleen DeSantis Klinich，Lawrence Schneider.Biomechanics of pedestrian injuries related to lower extremity injury assessment tools:A Review of the Literature and Analysis of pedestrian crash database.Alliance for Automobile Manufacturers.September，2003.

2 GTR9（Global Technical Regulation of Pedestrian Protection）.2008.

3 孙金霞.基于行人保护的金属吸能块副保险杠系统正交优化分析.INFATS Proceedings of the 9th International Forum of Automotive Traffic Safety.2011－12.

4 GB/T 24550－2009.汽车对行人的碰撞保护.

5 刘瑞江.正交试验设计和分析方法研究.实验技术与管理，2010，9（27）：52～55.