基于行人保护的SUV车型前端造型设计研究＊

吕晓江 刘卫国，2 周大永 王 纯 赵福全，2

（1.浙江吉利汽车研究院有限公司；2.浙江省汽车安全技术研究重点实验室）

1 前言

美国交通事故研究表明，行人与SUV车辆发生碰撞而死亡的概率是普通轿车的2倍，其中11.5%的行人与SUV车型发生碰撞会导致死亡[1]。随着行人保护研究的不断深入，汽车前部造型是行人保护设计的关键并直接影响行人保护成绩[2]。考虑到通过性、动力性的要求，SUV车辆前端造型较特殊，因此对其前端造型设计提出新的要求。

本文以 《欧洲新车评价规程》（Euro-New Car Assessment Program，Euro-NCAP）为基础，运用“计算机辅助造型”（Computer-Aided Styling，CAS）及CAE对SUV前端造型设计特点进行研究。

2 行人头部碰撞区域造型设计研究

2.1 侧面基准线位置对SUV造型设计的影响

侧面基准线的位置直接影响头部碰撞区域两侧的边界。在头部碰撞试验中，头部伤害指标（Head Injury Criterion，HIC）最大值分别发生在发动机罩与翼子板交界处、发动机罩与前组合灯交界处以及发动机罩铰链处[3]，以上容易产生高伤害值的区域都在头部碰撞区域两侧。SUV车型由于车身宽度较大，在两侧的碰撞边界也较大。因此，如果在造型阶段不加以控制侧面基准线位置，到研发后期会给行人保护头部碰撞开发带来很高风险，甚至不能满足欧盟法规的要求。2013年，Euro-NCAP行人保护评价规程将采用100 mm网格法代替原有头部碰撞评价方法[4]，对车辆的行人保护性能考察将更加全面，对SUV车型侧面基准线位置提出新要求。

研究宝马X3和宝马X1两款SUV前端造型结果如图1所示。由图1a可知，宝马X3的侧面基准线（图中虚线）划分在翼子板上，导致实际头部碰撞区域两侧边界在HIC最大值区域内；由图1b宝马X3的Euro-NCAP行人保护测试结果可知，在两侧碰撞区域（C1、C6区域）内均存在一定程度失分[5]；由图1c可知，宝马X1的侧面基准线基本划分在发动机罩上，头部碰撞区域避开了HIC最大值区域；由图1d宝马X1的Euro-NCAP行人保护测试结果可知，在两侧碰撞区域得到满分，行人保护头部碰撞安全性能得以提高[6]。

图2中实线为某SUV车型侧面基准线划线情况。由划线情况可知，在图示两侧区域内与车辆横向垂直平面平行并且向内倾斜45°的直线（简称45°线）与翼子板相切，按照100 mm网格法确定的部分碰撞点落在翼子板与发动机罩分缝线附近位置。该区域刚度通常较大，对头部碰撞十分不利。因此，需要对发动机罩及翼子板CAS进行优化以调整侧面基准线位置，从而避免翼子板先与45°线相切。其方法是将发动机罩CAS向两侧外部偏移而翼子板CAS向内偏移（图3箭头方向），使45°线先与发动机罩相切。考虑到生产制造误差，使发动机罩与翼子板凸出部位沿45°线的垂线方向保留8 mm余量。图2中虚线部分为优化后划线结果，侧面基准线大部分在发动机罩上，缩小了头部碰撞区域，也减少了在发动机罩两侧易产生高伤害值的危险碰撞点，从而降低了该区域的伤害值。

2.2 发动机罩后面基准线位置对SUV造型设计的影响

对SUV车型而言，发动机罩后面通风盖板覆盖区域通常在成人头部碰撞区域内，成人头部模型与水平面冲击角度为65°，如果成人头部模型直接与雨刮轴、雨刮电机、通风盖板与前挡风玻璃搭接处发生碰撞，则会产生更大伤害。因此，目前许多车型将通风盖板设计成隐藏式，一方面能使头部模型避开雨刮轴、雨刮电机等通风盖板下方硬点，另一方面发动机罩后缘与通风盖板之间的空间能够避免发生二次碰撞。采用隐藏式通风盖板结构的车型其该区域头部碰撞得分相对较高，如宝马X1采用隐藏式通风盖板后在该区域头部碰撞得到满分。

图4为某SUV车型通风盖板区域Y向（车辆长度方向为X向，宽度方向为Y向，高度方向为Z向）截面，对通风盖板区域造型修改方法有2种，具体方法如下。

a. 发动机罩外CAS向后延伸，方向如图4a中箭头方向，用直径为165 mm的球先与挡风玻璃接触，然后与发动机罩后缘接触，而不是与通风盖板接触。

b.部分下移通风盖板与挡风玻璃接触边，同时延长发动机罩后缘，方向如图4b中箭头方向。

优化后的发动机罩后缘基准线划线避免了头部模型与通风盖板区域的硬点直接碰撞，该区域行人保护性能得到提升。

2.3 WAD1000线位置对SUV造型设计的影响

WAD1000线位置控制头部碰撞区域前边界。SUV车辆发动机尺寸较大，因此发动机舱空间较其他轿车大，前端造型较一般车型高，因此在造型设计时尽量使WAD1000线靠后，以避开发动机罩锁扣、发动机罩缓冲块等硬点。

3 行人腿部碰撞区域造型设计研究

3.1 前保险杠造型支撑区域对SUV造型设计的影响

根据Euro-NCAP的规定，在腿型对保险杠的试验中，前保险杠下部基准线与水平面的距离小于425 mm时用小腿冲击器进行试验，距离为425～500 mm时可由制造商选择用小腿冲击器或者大腿冲击器进行试验，若该距离大于500 mm则必须用大腿冲击器进行试验[4]。

3.1.1 前保险杠造型支撑区域概念

针对SUV车辆前保险杠造型行人保护腿部碰撞设计，提出前保险杠造型支撑区域概念。前保险杠上、下部基准线分别控制前保险杠造型支撑区域上、下部边界，前保险杠角点控制前保险杠造型支撑区域左、右两侧边界。前保险杠造型支撑区域关系到腿部防撞系统结构和布置，对行人保护腿部防撞系统开发有重要影响。图5中深灰色区域为前保险杠造型支撑区域。

3.1.2 采用小腿冲击器时前保险杠造型设计

研究表明，小腿模型下部质心高度位置低于前保险杠下部基准线位置时，小腿模型在碰撞过程中保持向上翻滚的运动姿态，从而有效控制膝部弯曲角[2]。一般SUV底盘较高，没有下部支撑的安装空间，其小腿碰撞设计采用与轿车相反的思路，即通过增加上支撑以抵住小腿上部向上翻滚的趋势，使小腿整体上形成向下翻滚的运动姿态[7]。

因此，结合某SUV车型前保险杠上、下基准线划分，找出前保险杠造型支撑区域，并利用madymo软件，通过设置支撑区域刚度来考察支撑区域的位置是否合理，最终通过分析结果进行前保险杠造型支撑区域CAS优化，从而提高行人腿部碰撞的性能。

小腿模型碰撞车辆前端时所受主要载荷分为发动机罩前缘位置载荷、前保险杠造型支撑区域载荷、扰流板载荷[8～9]，根据某SUV前端造型特征分别建立发动机罩前缘椭球、前保险杠造型支撑区域椭球（包括上支撑椭球和中间支撑椭球）及扰流板椭球，如图6所示。载荷刚度设置如图7所示。

上支撑椭球与小腿上部质心Z向间隙用A表示，中间支撑椭球与小腿下部质心Z向间隙用B表示（图8）。由表1模拟结果可知，随着A值不断减小，胫骨加速度变化不大，膝部剪切位移和膝部弯曲角逐渐降低。在保证散热器格栅进风面积要求的前提下，当上支撑椭球与小腿上部质心Z向间隙为105 mm时为最优。上支撑椭球位置确定后，对中间支撑椭球布置位置进行分析。由表2可知，随着B值不断减小，胫骨加速度变化不大，膝部剪切位置逐渐增高，膝部弯曲角逐渐降低。综合考虑前保险杠下部进风面积要求后，中间支撑椭球与小腿下部质心Z向间隙取175 mm时为最优。最后通过最优方案的上支撑椭球与中间支撑椭球的布置位置来调整前保险杠造型支撑区域CAS。图8为采用最优方案前、后的仿真结果。

表1 A值对小腿伤害的影响

表2 B值对小腿伤害的影响

3.1.3 采用大腿冲击器时前保险杠造型设计

采用大腿冲击器时同样采用3.1.2节方法，通过给定前保险杠造型区域椭球的刚度分析前保险杠椭球不同布置位置对大腿碰撞结果的影响。分析过程不再繁述，结论为控制前保险杠上基准线与下基准线的相对位置，使前保险杠造型支撑区域覆盖整个大腿，从而保证大腿冲击器在碰撞时上、下两侧的受力平衡。

3.2 发动机罩前缘基准线位置对SUV造型设计的影响

车辆前部造型的几何尺寸决定了大腿模块撞击的能量、初速度与角度，而撞击接触面积等决定了大腿模块受到的冲击力和弯曲力矩的大小[10]。由于SUV发动机罩前缘基准线较高，其大腿碰撞能量也较高，因此在Euro-NCAP大腿冲击器对发动机罩前缘的碰撞测试中得分几乎都为零。

但是，皮卡汽车Ford Ranger在2012年的Euro-NCAP行人保护测试中得分率达到81%，在大腿冲击发动机罩前缘测试中也取得了不错的成绩[11]。其原因一方面是其发动机罩前缘基准线与发动机罩和前保险杠分缝线Z向间隙 （图9中虚线Z向间距）很大，使得大腿在碰撞该位置时有充足的吸能空间；另一方面是发动机罩前缘基准线与发动机罩和前保险杠分缝线X向间隙（图9中虚线X向间距）也很大，使得大腿碰撞冲击目标点相对后移，从而避开了散热器上横梁等高硬度区域，使碰撞变形主要发生在发动机罩上。

3.3 前保险杠角点位置对SUV造型设计的影响

前保险杠角点为小腿碰撞区域参考点，因此许多车型在前保险杠造型上进行改进，如增加凸包以缩小小腿碰撞区域。但Euro-NCAP对小腿碰撞性能进行更严格地考察，对小腿碰撞区域的划分还考虑到前横梁两端区域对小腿带来的潜在影响，因此在前保险杠造型设计时应兼顾前横梁的布置位置。

4 结束语

结合Euro-NCAP行人保护评价标准，对SUV车型前端造型进行了研究，并得出以下结论。

a.通过对前端造型优化来控制头部碰撞区域，规避潜在危险点，有利于提高SUV车辆头部碰撞安全性能。

b.前保险杠造型支撑区域位置关系到腿部防撞系统结构和布置，对行人保护腿部防撞系统开发有重要影响。

c.发动机罩前缘基准线与发动机罩和前保险杠分缝线间隙的大小，对SUV车型大腿碰撞有重要影响。

1 Lefler D E，Gabler H C.The Fatality and Injury Risk of Light Truck Impacts with Pedestrians in the United States.Accident Analysis and Prevention， 2004，295～304.

2 吕晓江，王纯，刘卫国，等.基于行人保护的乘用车前部造型设计优化.汽车安全与节能学报， 2011，2（3）:206～211.

3 任山，李海斌，王坤.国内车型头部碰撞保护现状分析.2010中国汽车安全技术国际研讨会论文集，349～355.

4 European New Car Assessment Program.Pedestrian Test Protocol.http://www.euroncap.com/Content-Web-Page/fb5e236e-b11b-4598-8e20-3eced15ce74e/protocols.aspx，2012-02-01.

5 The Official Site of the European New Car Assessment Programme.BMW X3 Test Results.http://www.euroncap.com/results/bmw/x3/2011/436.aspx，2011-01-01.

6 The Official Site of the European New Car Assessment Programme.BMW X1 Test Results.http://www.euroncap.com/results/bmw/x1/2012/426.aspx，2012-01-01.

7 岳国辉，韩峰，李夕亮，等.基于行人腿部保护的SUV车型前端吸能结构设计.汽车安全与节能报，2010，1（4）:307～321.

8 Shuler S， Mooijman F， Nanda A， et al.Improved Energy Absorber and Vehicle Design Strategies for Pedestrian Protection.SAE Paper，2005-01-1872.

9 吴斌，朱西产，王大志，等.乘用车与行人碰撞腿部保护设计要素研究.汽车技术，2010（11）:33～37.

10 沈铮，黄俊，聂冰冰，等.汽车前部造型特征对行人碰撞保护的影响研究.2010中国汽车安全技术国际研讨会论文集，387～392.

11 The Official Site of the European New Car Assessment Programme.Ford Ranger Test Results.http://www.euroncap.com/results/ford/ranger/2012/450.aspx，2012-01-01.