基于行人保护的轿车前部造型特征研究

曹立波 龙腾蛟 张冠军 刘 适

湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082

0 引言

汽车造型是汽车研发初期非常重要的环节。传统的汽车研发在造型设计阶段主要考虑美观性、市场需求、空气动力学和人机工程学等因素，而车辆的碰撞安全性能通常在工程设计阶段考虑，如果发现车辆碰撞安全不能满足要求，则需要返回修改汽车造型，降低了产品研发的效率和经济性。随着汽车碰撞安全越来越受重视，尤其是行人碰撞法规推出后，汽车造型对行人安全的影响更加突出。因此，在汽车造型阶段引入汽车碰撞安全显得非常必要。

目前，基于特征的造型设计在汽车领域获得了比较广泛的应用。胡伟峰等［1］以造型特征线为基础，利用感性工学和统计分析方法研究汽车造型意象，求出了敏感感性意象形容词与对应主特征线的定量关系。谭浩等［2］通过汽车造型特征空间构建和层次分析提取造型几何特征，构建了汽车造型特征定量化模型并应用到设计实践中，解决了汽车造型设计主要依赖经验而缺乏定量工具的问题。

上述关于汽车造型特征方面的研究，主要考虑了美学法则和市场需求的影响，没有考虑汽车碰撞安全性能对造型的要求。因此，本文结合碰撞安全性能对紧凑型轿车前部造型特征线进行了统计分析和参数化研究，并采用MADYMO软件建立汽车与行人碰撞的多刚体模型进行仿真分析。

1 汽车造型特征线

1.1 汽车造型特征

在汽车造型中，特征携带了一款汽车区别于其他车型的特有的外观信息。汽车造型特征是对汽车整体风格、形面感觉、细部处理、车型中延续的造型元素及造型所携带的结构和形面信息的一种描述。汽车造型特征关注的是造型中的形式、走势和比例，因此，它主要是汽车造型的形面风格信息以及与造型相关的结构工艺信息的集合［3］。

汽车造型特征不仅携带着形状、材料等物理信息，还携带了大量的风格意象、品牌、空气动力学、人机工程、碰撞安全和制造工艺等与造型设计相关的信息，故可以将汽车造型研究抽象简化为汽车造型特征研究。

1.2 汽车造型特征线及其提取

汽车造型特征线是有特定结构约束和造型内涵的，是被标记为腰线、侧面轮廓线等名称的构造线，是认知汽车形态和进行造型设计的重要起点。从描述造型的角度看，点虽然具有重要的造型意义，但其对造型的描述不充分；面虽然最能表达形态的全部内容，但其过于复杂而不易被表达；线源于点而展成面，包含了可以联系点和面的重要造型信息，却没有点的琐碎和面的冗余，是“承上启下”的造型元素。线是汽车草图的主要成分，几乎携带了造型的所有特征信息，是对汽车概念及特征的最初表达，因此，线比点和面更适合于对造型特征的表示［3］。

在汽车外部造型的侧视图、前视图、透视图等图中都可以提取到各视图内的相关特征线。图1所示为汽车造型特征线的提取过程。首先，通过因特网及扫描等方法搜集相关车型的侧视图和前视图等，形成样本案例资源；然后运用矢量曲线将图片中的汽车形态轮廓精确描绘，转换成单纯的轮廓图；最后，运用基点和控制点将轮廓图中的关键造型曲线分割成若干特征线段。基点为特征线段的端点或拐点，控制点为特征线段中间决定特征线曲率和走势的关键点。基点和控制点的加入可以增加对特征线的控制编码和参数化，方便对特征的修改及进一步研究。

图1 汽车特征线的提取

2 汽车造型特征的碰撞安全属性研究

2.1 与汽车造型相关的碰撞安全性能

与造型相关的汽车碰撞类型主要有汽车与行人碰撞、正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和车辆翻滚。由于行人直接暴露在交通环境中，汽车外部造型对行人损伤的影响最为直接，因此，汽车前部造型与行人损伤紧密相关。研究表明，发动机罩、前挡风玻璃和保险杠是造成行人损伤的主要部件［4］。

2.2 基于碰撞安全性的造型特征实现

基于特征的汽车造型通过造型特征线描述产品设计，赋予造型特征线以碰撞安全性能属性。具体方法是：首先对提取的汽车造型特征进行统计分析和参数化研究，建立基于特征和特征线的汽车造型特征参数描述模型；然后采用仿真的方法研究汽车造型特征参数与碰撞安全性的关系，从而建立汽车造型特征的碰撞安全性控制策略，实现对汽车造型设计阶段的碰撞安全性能控制。

侧视图中的侧面轮廓线是整车造型中最关键的造型线，是主特征线，它决定了汽车造型的整体感觉和风格。发动机罩、前挡风玻璃、车顶、后挡风玻璃的构建都必须以侧面轮廓线为造型基础。

侧面轮廓线中的发动机罩线、挡风玻璃线和保险杠线等受整车长度、高度和倾斜角度等参数的影响，为了便于研究，把特征线简化为近似的直线或折线。同时，特征线具有一定的空间位置，可通过编码的基点和控制点进行控制，因此，可对其进行参数化研究。将汽车侧面轮廓线定位于oxy直角坐标系，原点为过前保险杠端面的垂直线与地面的交点，如图2所示。坐标系中，造型特征线的基点和控制点Pi都有对应的坐标数值（xi，yi），通过汽车的实际尺寸与图形尺寸的比例关系得出比例系数，坐标系中的数值与比例系数相乘就能得出实际值。

图2 汽车前部造型特征参数

汽车前部造型主要由前保险杠线P3P6、发动机罩线P7P8和前挡风玻璃线P8P9描述，这3组特征线控制和表达了汽车前部造型的侧面轮廓和车型。造型特征线都包含着相关的特征参数，其中与行人碰撞安全相关的前部造型特征参数有保险杠中心高度、保险杠伸出量、保险杠宽度、发动机罩前缘高度、发动机罩长度和倾角以及前挡风玻璃倾角，如图2所示，分别记为HBC、LB、WB、HHE、LH、αH和αW。特征参数由基点和控制点控制，P4、P5两点的坐标值控制着保险杠宽度和高度，同时与P7点一起决定保险杠伸出量；P7点的纵坐标值即为发动机罩前缘高度，其与P8点的距离即为发动机罩长度，P7P8特征线的角度即为发动机罩倾角；P8P9特征线的夹角为前挡风玻璃倾角。通过确定汽车前部造型的基点和控制点的坐标，从而得到特征参数的数值并构建造型特征线，建立汽车造型特征参数的描述模型。然后运用仿真的方法建立多体模型开展研究。

2.3 造型特征参数的获取

汽车造型受车型定位的限制，如整车长度、轴距等都有一定的范围。定位相同的车型，其前部造型特征的约束条件相似，方便进行分析和研究。参照中国汽车分类标准中对于轿车的分类，综合考虑整车长度和轴距，选取中国市场上现阶段在售的52款紧凑型轿车作为样本案例，提取出其前部造型特征线，统计得到的特征参数如表1所示。

表1 紧凑型轿车前部造型特征参数统计

3 仿真实验研究

由于实车碰撞实验成本高昂，故目前汽车－行人碰撞研究主要采用仿真的方法，常用的是有限元和多刚体仿真。相对于有限元仿真，多刚体仿真方法具有参数调整方便、计算高效的特点，又能得到较精确的结果。本文采用MADYMO软件建立轿车－行人多刚体动力学模型。

3.1 轿车－行人碰撞模型的建立

模型的建立主要包括轿车前部多体模型、行人多体模型及两者之间相互接触的定义，多体仿真模型如图3所示。行人模型采用查尔摩斯大学的多体人体模型［5］，该人体模型为50百分位成人男子模型，高1.75m，重78kg，通过实体实验验证，是目前生物逼真度较高的人体多刚体模型之一。轿车前部模型按照统计的紧凑型轿车的前部特征参数建立，主要包括保险杠、发动机罩前缘、发动机罩、前挡风玻璃、车轮等部件。各部件分别采用一个多体椭球进行表示，其相关的机械特性按照实验中的力－变形曲线设定［6］，如图4所示。国际协调研究机构（IHRA）的一项调查报告显示，70%的汽车与行人碰撞事故发生在40km／h的碰撞速度及以下，因此，仿真中采用的碰撞车速为40km／h［7］。

图3 轿车－行人多体动力学模型

图4 各部件力－变形曲线示意图

3.2 评价指标

头部损伤标准（HIC）是目前最常用的头部评价指标，HIC值定义如下：

式中，a（t）为碰撞过程中头部质心合成加速度；t1～t2为HIC值达到最大的时间间隔。

行人下肢损伤评价主要有膝关节剪切位移d、弯曲角度n及胫骨上端加速度a三个指标，是一个多目标问题。Kajzer等［8］提出了加权伤害准则来评价下肢损伤，其表达式如下：

定义头部目标函数［8］为

W2值越低，说明前部结构对腿部的保护性能越好。

头部损伤往往造成行人严重损伤，其权重系数应该比下肢的大。因此，定义行人综合防护的目标函数为

WIC值越小，说明对行人保护性能越好［9］。

3.3 变量筛选

轿车前部造型特征中对行人损伤有影响的特征参数较多，如果都进行研究，势必会加大研究的难度，还会造成研究不能开展。通过进行变量筛选可以去掉影响小的特征参数，提高运算效率。灵敏度分析是研究和分析参数对系统或模型影响大小的方法，本文选取了7个主要的轿车前部造型特征参数进行灵敏度分析，根据统计的数据确定设计参数的变化范围，共有14组运算，基本模型采用紧凑型轿车前部造型特征参数统计的平均近似值，具体如表2所示。

将每个特征参数改变后进行仿真计算，将得到的损伤参数数值按下式进行处理：

计算得到的特征参数变化对损伤参数值的影响如图5所示。由图可知，HIC值对保险杠中心高度、保险杠伸出长度、保险杠宽度和发动机罩长度4个参数敏感；胫骨加速度a和弯曲角度n对保险杠高度、保险杠伸出长度两个参数敏感；膝部剪切位移d对保险杠高度、保险杠伸出长度、保险杠宽度和发动机罩前缘高度4个参数敏感。

表2 灵敏度分析设计表

图5 灵敏度分析结果

综上所述，保险杠中心高度、保险杠伸出长度、保险杠宽度、发动机罩前缘高度和发动机罩长度5个参数对损伤影响明显，选取它们作为仿真分析的设计变量。发动机罩倾角和前挡风玻璃倾角对行人各损伤参数影响微弱，对于紧凑型轿车，这两个造型特征参数统计的范围变化不大，因此，这两个参数不作为仿真实验设计的变量，取值不发生变动。

3.4 仿真实验设计及结果

采用均匀实验设计方法安排仿真实验。均匀实验设计是通过使用均匀设计表及配套的使用表来安排实验的。均匀设计表一般记为U＊n（qs），其中，“U”表示均匀设计，“n”表示有n个处理，“q”表示每个因子都有q个水平，指数“s”表示最多允许安排s个因子，加“＊”表示该均匀设计表具有更好的均匀性，应优先选用［10］。

根据灵敏度分析的结果，将筛选的5个变量在统计取值范围进行如下限定：380mm≤HBC≤580mm；20mm≤LB≤220mm；90mm≤WB≤190mm；670mm ≤HHE≤ 870mm；850mm≤LH≤11000mm。

4 仿真结果分析

4.1 二次型回归模型构建及分析

均匀设计的结果数据分析需要采用回归分析。以加权损伤值WIC为设计指标，运用SAS软件对表3中的仿真实验结果进行逐步回归分析构造二次型回归方程模型，回归分析的结果如表4和表5所示。

表3 实验设计方案及结果

表4 方差分析

表5 参数估计值

由表4、表5可知，二次回归模型的显著性概率小于0.0001，模型高度显著有效；每个系数的显著性概率都小于0.08，说明10个系数都是显著有效的。模型的决定系数R2为0.9953，总体拟合效果好。得到的二次型回归方程如下：

式中，X1、X2、X3、X4、X5分别代表变量保险杠中心高度HBC、保险杠伸出长度LB、保险杠宽度WB、发动机罩前缘高度HHE和发动机罩长度LH。

由表5可知，与X3有关的有4项，且有关项的显著性概率数值小于或等于0.003，F统计量数值大，表明保险杠宽度对行人损伤影响显著，是对行人损伤影响最大的造型特征参数。与X2有关的有两项，其中X2平方项的显著性概率数值为0.0067，表明保险杠伸出长度对行人损伤影响较大。因此，在轿车前部造型特征线中，保险杠线的设计非常重要，在造型设计时需参考对行人的损伤影响仔细斟酌。

同时，每个造型特征参数对行人损伤的影响不是孤立的，还存在着交互作用。其中保险杠宽度分别与发动机罩前缘高度、发动机罩长度有交互作用，保险杠中心高度和保险杠伸出量有交互作用，发动机罩前缘高度和发动机罩长度有交互作用；并且保险杠中心高度和保险杠伸出量、发动机罩前缘高度和发动机罩长度对行人综合损伤起正的交互作用，而保险杠宽度分别与发动机罩前缘高度、发动机罩长度对行人综合损伤起负的交互作用。

4.2 优化分析

在MATLAB软件中采用遗传算法对得到的二次型回归模型进行限值范围内的最优求解，得出轿车前部造型特征参数的最优设计组合为HBC＝395mm，LB＝ 220mm，WB＝ 171mm，HHE＝870mm，LH＝ 934mm，此时WIC预测 值为0.3775。将该设计组合的5个特征参数取值代入MADYMO仿真模型中进行计算，得到仿真模型在该组合下的WIC值为0.4121。二次型回归模型的优化值与该优化组合的实际仿真值的相对误差为8.40%，优化达到收敛条件，优化过程结束。优化后的紧凑型轿车前部造型设计如图6所示，该造型设计的保险杠特征线基点P4、P5相隔距离较大，P4点的位置偏低，保险杠宽大且中心高度低；发动机罩长度适中，在930mm左右，发动机罩前缘控制点P7的高度较高，位置偏向轿车后部，y轴的坐标数值较大，发动机罩前缘坡度较平缓，显得圆润平和。

图6 优化得到的轿车前部造型

将仿真优化值与30组仿真实验设计中损伤值最小的第22组进行对比，如表6所示。从表中可知，优化后模型的WIC值与原模型中的最小值相比降低了18.94%，除了膝关节最大剪切位移稍有增大，其他损伤值也都有明显的降低，表明经过造型特征参数优化后的轿车前部造型设计对行人保护效果有明显提升。

表6 优化值与原模型最小损伤值对比

5 结论

（1）保险杠伸出长度、保险杠宽度两个造型特征参数对行人综合损伤影响最大，说明保险杠是造成行人损伤的重要部件，保险杠线在造型设计时应引入碰撞安全这一技术因素。

（2）各造型特征参数对行人损伤的影响存在交互作用，其中保险杠中心高度和保险杠伸出量、发动机罩前缘高度和发动机罩长度对行人综合损伤起正的交互作用，而保险杠宽度分别与发动机罩前缘高度、发动机罩长度对行人综合损伤起负的交互作用。

（3）优化得到的紧凑型轿车前部造型设计具有中心高度低且宽度大的保险杠，发动机罩长度在930mm左右，发动机罩前缘高且坡度平和，造型圆润舒缓。仿真研究表明，按照该造型设计的车型能有效减少车辆对行人造成的损伤，对轿车造型设计有一定的参考价值。

（4）本文对轿车造型特征进行了简化，只采用了仿真方法进行初步探究，为了获得更可靠的结果，还需进行实车试验验证并结合交通事故调查数据库等手段进一步完善。

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