基于行人腿部保护的保险杠吸能结构设计

贺岩松 ，杨海威 ，徐中明 ，万鑫铭 ，范体强

(1．重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400044，2．重庆大学 机械工程学院，重庆 400044，3.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 400039)

根据相关调查，全球每年约有120万人在道路交通事故中丧生，其中行人等“弱势道路使用者”占到46%，而腿部是最容易受到伤害的部位之一[1-3]。为降低腿部在交通事故中的伤害，国内外学者做了大量研究[4-11]，曹心强等[8]在保险杠与纵梁之间增加橡胶垫片降低了膝部弯曲角，但膝部加速度与剪切位移改善并不明显；Han等[9]用泡沫作为吸能材料有效的降低了胫骨加速度和膝部弯曲角，但泡沫吸能效率较低，需要较大的缓冲变形空间。刘伟国等[12]研究表明，钢制薄壁结构作为行人保护吸能部件具有比泡沫更优的吸能效果，可在较小的布置空间内，将加速度降低法规要求之内。本文在以上研究的基础上，利用钢板的塑性变形吸收碰撞能量设计钢制吸能板，以降低腿部在事故中的伤害。首先通过仿真实验选定一种对腿部保护较好的截面，然后以吸能板厚度和材料屈服强度为设计变量，以腿部伤害值为目标函数构造响应面模型进行优化求解，获得对腿部伤害最小的厚度及材料屈服强度参数组合。

1 缓冲吸能件材料选取

在交通事故中，轿车保险杠通过撞击行人腿部对行人腿部造成伤害，碰撞过程中腿部撞击器的动能[10]为

E=1/2MV2

(1)

保险杠吸能块吸收的能量为

(2)

碰撞过程中能量满足如下等式

(3)

根据牛顿第二定律：F=Ma推导出

(4)

式中：M为腿部撞击器质量，V为撞击器运动速度，Δx为腿部撞击器对保险杠系统的侵入量，F为保险杠系统与腿部撞击器作用力，η为能量吸收率，a为小腿胫骨速度。

根据式(4)知，若要降低加速度a，则可考虑增大Δx或增大η，由于Δx受造型限制不能增大，只能增大η。目前常通过在保险杠横梁前端增加泡沫来提高能量吸收效率η，但泡沫的吸能效率通常只有45%-50%[13]，刘卫国等[12]研究结果表明，钢制薄壁结构具有更高的能量吸收效率，因而本文将利用钢制薄壁件的吸能特性设计缓冲件。

2 碰撞有限元模型建立与试验

为保证计算效率，选取汽车A柱前面与腿部碰撞较密切的部件建立车体有限元模型，包括前保险杠、前防撞梁、前纵梁、冷凝器及支架、 大灯、 翼子板、 发动机舱盖等，去掉转向机构、悬架以及底盘部分远离前保险杠的零部件，同时为保证计算精度，选取尺寸为6 mm的四边形网格及少量三角形网格，并尽可能表征出零部件特征，限制悬架、纵梁、机舱盖铰链安装点与翼子板下端处六个自由度。腿部碰撞有限元模型分别经过动态与静态有限元仿真实验标定，符合法规规定[14]。根据EuroNCAP法规规定，下腿型撞击器质量为13.4 kg。实验以40 km/h速度水平撞击静止的轿车，并以三个指标衡量腿部受伤程度，分别是胫骨加速度，膝部剪切位移和膝部弯曲角，要求三者分别低于150 g，6 mm和15°。撞击位置为整车坐标下Y=0处，碰撞有限元模型及实验如图1所示。

图1 碰撞有限元模型及实验图

图2 仿真与实验伤害值曲线对比

将建立的有限元模型导入LS-Dyna进行求解，获得了腿部伤害值曲线。有限元模型实验验证的工况和仿真工况一致，图2为仿真计算结果与实验结果对比。

表1 仿真值、实验值及法规限值对比

仿真结果与实验保持了较好的一致性，说明建立的有限元模型是可靠的，同时，我们注意到胫骨加速度与膝部弯曲角严重超过了法规的限值，而原车保险杠横梁与蒙皮之间并无吸能装置，故可在保险杠横梁和蒙皮之间增加吸能装置来降低腿部伤害值。

3 钢制吸能板设计

3.1 吸能板截面形状的确定

建立如图3所示的钢制吸能板，同时为研究诱导槽对钢制吸能板变形模式的影响，在吸能板上下平面开了图4所示的几种诱导槽，诱导槽深度均为3 mm，宽度均为12 mm。对这5种截面形状进行碰撞仿真研究，以期找到一种变形模式较好，且对腿部伤害较小的截面。

图3 钢制吸能板结构

图4 吸能板截面形状

5种截面形状吸能板均采用屈服强度为143 MP的钢材，厚度为0.8 mm。分别将五种截面形状的有限元模型导入DYNA计算，考虑到三项伤害指标在法规中处于同等重要的地位，以F值作为伤害程度综合评价指标，F越小，综合伤害越低。

F=fa+fb+fs

(5)

(6)

式中，i代表a,b,s，即胫骨加速度、膝盖弯曲角、膝盖剪切位移；Li为三者对应的法规限值，Si为三者仿真计算值。

表2 仿真计算结果

仿真计算结果如表2所示，分析可知：增加一个向外突出的诱导槽(截面3)后，吸能板能量吸收量增大，腿部综合伤害程度降低；而增加一个向内凹陷的诱导槽(截面2)后，能量吸收量降低，膝盖弯曲角超过法规限值；同时增加诱导槽数量后，吸能板吸能量没有明显增大，而腿部伤害指标略有增加。综上可知截面3所示的诱导槽，对腿部保护作用较好，故选定截面3作为吸能板的截面形式。

3.2 吸能板参数优化与分析

采用上面选定的截面形式，考虑到吸能板厚度t及材料屈服强度σ对撞击效果有着重要影响，将厚度t和材料的屈服强度σ作为设计变量。表3为五种钢材的屈服强度。

表3 屈服强度

厚度取0.5 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm。为使最终拟合得到的公式尽可能精确，设计厚度四水平，材料五水平的全因子实验。表4为全因子实验表及仿真计算结果。

表4中Dmax为吸能板沿撞击方向最大溃缩距离。分析计算结果发现，当厚度为0.5 mm时吸能板完全压溃，此时Dmax为65.8 mm，小腿撞击到保险杠横梁上，伤害值急剧增大。考虑到拟合精度及伤害值最小值出现在吸能板未完全压溃的情况下(Dmax<65.8 mm)，样本选取除厚度为0.5 mm以外的15组数据，以厚度t和屈服极限σ为设计变量，构造吸能板在未全溃缩状态下的二阶响应面模型。

表4 仿真分析结果

响应面法是利用实验设计和数理统计相结合的数学方法，其拟合精度由响应面决定系数R2评价，R2越趋近1表明拟合精度越高。文章中用到的二阶响应面表达式如下[15-16]：

(7)

对选定的样本进行拟合，获得如表5所示的响应面参数及表6的各响应面决定系数。

表5 响应面模型参数

表6 响应面模型决定系数

最优的吸能板应使a、b、s三个指标最小，故需要对吸能板参数进行优化，优化模型可描述如下：

目标函数：Minimize {a，b，s}

约束条件：Dmax≤65.8

设计变量：σ,t

将前面建立的响应面模型代入优化模型中，采用序列二次规划(NLPQL)法求解最优解。

表7 优化值、仿真值及初始模型值对比

优化后的σ和t分别为149.4 MP和0.75 mm，考虑到实际材料参数，仿真模型中两者分别取143 MP和0.75 mm。NLPQL优化结果和有限元验证结果对比见表7。对比分析可知，两者最大误差为10.4%(部分误差由材料取值误差引起)，表明NLPQL优化结果有效，且优化后腿部伤害值降低比较明显。

图5 优化模型与初始模型伤害值曲线对比

图6 优化前后碰撞过程对比

图5为优化模型和初始模型伤害值曲线对比，图6为碰撞过程对比。可以看出，原车加速度最大值为193.0 g，出现在小腿撞击到保险杠横梁时，采用钢制吸能板后，加速度峰值由初始模型的第12.7 ms提前到第5 ms(吸能板开始压溃时刻)，峰值为110.1 g，此后加速度值呈下降趋势，随后在15.2 ms出现一个较小的二次峰值，由动画可看出吸能板趋近于完全压溃，小腿撞击到保险杠横梁上，但峰值较初始模型已明显降低；基础模型膝部弯曲角在12.5 ms后急剧增大到20.4°，改进后小腿冲击器在5 ms以后开始发生弯曲，但由于吸能板的缓冲作用，弯曲角缓慢增大，但最终峰值已明显低于基础车模型；膝部剪切位移在吸能板溃缩过程中和小腿回弹过程中各出现一个峰值，峰值较基础车有一定程度的降低。

4 结 论

论文通过对钢制吸能板截面形状进行研究，以及对材料屈服强度和厚度参数进行优化，设计了一种钢制吸能板作为保险杠系统的吸能缓冲部件，可有效降低在就交通事故碰撞中行人腿部受到的伤害，为钢制吸能板的设计提供了依据。

[1] Organization W H.Global status report on road safety[R].Department of Violence & Injury Prevention & Disability: WHO 2009.

[2] 李莉，杨济匡,李伟强，等.汽车碰撞行人交通伤害特点分析[J].汽车工程，2005，27(1):44-46.

LI Li，YANG Ji-kuang，LI Wei-qing，et al.A study on pedestrian injuries in traffic accidents[J].Automotive Engineering，2005，27(1):44-46.

[3] 许伟，李凡，刘琦.车辆行人碰撞事故中小腿骨折伤害的研究[J].汽车工程，2011，33(4): 321-324.

XU Wei，LI Fan，LIU Qi.A study on tibia fracture injuries in car-pedestrian impact accidents[J].Automotive Engineering，2011，33(4): 321-324.

[4] Park S，Jones R.Identification of object impact location and bumper stiffness curve for pedestrian protection system[J].SAE Technical Paper，2011: 2011-01-0083.

[5] Bhagat M，Chalipat S.Influence of vehicle front end design on pedestrian lower leg performance for SUV class vehicle[J].SAE Technical Paper，2011: 2011-01-0084.

[6] Jiang Kai-tao，Yang Ji-kuang.Optimization of bumper system for pedestrian lower leg protection from vehicle impact[C]// 2012 3rd International Conference on Digital Manufacturing and Automation.GuiLin，China，July 31-Aug.2，2012: 578-581.

[7] Liu Wei-hai，Chen Xiu-sheng.Improvement of bumper structure for pedestrian lower leg protection based on euro-NCAP[C]// 2011 International Conference on Mechatronic Science，Electric Engineering and Computer，August 19-22，2011，Jilin，China:648-652.

[8] 曾必强，胡远志,谢书港，等.保险杠与车身连接方式对行人保护的影响分析[J].汽车工程，2011，33(7): 594-597.

ZENG Bi-qiang，HU Yuan-zhi，XIE Shu-gang,et al.An analysis on the effects of the way of connection between bumper and vehicle body on pedestrian protection[J].Automotive Engineering，2011，33(7): 594-597.

[9] Han Y，Lee Y.Optimization of bumper structure for pedestrian lower leg impact[J].SAE Technical Paper，2002: 2002-01-0023.

[10] Schuler S，Mooijman F，Nanda A.Bumper systems designed for both pedestrian protection and fMVSS requirements[J].SAE Technical Paper，2003: 2003-01-0214.

[11] Jiri S，Martin K.Influence of Bumper Design to Lower Leg Impact Response[C]//The 2006 FISITA World Automotive Congress.Yokohama，Japan，Oct 22-27，2006: F2006sc05.

[12] 刘卫国，颜海棋，钱国强,等.满足行人保护的汽车前端系统设计方法[J].机械工程师，2011，2: 43-44.

LIU Wei-guo，YAN Hai-qi，QIAN Guo-qiang，et al.A method of vehicle frontal system design for pedestrian safety[J].Mechanical Engineering，2011，2: 43-44.

[13] Han Y，Lee Y.Optimization of bumper structure for pedestrian lower leg impact[J].SAE Technical Paper，2002: 2002-01-0023.

[14] European New Car Assessment Program Assessment.Pedestrian Testing Protocol Version 5.3[S].2011.6.

[15] 侯淑娟.薄壁构件的抗撞性优化设计[D].长沙：湖南大学，2007.

[16] 张勇，陆勇.基于近似模型技术的圆管耐撞性优化设计[J].华中科技大学报:自然科学版，2010，38(9)：129-132.

ZHANG Yong，LU Yong.Optimizing design of tube crashworthiness using approximate model technique[J].Huazhong University of Sci.& Tech: Natural Science Edit ion，2010，38(9)：129-132.