基于Euro NCAP 8.0行人上腿部评价规程的车辆前端结构设计与优化

韩海英++李博

摘要： 欧盟新车评价规程（Euro NCAP）8.0版本对行人上腿部碰撞测试方法进行了修改，新的测试方法减小行人上腿部对车辆前端空间的要求，但是对其结构设计和硬点的布置等提出新的要求.从行人上腿部的碰撞位置、碰撞角度及能量等方面对比Euro NCAP新旧版本的不同.根据Euro NCAP 8.0行人上腿部的碰撞要求，对车辆前端结构设计进行分析，并针对某车进行试验，用CAE技术进行优化设计，使其满足Euro NCAP 8.0对行人上腿部碰撞的要求.

关键词： 汽车安全； 汽车前端结构； 行人保护； 上腿部保护

中图分类号： U462文献标志码： B

Automotive front structure design and optimization

based on evaluation rules of pedestrian upper

leg protection in Euro NCAP 8.0

HAN Haiying， LI Bo

（Advanced Engineering & Core Technology Institute， Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241009， Anhui， China）

Abstract： Version 8.0 of EU new car evaluation rules（Euro NCAP） has modified the test protocol for pedestrian upper leg impact. The new test protocol has less demand for the vehicle front end space， but more requirements for structure design and hard points arrangement. The differences about impact position， angle and energy etc. between the new and old protocols are compared. The structural design of vehicle front end is analyzed according to the rules for pedestrian upper leg impact in Euro NCAP 8.0， and the test is performed on a typical vehicle. Based on CAE technique， the design is optimized to make the front end structure meet the requirement of pedestrian upper leg impact in Euro NCAP 8.0.

Key words： automotive safety； vehicle front end structure； pedestrian protection； upper leg protection

收稿日期： 2016[KG*9〗11[KG*9〗07修回日期： 2017[KG*9〗01[KG*9〗14

作者簡介： 韩海英（1986—），女，安徽芜湖人，工程师，硕士，研究方向为汽车行人保护，（Email）hanhaiying@163.com0引言

随着汽车工业的不断发展与家用轿车的广泛使用，汽车安全保护措施成为汽车设计的重要课题之一，且越来越重视对行人的保护.欧盟新车评价规程Euro NCAP已将行人保护作为评价内容之一，主要针对行人的头部、上腿部及下腿部进行评价，故行人保护性能直接影响车辆安全星级的评定.[12]在2015年之前Euro NCAP公布的结果中，较大部分行人保护上腿部得分为0分，尤其是大型车辆.由于行人上腿部的撞击能量和角度都比较大，对车辆前端吸能空间和吸能零件的设计要求高，而前端结构受造型的局限，空间非常有限.这会限制车辆的Euro NCAP星级评定.[3]Euro NCAP 8.0版对行人上腿部碰撞测试进行修改，于2015年2月开始实施.撞击位置、撞击角度、撞击能量等均与之前版本不同.由于撞击能量的整体降低，新的测试方法降低对车辆前端空间的要求，但是对其结构设计和硬点的布置等提出新的要求.[4]本文根据不同车型，对车辆前端进行设计，并基于试验数据进行优化分析.

1Euro NCAP行人上腿部评价规程简介在WAD775上选取撞击点，从车辆中间位置开始，在2个参考点区域内在横向垂直面内每隔100 mm选取1个点，并删除与角参考点距离小于50 mm的网格点，见图1.按照旧的评价规程，撞击位置在发动机前缘基准线上选取，对于离地高度角度较低的小型车辆来说，发动机前缘基准线与WAD775包络线的位置一般均在发动机盖前端，碰撞点的位置差别太不大，但对于离地高度较高的SUV车型来说，WAD775包络线位置一般在车辆上格栅位置，较发动机前缘基准线z向要低一些.

每个网格点的撞击角度定义为该点的保险杠内参考线IBRL和包络线WAD930所形成直线的垂直线与地面线所形成的夹角，见图2.其中，保险杠内参考线IBRL是Euor NCAP 8.0新增加的划线，与前保险杠横梁的结构有关.撞击角度在0～44.757°范围内选取（旧的评价规程的撞击角度范围为0～46°）.虽然撞击角度的范围并没有减小太多，但对于离地高度较高的SUV车型来说，由于撞击位置的变化，新评价规程的角度变化比较明显.

每个网格点的撞击能量由撞击角度决定，新评价规程的范围为160.0～456.7 J，旧评价规程的范围为200～700 J，新评价规程的撞击能量要小很多.根据能量与位移和上腿部轴向力的关系，行人上腿部设计对空间的要求有所降低，在合理的空间范围内对前端结构设计提出更高的要求.

图 2某车型行人保护上腿部撞击示意

Fig.2Schematic of pedestrian upper leg impact

每个网格点的撞击速度由撞击角度决定，其大小范围为5.521～9.327 m/s，旧的评价规程的撞击速度在发动机前缘高度与保险杠前缘的曲线上通过线性插值获得，范围为20～50 km/h（5.56～13.9 m/s），新的评价规程最大撞击速度小很多.

行人保护上腿部碰撞器质量为定值10.5 kg.Euro NCAP行人上腿部伤害指标有2个：上腿部轴向力及上腿弯矩.每个撞击点的评分标准为：上腿部轴向力<5 kN且上腿弯矩<300 N·m，该撞击点得分为1分；上腿部轴向力>6 kN或者上腿弯矩>380 N·m，该撞击点得分为0分；位于2种情况之间，用线性插值计算得分，每个上腿部网格点的评分按2个指标中得分低的计算.[5]如果某个网格点没有进行试验，则将会采用其临近点的最坏的结果进行评分.由于网格点对称位于车辆的两边，所以可使用对称原则.所有撞击点得分相加后除以总个数，为该车型的得分率，得分率乘以6，为该车型行人上腿部总得分.行人上腿部满分为6分.

2基于Euro NCAP 行人上腿部的前端结构设计根据Euro NCAP 行人上腿部撞击点位置的不同，前端结构也应分别进行设计.[6]A级车型的行人保护上腿部撞击位置一般在发动机盖前缘，主要关键部件为发动机盖系统前缘、散热器上支架及前保系统上支架.离地高度较高的SUV车型的行人保护上腿部撞击位置一般在前保系统的上格栅位置，主要关键部件为上格栅系统及内部吸能零件.

2.1A级车型前端结构设计

A级车型的行人保护上腿部撞击位置一般在发动机盖前缘，与BLE线位置接近，见图3.

图 3A级车型行人上腿部撞击点位置

Fig.3Location of pedestrian upper leg impact points on

A level vehicle

由于上腿部弯矩受上腿力的影响较大，故本文分析时以上腿力作为评价指标.发动机盖系统前缘、散热器上支架结构设计分析如下.

2.1.1发动机盖系统前缘设计

根据上腿部模型撞击过程发动机盖前端的变形状态，将其结构优化为可压溃的悬臂结构，见图4a）.优化后的结构在受到上腿部撞击时，图示虚框内的悬臂可以压溃吸能，降低发动机盖对上腿模型的碰撞力度，上腿部轴向力曲线对比见图4b）.

a） 发动机盖内板前端结构

b） 上腿部轴向力曲线对比

由图4b）可看出，该结构对曲线第二个峰值有明显影响，表明发动机盖前端的可压溃结构对上腿部轴向力的降低有明显影响.由于造型和布置等原因，悬臂结构不能设计太长，故在3个面内增加弱化孔，见图5a）.该弱化孔可以降低发动机盖前端对上腿模型的抗力，上腿部轴向力曲线对比见图5b）.该弱化孔对上腿部轴向力曲线的2个峰值均有影响.弱化孔的方向及大小应根据发动机盖的综合要求进行设计.

a） 发动机盖内板前端结构

b） 上腿部轴向力曲线对比

2.1.2散热器上支架设计

散熱器框架为塑料件（见图6a）），安装蒙皮的支架集成于散热器前端模块上.蒙皮支架刚度大，上腿模型撞击到蒙皮支架上时，上腿部在该撞击位置不得分，故对其结构进行优化.新增加图6a）所示支撑板，并将蒙皮支架集成于该支撑板上，蒙皮支撑板安装于散热器上横梁上端.该方案可将刚度大的支架后移，降低车辆前端刚度，从而减小上腿部轴向力，对比见图6b）.该结构第一个峰值增大，但第二个峰值明显降低，曲线趋于平缓，上腿部轴向力减小.如果散热器框架为金属件，其上支架可以设计为易于压溃的结构，主要设计方向为：上支架内部加强筋的布置，其厚度及材料的选取参考文献[7].

2.2SUV车型前端结构设计

离地高度较高的SUV车型的行人保护上腿部撞击位置一般在BLE线下端的前保系统的上格栅位置，见图7.a） 蒙皮支撑板结构

b） 上腿部轴向力曲线对比

SUV vehicle

2.2.1上格栅结构设计

根据上腿模型撞击过程前保上格栅的变形状态，对其刚度进行优化，主要设计方向有格栅x向宽度、格栅车内加强筋、材料厚度等.本文分析其厚度，研究格栅刚度对上腿部轴向力的影响，见图8.

由图8可看出，格栅刚度的减小有助于上腿部轴向力的减小，其刚度减小幅度也应综合其他因素进行考虑.[8]

2.2.2内部吸能零件结构设计

SUV车型的上腿部撞击点在上格栅位置，如果上格栅及前保蒙皮系统与前散热器结构的空间及造型有限制，在上腿部碰撞位置增加相应的吸能零件对上腿部得分有很大帮助[9]，见图9.吸能零件主要设计方向应考虑吸能零件的位置、加强筋的布置及其料厚度等.[10]

3某车型的行人上腿部分析及优化设计某A级车型基于Euro NCAP刚性上腿部试验规程的试验曲线与CAE仿真曲线对比见图10，其考察指标峰值见表1.对比结果表明CAE仿真模型的精确性.

a） 上腿部轴向力

b） 上腿弯矩

simulation curve在该CAE模型的基础上对各个撞击点进行分析，其结果及得分见表2.结果显示U±5及U+6等4个撞击点没有得到满分，根据上述前端结构的设计方法，对其关键件发动机盖进行优化，并对大灯支架进行可压溃结构设计，优化后结果见表3.结果显示该车型可获得Euro NCAP行人上腿部撞击评分6分.表 1考察指标峰值对比表

Tab.1Comparison of peak value of index指标上腿部轴向力F上腿弯矩M法规要求3.70 kN296.26 N·m实验4.07 kN280.00 N·mCAE10%5.4%表 2Euro NCAP行人上腿部分析结果

Tab.2Analysis result of Euro NCAP upper leg区域划分（y向坐标）区域（600～-600）碰撞点U+6U+5U+4U+3U+2U+1U0U-1U-2U-3U-4U-5U-6y向坐标6005004003002001000-100-200-300-400-500-600上腿部轴向力F/kN5.044.804.743.263.123.604.073.783.103.154.514.805.04上腿弯矩My/（N·m）226.0349.1266.0203.5187.2222.6280.0232.1185.2198.4252.3349.1226.0Euro NCAP评分得分总得分0.960.391.001.001.001.001.001.001.001.001.000.390.965.4

表 3优化后的Euro NCAP行人上腿部分析结果

Tab.3Analysis result of Euro NCAP upper leg after optimization区域划分（y向坐标）区域（600～-600）碰撞点U+6U+5U+4U+3U+2U+1U0U-1U-2U-3U-4U-5U-6y向坐标6005004003002001000-100-200-300-400-500-600上腿部轴向力F/kN3.373.984.203.263.123.604.073.783.103.154.343.983.51上腿弯矩My/（N·m）145.4207.5241.8203.5187.2222.6280.0232.1185.2198.4242.0208.1149.0Euro NCAP评分得分总得分1.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.001.006.0

4结论

（1）基于行人上腿部设计A级车型前端结构时，发动机盖系统前缘设计为悬臂结构并增加弱化孔，可有效降低行人上腿轴向力；散热器上支架设计为刚度较小的2个结构，可有效地将行人上腿部碰撞硬点后移，降低行人上腿轴向力.

（2）在基于行人上腿部设计SUV车型前端结构时，从格栅x向宽度、格栅车内加强筋、材料厚度等几个方面降低格栅刚度可以减小上腿部轴向力；在碰撞位置增加相应的吸能零件有利于降低上腿部轴向力.参考文献：

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