SUV前端造型对行人下肢损伤影响的定量研究∗

张冠军，秦 勤，陈 峥，曹立波

(湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

SUV前端造型对行人下肢损伤影响的定量研究∗

张冠军，秦 勤，陈 峥，曹立波

(湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

为在造型设计阶段充分考虑汽车的行人碰撞安全性能，以提高汽车的开发效率和行人安全性，提取了77款SUV侧视图的轮廓线及其特征参数，构建并验证了SUV前端造型的简化有限元模型，并依据EuroNCAP评价规则进行行人安全性能仿真。以造型特征参数为自变量，损伤参数为因变量，采用多重线性回归分析方法分别对有无扰流板的两类车型筛选出对下肢损伤有显著影响的造型特征参数，并建立回归模型。分析结果表明，有前保险杠扰流板的SUV在造型设计时应增大保险杠中心离地高度、保险杠宽度和扰流板相对于保险杠的前伸量；无扰流板的SUV则应增大保险杠上参考线离地高度、进气格栅曲率半径，减小保险杠下参考线离地高度。建立在量产车型造型特征基础上的汽车前部简化模型通过EuroNCAP试验数据的验证，不仅能表征造型信息，也具备结构属性，对于结构设计前的造型设计具有指导作用。

SUV；行人下肢损伤；造型；有限元方法；多重线性回归分析

前言

行人作为道路交通中的弱势群体，事故中的重伤甚至死亡率极高。世界卫生组织的统计数据显示，全球行人死亡人数占道路交通事故总死亡人数的22%[1]。在我国，由于汽车数量的迅猛增长以及复杂的道路交通环境，行人安全更为严峻。2012年我国行人死亡人数占道路交通事故总死亡人数的25%左右[2]。研究表明，行人下肢是事故中最易遭受损伤的部位[3]。因此，研究影响行人下肢损伤的相关参数，对减轻行人下肢损伤和降低其社会损失具有重要意义。近年来全球运动型多用途汽车(sport utility vehicle，SUV)市场份额迅速增加[4－5]，其高大的外形特征和较大的碰撞能量，对行人造成的致命伤害比其它车型更为严重[6]。因此，提高SUV的行人保护效果更为迫切。

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也最为直接。文献[7]和文献[8]中通过尸体实验，指出行人的运动学响应和损伤情况与汽车前部造型密切相关。文献[9]中采用仿真手段探究了不同类型乘用车的前端造型对行人下肢损伤的影响，指出保险杠结构是导致行人下肢损伤的主要诱因。文献[10]中通过实验研究了汽车保险杠对行人下肢损伤的影响，指出保险杠长度和伸出量对下肢损伤影响明显[10]。文献[11]中利用深入调查数据库PCDS进行的分析表明，保险杠高度和碰撞速度对行人下肢损伤类型和损伤程度有显著的影响。文献[12]在行人冲击器报告中，对如何改善汽车内部结构以满足行人保护法规做了具体说明。文献[13]中使用交通事故数据库，研究了具有不同时代特征的车型与行人下肢损伤的关系，认为汽车前部结构的形状对行人下肢损伤形式和损伤程度影响显著。另外，国内学者使用仿真方法研究了保险杠参数对行人下肢损伤的影响[14－15]。

上述研究主要从改进汽车结构参数以提高行人下肢碰撞安全性的角度出发，指出汽车前部结构参数对行人下肢损伤有影响，并未涉及汽车造型特征和特征线等汽车造型范畴。而在汽车开发初期，传统的汽车造型主要考虑美学法则、市场需求、人机工程学和空气动力学等因素[16]，对行人碰撞安全性的考虑较少。因此，有必要利用造型特征线研究汽车前部造型与行人下肢损伤之间的定量关系，赋予造型特征以行人碰撞安全性能的属性，以便在产品开发初期进行造型设计时就充分考虑行人碰撞安全。这对于降低交通事故中行人下肢的损伤，提高产品研发效率和减小研发成本具有重要的意义。

因此，本文中提出了以汽车造型特征参数为驱动的SUV前部结构简化有限元模型，按照EuroNCAP行人保护测试规则仿真下肢冲击器的损伤参数，采用多重线性回归分析方法构建造型特征参数与下肢损伤的定量关系，揭示了造型与行人下肢安全的关系。

1 方法

汽车造型是空气动力学、结构力学和市场需求等多学科约束的综合设计问题，需考虑连续性和美观性[17]。本文中以市场保有量较多的车型为基础提取其造型特征线，采用统一的方法建立有限元模型并使用下肢冲击器实验数据验证模型有效性，保证所建的汽车前部造型简化模型不仅能反映汽车的造型，同时兼顾统一的结构特性。

1.1 样本选取与造型特征线

采集了市场保有量较大的77款SUV车型开展研究，这些车型的基本参数如表1所示，其年份分布如图1所示。

表1 SUV样本基本参数

汽车侧视图的轮廓线是整车造型中最关键的造型特征线，它决定了汽车造型的整体感觉和风格，也是造型设计阶段的主特征线[18]。因此，本文中主要研究该造型特征线与行人下肢损伤的关系。由于碰撞中与行人下肢接触的前部结构主要是前保险杠、进气格栅和发动机罩等，故只保留SUV的前部造型特征线。77款SUV前部造型特征线如图2所示。

此外，根据前部造型线中前保险杠下端有无明显的扰流板结构将SUV分为A和B两类，如图3所示。其中A类有54个样本，B类有23个样本。

图1 77款SUV的年份分布图

图2 样本资源的侧面轮廓造型特征线

图3 SUV样本分类

图4 SUV前部造型特征参数的确定

表2 SUV前部造型特征参数

1.2 造型特征参数的提取

本文中以A类车特征参数的提取进行说明。根据EuroNCAP定义4个造型特征参数[19]，如图4(a)所示；根据汽车实际结构，确定7个实车结构参数，如图4(b)所示。A类车共提取了11个造型特征参数，具体说明见表2。B类车除了无SBH和SL两个参数外，其余特征参数的提取与A类车相同，B类车共有9个造型特征参数。

1.3 SUV简化有限元模型的建立与验证

利用HyperMesh建立了77个SUV样本的前部造型特征简化有限元模型，计算各SUV对行人下肢冲击器的损伤值。根据实车结构划分扰流板、保险杠、进气格栅、发动机罩、前风窗玻璃和车顶，如图5所示。为保证仿真结果只受造型影响，所有车型各部件设置相同的材料参数和单元属性，并将车型宽度统一设为1 790mm。所有模型网格划分方式和网格分布相同，网格大小均为30mm。为更真实地反映下肢冲击器的动力学响应，在冲击器与保险杠碰撞的区域设置9个弹簧单元，均匀分布在具有吸能缓冲作用处的保险杠中间位置，其中Y轴方向上每个弹簧单元间距60mm，Z轴方向上则沿着保险杠宽度均匀布置。弹簧的刚度依据文献[20]确定，各模型中弹簧单元的参数相同。

图5 2014款讴歌MDX前部造型简化有限元模型

只对简化模型的左右两端边缘施加适当的约束，以更好地模拟冲击器的碰撞响应。为实现简化模型的定位与支撑，将边角点和保险杠弹簧单元后端点全约束，见图6(a)；为模拟下肢碰撞时保险杠、扰流板、进气格栅和弹簧单元前端点X方向的运动趋势，约束保险杠、扰流板、进气格栅边界点和弹簧单元前端点除X方向平动以外的其它自由度，见图6(b)；为模拟碰撞时发动机罩Z方向的运动趋势，只允许其边缘节点Z方向的平动，见图6(c)；为模拟风窗玻璃的刚性边界和运动趋势，约束其边缘节点Z方向的平动和转动，如图6(d)所示。

图6 简化模型约束示意图

依据EuroNCAP(V5.3.1)行人保护测试要求和评价指标[19]，分别对77款SUV进行下肢冲击器的碰撞仿真，并使用EuroNCAP官网公布的SUV行人测试结果进行验证。本文中主要研究SUV造型特征线，而它们位于汽车的纵向对称面中，因此只采用汽车纵向对称面相邻的左右两块碰撞区域的结果验证模型。

以造型特征参数为自变量(A类车11个，B类车9个)，仿真得出的3个下肢冲击器的损伤参数为因变量，使用多重线性回归分析方法定量地描述造型特征参数与下肢损伤参数之间的关系，并采用逐步回归法进行变量筛选。采用残差分析方法对样本进行LINE条件检验，采用方差膨胀因子VIF<4或者容差值＞0.25进行共线性诊断[21]。最后进行异常点检测，剔除掉学生化残差图中残差大于2的异常样本[22]，得到最终的回归模型。

2 结果

2.1 造型特征参数统计结果

77个SUV样本的造型特征参数如表3所示。

表3 造型特征参数的统计结果

2.2 模型验证结果

以2011款宝马X3为例说明验证结果。图7 (a)为EuroNCAP测试结果，图7(b)为仿真结果，对比两者相同碰撞位置(箭头所示)的颜色分布可知，仿真与实验结果吻合。

选取20款车型做验证，保险杠碰撞区域的仿真结果和EuroNCAP测试结果颜色完全一致的个数为15个，正确率为75%。这说明简化模型基本能反映真实的碰撞情况。

2.3 仿真结果

77个SUV样本A和B两类下肢损伤仿真结果的盒线图如图8所示。依据EuroNCAP(V5.3.1)的评分标准，胫骨加速度、剪切位移和弯曲角度的限值分别为150g，6mm和15°。结合图8可知，在下肢冲击器碰撞仿真中，A和B两类SUV的胫骨加速度和剪切位移基本在限值范围以内，弯曲角度则均存在大于限值的样本，说明在SUV下肢冲击器碰撞中，影响下肢得分的主要因素是弯曲角度。

图7 2011款宝马X3仿真与实验对比

图8 样本下肢损伤统计盒线图

2.4 统计检验结果

表4为有扰流板的SUV下肢损伤参数统计结果。由表可见，在A类SUV中，BCH为胫骨加速度、剪切位移和弯曲角度的最大影响因素。LBH，BW和BCH等与保险杠相关的参数是下肢损伤参数的主要影响因素。SBH和SL等与扰流板相关的参数对下肢损伤参数的影响也很显著。3个损伤参数拟合精度R2分别为64.3%，39%和82.9%，筛选出的自变量的系数及回归模型均具有统计学意义。

表5为无扰流板的SUV下肢损伤参数的统计结果。由表可见，在B类SUV中，BCH，BW，UBH分别是胫骨加速度、剪切位移、弯曲角度的最大影响因素。UBH，LBH，BW和BCH等与保险杠相关的参数是下肢损伤参数的主要影响因素。3个损伤参数拟合精度R2分别为61.1%，65.7%和75.3%，筛选出的自变量的系数及回归模型均具有统计学意义。

_表5 无扰流板的SUV下肢损伤参数的统计结果

3 讨论

由回归分析结果可知，A和B两类车型筛选出的造型特征参数不完全一致。造型特征参数与两类车型下肢损伤参数之间的正负相关性和影响程度如表6所示。

表6 造型特征参数与下肢损伤参数的正负相关性和影响程度

在A和B两类SUV中，下肢冲击器的3个损伤参数筛选出了UBH，LBH和BCH等与前保险杠相关的参数，这说明保险杠高度参数是影响下肢损伤的主要造型参数，这与文献[11]中的研究结果吻合。

BCH对A类车的下肢冲击器的3个损伤参数影响程度最大，对B类车的胫骨加速度和剪切位移影响显著。图9为保险杠参数分布盒线图，图中虚线和点划线分别表示下肢冲击器位于法规要求位置时膝关节和加速度传感器的离地高度；由于本文中的样本保险杠中心高度均大于胫骨上端加速度传感器的高度，且下肢冲击器与保险杠的碰撞点主要位于下肢冲击器股骨上，见图9。在一定范围内，BCH的增大会使碰撞点越发远离胫骨上端加速度传感器和膝关节。碰撞点越高，胫骨上端加速度传感器受到的撞击力越小，胫骨加速度也就越小；同时，碰撞点越高，股骨和胫骨的相对转角越小，膝关节弯曲角度也越小。股骨下端沿X轴向的位移减小，股骨和胫骨的相对位移增大，剪切位移也增大。

BW对A类车的胫骨加速度和弯曲角度有影响，对B类车的剪切位移影响最大，且均是负相关，说明保险杠宽度越宽，缓冲面积越大，下肢所受的损伤就越小。这与文献[9]和文献[15]中指出的增大保险杠宽度可降低行人下肢损伤的结果一致。因此，在进行SUV车型开发时，宜尽量增大保险杠宽度。

LBH对A，B两类车的弯曲角度均有显著影响，且均呈正相关。由图9可见，A和B两类车的LBH主要分布在下肢冲击器膝关节以下，LBH越小，在碰撞过程中保险杠下端对下肢冲击器的支撑点越靠下，对胫骨的支撑作用增大，使胫骨相对股骨的转角减小，弯曲角度减小。

GR分别是A类车的胫骨加速度、B类车弯曲角度的第二影响因素，均呈负相关。这说明进气格栅的曲率半径对下肢损伤有显著的影响，在进行SUV造型设计时，可适当增大进气格栅的曲率半径，以减小A类车的胫骨加速度和B类车的弯曲角度。

在无扰流板支撑下肢的B类车中，影响弯曲角度最大的造型特征参数是UBH，呈负相关，以及LBH，呈正相关。在B类车中基本满足BW＝UBHLBH的关系式，说明UBH越大，LBH越小，保险杠的宽度BW就越大，下肢冲击器的弯曲角度就越小，这与文献[9]中研究结果一致。

在有扰流板支撑下肢的A类车中，扰流板最前端的离地高度SBH、扰流板最前端相对于保险杠的伸出量SL对下肢冲击器的3个损伤参数有影响。如图9所示，SBH与LBH盒线图分布类似，说明两者对下肢损伤的影响基本一致。SL对剪切位移和弯曲角度影响显著，呈负相关，说明随着SL伸长，在碰撞过程中保险杠的扰流板对下肢冲击器胫骨的支撑作用明显，同时抑制了胫骨和股骨的相对位移和相对转角，使剪切位移和弯曲角度减小。因此，在进行SUV车型开发时，可适当增大扰流板最前端相对于保险杠的伸出量。

综合图8可知，影响A和B两类SUV下肢得分的主要因素是弯曲角度。因此，在进行SUV设计时，应结合弯曲角度的回归方程，在一定范围内，增大A类车的BCH，BW，SL，并减小LBH，增大B类车的UBH，GR，并减小LBH，以减小弯曲角度，降低行人的损伤风险。

4 结论

图9 保险杠参数分布盒线图

将SUV分为有扰流板和无扰流板两大类，通过简化有限元模型的碰撞仿真以及对仿真结果的多重回归分析，分别对下肢冲击器的损伤参数筛选出了具有显著影响的前部造型特征参数，建立了相应的回归方程。研究结果表明，在造型设计时，有无扰流板对SUV的造型要求有所不同。在有扰流板的SUV车型开发时，增大保险杠中心离地高度、保险杠宽度和扰流板相对于保险杠的前伸量可减少行人下肢损伤。在无扰流板的SUV车型开发时，应增大保险杠上参考线离地高度和进气格栅的曲率半径，减小保险杠下参考线离地高度。因此，在进行SUV造型设计时，应根据该车型有无扰流板支撑使用不同的回归方程作为设计指导。

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第九届国际变速器及传动技术研讨会召开

2017年4月20日，第九届国际变速器及传动技术研讨会(TMC2017)在上海宝华万豪酒店盛大开幕，本届研讨会由中国汽车工程学会和中汽翰思管理咨询公司联合举办。

参会嘉宾超过650人，展示单位56家，有近50个技术报告，通过对研发经验及成果的介绍，剖析中国变速器及传动技术的发展趋势和解决方案，共同致力于推动动力传动技术的发展。

Quantitative Study on the Effects of the Frontend Styling of SUV on Pedestrian Lower Limbs Injury

Zhang Guanjun，Qin Qin，Chen Zheng＆Cao Libo
Hunan University，State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle body，Changsha 410082

For fully considering the pedestrian safety performance of vehicle in crash accident in order to enhance the development efficiency and pedestrian safety，the side-view contours of 77 SUVs and their styling feature parameters are

ed，the simplified FE model for the front-end of SUVs are set up and verified，and a simulation on the pedestrian safety performance of vehicle is conducted based on EuroNCAP evaluation rule.With styling feature and injury parameters as independent and dependent variables respectively，the styling feature parameters of both categories of vehicle with and without bumper spoiler，having apparent effects on the lower limbs injuries of pedestrian are selected by using multiple linear regression analysis with corresponding regression model established.The results of analysis suggest that SUVs with bumper spoiler should choose higher height of bumper center，wider bumper width and larger protrusion of spoiler relative to bumper in styling，while SUVs without spoiler should increase the height of bumper upper reference line and the curve radius of air inlet grille and reduce the height of bumper lower reference line.The simplified model for vehicle front-end，verified by EuroNCAP test data and based on the styling features of mass-produced vehicles，can not only characterize styling information，but also has structural attributes，playing a guiding role in styling before structural design.

SUV；pedestrian lower limbs injury；styling；FEM；multiple linear regression analysis

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.010

∗国家自然科学基金(51205118)、湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主研究课题和中央高校基本科研业务费资助。

原稿收到日期为2016年5月16日。

张冠军，博士，E-mail:zgjhuda＠163.com。