满足行人腿部保护要求的保险杠部件改进

曲杰, 徐梁, 马强

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640)

0 引言

汽车正面与行人发生碰撞时，行人腿部一般首先受到伤害，数据统计人车碰撞后行人下肢损伤或致残的概率高达30%[1]。腿部损伤主要有：腿骨骨折、韧带撕裂、膝关节脱位、踝关节损伤与足错位等。腿部受到的横向剪切能使韧带损伤断裂和关节脱位，腿部弯曲程度过大易造成腿骨骨折，碰撞时腿部受力大小也是造成伤害的关键因素。这些伤害形式应该在车辆测试的试验标准中体现，用评价指标去反映腿部真实受伤情况，从而对保险杠的设计提供指导。

2003年，欧盟颁布了行人保护相关的指令2003/102/EC，转化为分两个阶段实施的欧盟法规EC No631/2009，规定了对机动车的行人腿部保护要求，即下腿型对保险杠试验的标准和评价指标。随后欧洲新车安全评定协会E-NCAP也将行人保护作为星级评定的项目之一。2008年，多国参与制定的行人保护全球技术法规GTR9《关于机动车碰撞时对行人及弱势道路使用者加强保护和减轻严重伤害的认证统一规定》发布，我国的行人安全保护推荐标准是GB/T 24550-2009《汽车对行人的碰撞保护》[2], 其技术内容与GTR9相同。

下腿型冲击器是行人保护法规(或标准)试验中模拟人腿的实验冲击器，多采用刚性下腿型冲击器，可以从试验后的胫骨加速度、膝关节弯曲角度和膝关节剪切位移3个指标衡量行人腿部受到的伤害，各个标准的规定如表1所示。

表1 各个标准中的下腿型对保险杠试验的评价指标

刚性下腿型冲击器对保险杠试验的特点有：试验成本昂贵；试验要求严格，要求一定湿度和温度，试验前需要标定，每次试验2 h内完成；试验准确度要求高，为保证下腿型冲击器在冲击瞬间为自由飞行状态，考虑到重力因素，对推进系统和下腿型冲击器的定位要求很高，在接触时刻前测量仪测得的冲击速度应为(11.1±0.2)m/s。因此试验难度大，有限元仿真成为解决实际问题的主要手段。而以往研究忽略了对下腿型撞击器的标定、碰撞定位等试验细节，对材料应变率影响等仿真细节考虑不足。作者依照我国推荐标准GB/T 24550-2009中的试验要求，建立完整标准的试验仿真流程，并应用于保险杠的安全性能提高，改进设计了吸能泡沫部件，可以作为解决汽车的行人保护问题的重要参考。

刚性下腿型冲击器用刚性圆管模拟人腿腿骨,中间连接可变形的韧带，外部覆盖模拟肌肉和皮肤的材料。柔性冲击器的腿骨可变形，具有更高的生物仿真性和更真实的伤害模拟评估，能够反映胫骨弯曲所造成的伤害。柔性下腿型冲击器Flex-PLI和相关试验标准已经在逐步完善并取代刚性下腿型冲击器。

1 刚性下腿型冲击器的标定

LSTC公司根据欧洲委员会EC No631/2009号法规，开发出刚性下腿型冲击器有限元模型[3]，其标定试验和应用仿真分析在LS-DYNA中进行。刚性小腿总质量13.402 kg，全长927 mm，外部有单层泡沫包裹模拟肌肉，最外层是氯丁橡胶层模拟皮肤。国标GB/T 24550-2009中对刚性下腿型冲击器有一定性能要求。为验证刚性小腿在仿真环境中是否符合要求，在LS-DYNA中进行静态剪切试验、静态弯曲试验和动态试验的标定。

标定结果如图1所示:图(a)和图(b)表明静态标定试验的曲线都在规定范围内；图(c)为动态标定试验曲线，国标对动态标定曲线的最大值有要求。

图1 标定结果

表2为动态标定的最大值和国标要求，可见动态标定试验各条曲线的最大值也符合要求，所以使用刚性小腿完全符合我国标准要求。

表2 动态标定结果和国标要求

2 保险杠建模和仿真

该车前部模型主要含进气格栅、保险杠蒙皮、缓冲泡沫、前部防撞梁、大灯组件和雾灯组件等。前保险杠塑料件间的连接方式主要为塑料卡扣、塑料螺纹柱以及塑料件之间的相互插入和压紧。

保险杠蒙皮和进气格栅材料为某改性聚丙烯塑料，用*MAT_PLASTICITY_POLYMER材料模型模拟，输入不同应变率下真实应力应变曲线数据[4]，以考虑应变率的影响；泡沫材料为硬质聚氨酯泡沫，用*MAT_FU_CHANG_FOAM材料模型模拟，并可输入单轴拉压试验曲线以考虑应变率的影响[5]。材料参数如表3所示，所需输入曲线如图2所示。

表3 主要材料参数

图2 材料曲线的输入

材料模型的曲线通过试验获得，由于碰撞速度较高，材料的试验数据也应尽量包含较高应变率的试验曲线。因为此试验难于验证，根据车门内饰板试验和仿真验证经验，车门内饰板含有类似性能材料的塑料和硬质聚氨酯缓冲块，连接方式也相同。分别在车门内饰板静压试验中进行了材料和连接的低应变率下准确性验证[6]，在车门内饰板总成耐撞性试验中进行了材料和连接的高应变率下准确性验证[7]，保证了有限元模型建立的准确性。

最后根据该款车的高度调整刚性小腿Z方向的位置，保证刚性小腿距离地面25 mm，设置刚性小腿初始条件为沿X轴的初速度为11.1 m/s。

3 吸能泡沫部件的改进

根据提交的试算结果，可以发现点P0的胫骨加速度和膝关节弯曲角度偏大，超过国标限值；点P1、P2各项结果严重偏大，导致计算难以收敛。吸能泡沫是吸收能量的功能性部件，相对于保险杠蒙皮具有较高的设计自由度，其主要的可改动特征尺寸如图3所示。

图3 原泡沫部件特征尺寸

对吸能泡沫部件进行改进设计[10]，在点P0，在保证安装空间的情况下减小d1和d2的尺寸，会增大碰撞时的有效体积；增加点P1附近的厚度，也就是将增大t的尺寸；延长泡沫尺寸以至覆盖全碰撞区域，能够保证点P2的碰撞结果合格。反复改进设计，并用仿真计算进行验证，得到最终的吸能泡沫如图4所示。

图4 改进设计的泡沫部件特征尺寸

用上面改进设计的吸能泡沫替换原来的有限元模型，并提交计算，前保险杠各部件在末时刻(t=30 ms)的内能如表4所示。

表4末时刻(t=30 ms)各部件内能统计

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从表4可以看出： 改进设计后的吸能泡沫末时刻的内能明显增加，并且点P1、P2的计算结果良好(具体分析见第4部分)，说明改进设计是有效的。

另外可以通过选择泡沫材料，提高泡沫的功能性。研究表明:泡沫对能量吸收主要依靠平台屈服阶段，较长的平台阶段能够显著提升吸收能量，较低的平台应力可以使材料较早进入屈服阶段[11]，具有较高的能量吸收效率(单位质量材料吸收能量与对应应力之比)；一定范围内泡沫的密度越小，刚度越小，能量吸收效率越高[12]。发泡聚丙烯泡沫(EPP)相对于硬质聚氨酯泡沫(PU)具有更好的缓冲吸能特性。可以综合考虑吸能泡沫以上的特性进行选择，然后在赋予材料时输入曲线并设置参数。

4 验证和分析

为了验证改进设计后吸能泡沫能够让实验结果符合国标中的各项要求，将各碰撞点的刚性小腿的指标输出，在LS-prepost中用SAE低通滤波器滤除噪声，得到各个指标的时间历程如图5所示。

图5 各个指标的时间历程

由仿真结果曲线可以看出：刚性小腿的胫骨加速度曲线从开始碰撞起不断增加(负值代表与速度方向相反)，到达峰值时又开始减小。由于保险杠不同位置的结构有所差异，P0的峰值最小，因为中间位置保险杠蒙皮上有较大尺寸的安装凹坑，通过3次碰撞后保险杠蒙皮能量对比可以得出P0处保险杠蒙皮吸收的能量较多，这一定程度上减小了加速度峰值；P2处接近大灯组件，同样的大灯组件的变形与它和进气格栅、保险杠蒙皮间连接的失效都稍稍降低了加速度峰值；P1结构的缓冲效果最差，加速度峰值最大。

膝关节弯曲角度曲线从t=0 ms开始随着模型的变形程度不断地增大，不同位置的弯曲角度曲线差别不大。膝关节剪切位移可以代表韧带的撕裂程度，这与刚性小腿碰撞受力位置和韧带的相对位置关系密切，不同碰撞位置的形状差异导致刚性小腿受力位置不同，曲线差别也较大。P0位置各个时刻模型的变形情况如图6所示。

图6 P0位置碰撞过程中模型变形情况

通过仿真分析结果可以看出：改进后保险杠总成满足GB/T 24550-2009对行人保护的各项指标的要求，但是胫骨加速度峰值和膝盖弯曲角峰值都比较接近法规上限。文中采用的模型缺少发动机罩，并简略了车灯内部组件，模拟时忽略了它们对能量的吸收，所以各项结果是偏安全的。

5 结束语

介绍了我国行人保护法规GB/T 24550-2009中的下腿型对保险杠试验的仿真过程，针对一款汽车前部进行有限元模型建立、仿真试算、指导设计、最终达标的完整应用。得到以下结论：

(1)保险杠部件对行人腿部保护十分关键，通过对保险杠部件的改进和优化，能够降低碰撞时行人腿部受到的伤害从而满足标准对行人保护的要求。

(2)可以对吸能泡沫进行形状设计，增大碰撞区域的有效体积来增强吸收能量的功能性，选择吸能更好的吸能材料也增强吸能部件吸收能量的能力。

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