基于行人保护下腿型的车辆前端结构分析优化设计

黄金华,郑文强

(1.同济大学 汽车学院,上海 200092；2.延锋彼欧汽车外饰系统有限公司,上海 201805)

0 引言

2013年世界卫生组织发布的《道路安全全球现状报告》指出：全世界的道路交通死亡总数每年高达124万例,其中22%的受害者都是行人。根据事故统计数据,在行人伤亡事故中,小腿是主要的受伤部位之一[1]。在行人碰撞事故中，碰撞产生的力传递到皮肤、肌肉、韧带、骨骼等部位，如果相应部位受到的碰撞力值超过限值，就会造成肌肉损伤、韧带断裂、骨折等伤害，所以行人下腿型伤害受到国内外主机厂、科研机构和法规标准制定部门的重视。

我国在2010年7月1日实施了GB/T 24550—2009汽车对行人的碰撞保护国家标准[2]，此法规的行人保护冲击器为刚性腿。从2014开始，欧洲新车评价规程(Euro-NCAP)的行人碰撞保护评价使用柔性腿替代刚性腿作为行人腿型冲击器[3]。同时从2015年开始，行人碰撞保护欧洲法规ECER127也开始从刚性腿切换为柔性腿[4]。

本文首先针对行人保护刚性腿进行研究分析，并依据柔性腿的分析和试验结果，对某车型前端结构提出优化策略，为汽车前端结构设计提供参考。

1 刚性腿与柔性腿分析研究

刚性腿有3个伤害评价指标，分别是胫骨加速度、膝关节弯曲角度和膝关节剪切位移。柔性腿针对股骨、膝关节和胫骨分别有股骨弯矩、膝关节韧带伸长量和胫骨弯矩3种伤害指标。其中股骨弯矩指标目前只作为监控指标，并不作为评价伤害指标。膝关节部分的韧带伸长量分别为前十字交叉韧带(ACL)、后十字交叉韧带(PCL)、外侧副韧带(LCL)和内侧副韧带(MCL)，这4个韧带伸长量中，外侧副韧带(LCL)伸长量作为监控指标，其余3个都作为评价伤害指标。胫骨部分的弯矩主要有上部弯矩(Tibia1)、中上部弯矩(Tibia2)、中下部弯矩(Tibia3)和下部弯矩(Tibia4)，这4个弯矩指标都作为评价伤害指标。

由刚性腿和柔性腿的伤害评价对比发现：伤害评价主要分为胫骨和膝关节两部分。刚性腿的胫骨加速度和柔性腿胫骨弯矩分别用来评价胫骨骨折风险；刚性腿的弯曲角和剪切位移与柔性腿的韧带伸长量分别用于评价膝关节受伤害风险。GB/T 24550—2009和ECER127法规对应行人保护下腿型评价指标和评价阀值，如表1所示。

表1 GB/T 24550—2009和ECER127法规对应行人保护下腿型评价指标和评价阀值

2 行人保护下腿型的有限元模型

行人保护腿型试验区域主要为汽车的前端保险杠系统，其中白车身前端部分的网格尺寸采用10 mm，为了更详细地描述保险杠的结构特征，保险杠部分的网格尺寸采用5 mm。约束车身的6个自由度。腿型的初始撞击速度为40 km/h，撞击方向为整车坐标的X正向。腿型与保险杠蒙皮的接触采用面-面接触，且摩擦因数设置为0.2。本文研究的车型防撞梁Y向宽度范围为-598 mm～+598 mm，保险杠两侧角点对应的Y向宽度为-500 mm～+500 mm。刚性腿测试区域为保险杠两侧角点Y向位置，即-500 mm～+500 mm，测试点为-434 mm～+434 mm。柔性腿测试区域为保险杠角与防撞梁最外侧中较大的区域，即-598 mm～+598 mm，测试点为-556 mm～+556 mm。图1为某车型Y0位置的撞击模型和柔性腿型、刚性腿型截面。

图1 某车型Y0位置的腿型截面图和柔性腿型、刚性腿型截面图

3 刚性腿和柔性腿的有限元分析结果对比

仿真分析从车辆Y0位置按每隔100 mm选点进行碰撞，再加上最外侧测试点，刚性腿最外侧测试点为Y434位置，柔型腿最外侧测试点为Y556位置。选用Altair公司的Hyperworks软件进行前后处理，利用Radioss求解器进行分析求解。刚性腿型和柔性腿型的分析结果分别如表2和表3所示。

表2 刚性腿型分析结果

表3 柔性腿型分析结果

有限元分析结果表明：刚性腿型和柔性腿型的结果整体趋势接近；在Y0～Y300区域中，刚性腿的胫骨减速度超过目标要求，在同样区域中柔性腿的胫骨弯矩也超过目标值。两种腿型在胫骨伤害指标上结果状态接近，但刚性腿型对胫骨只有一个指标，优化时相对容易，而柔性腿有4个胫骨弯矩，在Y100～Y200区域，中上部弯矩和中下部弯矩均超过目标，所以在优化时需要同时考虑两个弯矩状态。

本车型刚性腿的计算结果中，膝关节弯曲角度在碰撞点往车辆保险杠的两侧移动呈逐渐增大趋势，与柔性腿型的计算结果趋势一致。这是因为越往车辆保险杠两侧，保险杠的弧度越大，在腿型撞击时更容易造成腿型的翻转和弯曲，故两侧的膝关节伤害指标不理想。

综上分析，刚性腿的结果趋势与柔性腿比较接近。但由于柔性腿的生理仿真性和伤害指标更高，有必要针对柔性腿型进行优化设计。

4 车辆前端结构优化及仿真分析

本车型柔性腿碰撞分析中，柔性腿型的中上弯矩以及中下弯矩均超过了伤害指标值。图2为Y0位置碰撞过程不同时刻腿型运动姿态。从图2可以看出，胫骨下部弯曲主要是由于小腿梁(小腿支撑结构)刚性过大产生，即保险杠底部支撑结构吸能不足而造成胫骨弯矩超标。

图2 Y0位置碰撞过程不同时刻腿型运动姿态

原小腿梁结构前端有交叉布置的结构筋和较多的Z向加强筋，致使碰撞过程中小腿梁结构的吸能较少，对小腿伤害较大，所以需对该零件进行优化，使其结构可吸收更多的碰撞能量，从而起到改善小腿运动姿态的作用。优化前、后的小腿梁结构如图3所示。

图3 小腿梁支撑结构优化前和优化后对比

优化前和优化后Y0位置的伤害值如表4所示，其中Tibia3的曲线如图4所示，优化前、后伤害值峰值时刻腿型运动姿态如图5所示。

表4 优化前和优化后Y0位置伤害值对比

图4 优化前、后Y0位置的Tibia3曲线对比

由表4可知，中上弯矩与中下弯矩伤害指标均有所下降，膝关节位置的韧带伸长量有所增加，但依然可以满足法规要求。优化结果表明:小腿梁支撑刚度与胫骨弯矩特别是支撑处的胫骨弯矩呈正相关，但与膝关节的内侧副韧带伸长量指标呈负相关。行人保护柔性腿优化是一个整体性、综合性的工作，优化过程中还需考虑保险杠的整体布置和制造工艺。

图5 优化前、后伤害值峰值时刻腿型运动姿态

5 结语

本文简要介绍了刚性腿和柔性腿在结构、伤害指标、法规阀值等方面的差异，分别建立了行人保护刚性腿与柔性腿的有限元碰撞模型，最后针对柔性腿的分析结果，对本车型的胫骨弯矩指标进行优化和验证。得出以下结论：

(1) 柔性腿作为新型的碰撞冲击器，具有比刚性腿较为全面的评分体系，能更好地反映真实的伤害过程。

(2) 由于本车型的保险杠两侧弧度较大，在Y500与Y556位置，MCL结果均超过目标值，说明车辆前端两侧弧度较大的造型对小腿膝关节部位的伤害较大。

(3) 保险杠小腿梁支撑结构的刚度与柔性腿伤害指标有直接的关系。分析和优化结果显示，随着小腿梁支撑刚度的减小，胫骨弯矩指标也随之减小。经过优化，本车型Y0位置的Tibia2、Tibia3和Tibia4分别减小33.36%、36.16%和17.53%。在类似新车型的保险杠开发中，合理降低小腿梁支撑结构的刚性，可以更好地达到法规标准。