呂曉江 劉衛(wèi)國(guó)，2 周大永 王 純 趙福全，2

（1.浙江吉利汽車研究院有限公司；2.浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

1 前言

美國(guó)交通事故研究表明，行人與SUV車輛發(fā)生碰撞而死亡的概率是普通轎車的2倍，其中11.5%的行人與SUV車型發(fā)生碰撞會(huì)導(dǎo)致死亡[1]。隨著行人保護(hù)研究的不斷深入，汽車前部造型是行人保護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵并直接影響行人保護(hù)成績(jī)[2]。考慮到通過性、動(dòng)力性的要求，SUV車輛前端造型較特殊，因此對(duì)其前端造型設(shè)計(jì)提出新的要求。

本文以 《歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程》（Euro-New Car Assessment Program，Euro-NCAP）為基礎(chǔ)，運(yùn)用“計(jì)算機(jī)輔助造型”（Computer-Aided Styling，CAS）及CAE對(duì)SUV前端造型設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行研究。

2 行人頭部碰撞區(qū)域造型設(shè)計(jì)研究

2.1 側(cè)面基準(zhǔn)線位置對(duì)SUV造型設(shè)計(jì)的影響

側(cè)面基準(zhǔn)線的位置直接影響頭部碰撞區(qū)域兩側(cè)的邊界。在頭部碰撞試驗(yàn)中，頭部傷害指標(biāo)（Head Injury Criterion，HIC）最大值分別發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)罩與翼子板交界處、發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前組合燈交界處以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈處[3]，以上容易產(chǎn)生高傷害值的區(qū)域都在頭部碰撞區(qū)域兩側(cè)。SUV車型由于車身寬度較大，在兩側(cè)的碰撞邊界也較大。因此，如果在造型階段不加以控制側(cè)面基準(zhǔn)線位置，到研發(fā)后期會(huì)給行人保護(hù)頭部碰撞開發(fā)帶來很高風(fēng)險(xiǎn)，甚至不能滿足歐盟法規(guī)的要求。2013年，Euro-NCAP行人保護(hù)評(píng)價(jià)規(guī)程將采用100 mm網(wǎng)格法代替原有頭部碰撞評(píng)價(jià)方法[4]，對(duì)車輛的行人保護(hù)性能考察將更加全面，對(duì)SUV車型側(cè)面基準(zhǔn)線位置提出新要求。

研究寶馬X3和寶馬X1兩款SUV前端造型結(jié)果如圖1所示。由圖1a可知，寶馬X3的側(cè)面基準(zhǔn)線（圖中虛線）劃分在翼子板上，導(dǎo)致實(shí)際頭部碰撞區(qū)域兩側(cè)邊界在HIC最大值區(qū)域內(nèi)；由圖1b寶馬X3的Euro-NCAP行人保護(hù)測(cè)試結(jié)果可知，在兩側(cè)碰撞區(qū)域（C1、C6區(qū)域）內(nèi)均存在一定程度失分[5]；由圖1c可知，寶馬X1的側(cè)面基準(zhǔn)線基本劃分在發(fā)動(dòng)機(jī)罩上，頭部碰撞區(qū)域避開了HIC最大值區(qū)域；由圖1d寶馬X1的Euro-NCAP行人保護(hù)測(cè)試結(jié)果可知，在兩側(cè)碰撞區(qū)域得到滿分，行人保護(hù)頭部碰撞安全性能得以提高[6]。

圖2中實(shí)線為某SUV車型側(cè)面基準(zhǔn)線劃線情況。由劃線情況可知，在圖示兩側(cè)區(qū)域內(nèi)與車輛橫向垂直平面平行并且向內(nèi)傾斜45°的直線（簡(jiǎn)稱45°線）與翼子板相切，按照100 mm網(wǎng)格法確定的部分碰撞點(diǎn)落在翼子板與發(fā)動(dòng)機(jī)罩分縫線附近位置。該區(qū)域剛度通常較大，對(duì)頭部碰撞十分不利。因此，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩及翼子板CAS進(jìn)行優(yōu)化以調(diào)整側(cè)面基準(zhǔn)線位置，從而避免翼子板先與45°線相切。其方法是將發(fā)動(dòng)機(jī)罩CAS向兩側(cè)外部偏移而翼子板CAS向內(nèi)偏移（圖3箭頭方向），使45°線先與發(fā)動(dòng)機(jī)罩相切?？紤]到生產(chǎn)制造誤差，使發(fā)動(dòng)機(jī)罩與翼子板凸出部位沿45°線的垂線方向保留8 mm余量。圖2中虛線部分為優(yōu)化后劃線結(jié)果，側(cè)面基準(zhǔn)線大部分在發(fā)動(dòng)機(jī)罩上，縮小了頭部碰撞區(qū)域，也減少了在發(fā)動(dòng)機(jī)罩兩側(cè)易產(chǎn)生高傷害值的危險(xiǎn)碰撞點(diǎn)，從而降低了該區(qū)域的傷害值。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩后面基準(zhǔn)線位置對(duì)SUV造型設(shè)計(jì)的影響

對(duì)SUV車型而言，發(fā)動(dòng)機(jī)罩后面通風(fēng)蓋板覆蓋區(qū)域通常在成人頭部碰撞區(qū)域內(nèi)，成人頭部模型與水平面沖擊角度為65°，如果成人頭部模型直接與雨刮軸、雨刮電機(jī)、通風(fēng)蓋板與前擋風(fēng)玻璃搭接處發(fā)生碰撞，則會(huì)產(chǎn)生更大傷害。因此，目前許多車型將通風(fēng)蓋板設(shè)計(jì)成隱藏式，一方面能使頭部模型避開雨刮軸、雨刮電機(jī)等通風(fēng)蓋板下方硬點(diǎn)，另一方面發(fā)動(dòng)機(jī)罩后緣與通風(fēng)蓋板之間的空間能夠避免發(fā)生二次碰撞。采用隱藏式通風(fēng)蓋板結(jié)構(gòu)的車型其該區(qū)域頭部碰撞得分相對(duì)較高，如寶馬X1采用隱藏式通風(fēng)蓋板后在該區(qū)域頭部碰撞得到滿分。

圖4為某SUV車型通風(fēng)蓋板區(qū)域Y向（車輛長(zhǎng)度方向?yàn)閄向，寬度方向?yàn)閅向，高度方向?yàn)閆向）截面，對(duì)通風(fēng)蓋板區(qū)域造型修改方法有2種，具體方法如下。

a. 發(fā)動(dòng)機(jī)罩外CAS向后延伸，方向如圖4a中箭頭方向，用直徑為165 mm的球先與擋風(fēng)玻璃接觸，然后與發(fā)動(dòng)機(jī)罩后緣接觸，而不是與通風(fēng)蓋板接觸。

b.部分下移通風(fēng)蓋板與擋風(fēng)玻璃接觸邊，同時(shí)延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩后緣，方向如圖4b中箭頭方向。

優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩后緣基準(zhǔn)線劃線避免了頭部模型與通風(fēng)蓋板區(qū)域的硬點(diǎn)直接碰撞，該區(qū)域行人保護(hù)性能得到提升。

2.3 WAD1000線位置對(duì)SUV造型設(shè)計(jì)的影響

WAD1000線位置控制頭部碰撞區(qū)域前邊界。SUV車輛發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸較大，因此發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間較其他轎車大，前端造型較一般車型高，因此在造型設(shè)計(jì)時(shí)盡量使WAD1000線靠后，以避開發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖扣、發(fā)動(dòng)機(jī)罩緩沖塊等硬點(diǎn)。

3 行人腿部碰撞區(qū)域造型設(shè)計(jì)研究

3.1 前保險(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域?qū)UV造型設(shè)計(jì)的影響

根據(jù)Euro-NCAP的規(guī)定，在腿型對(duì)保險(xiǎn)杠的試驗(yàn)中，前保險(xiǎn)杠下部基準(zhǔn)線與水平面的距離小于425 mm時(shí)用小腿沖擊器進(jìn)行試驗(yàn)，距離為425～500 mm時(shí)可由制造商選擇用小腿沖擊器或者大腿沖擊器進(jìn)行試驗(yàn)，若該距離大于500 mm則必須用大腿沖擊器進(jìn)行試驗(yàn)[4]。

3.1.1 前保險(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域概念

針對(duì)SUV車輛前保險(xiǎn)杠造型行人保護(hù)腿部碰撞設(shè)計(jì)，提出前保險(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域概念。前保險(xiǎn)杠上、下部基準(zhǔn)線分別控制前保險(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域上、下部邊界，前保險(xiǎn)杠角點(diǎn)控制前保險(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域左、右兩側(cè)邊界。前保險(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域關(guān)系到腿部防撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布置，對(duì)行人保護(hù)腿部防撞系統(tǒng)開發(fā)有重要影響。圖5中深灰色區(qū)域?yàn)榍氨ｋU(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域。

3.1.2 采用小腿沖擊器時(shí)前保險(xiǎn)杠造型設(shè)計(jì)

研究表明，小腿模型下部質(zhì)心高度位置低于前保險(xiǎn)杠下部基準(zhǔn)線位置時(shí)，小腿模型在碰撞過程中保持向上翻滾的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而有效控制膝部彎曲角[2]。一般SUV底盤較高，沒有下部支撐的安裝空間，其小腿碰撞設(shè)計(jì)采用與轎車相反的思路，即通過增加上支撐以抵住小腿上部向上翻滾的趨勢(shì)，使小腿整體上形成向下翻滾的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)[7]。

因此，結(jié)合某SUV車型前保險(xiǎn)杠上、下基準(zhǔn)線劃分，找出前保險(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域，并利用madymo軟件，通過設(shè)置支撐區(qū)域剛度來考察支撐區(qū)域的位置是否合理，最終通過分析結(jié)果進(jìn)行前保險(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域CAS優(yōu)化，從而提高行人腿部碰撞的性能。

小腿模型碰撞車輛前端時(shí)所受主要載荷分為發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣位置載荷、前保險(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域載荷、擾流板載荷[8～9]，根據(jù)某SUV前端造型特征分別建立發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣橢球、前保險(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域橢球（包括上支撐橢球和中間支撐橢球）及擾流板橢球，如圖6所示。載荷剛度設(shè)置如圖7所示。

上支撐橢球與小腿上部質(zhì)心Z向間隙用A表示，中間支撐橢球與小腿下部質(zhì)心Z向間隙用B表示（圖8）。由表1模擬結(jié)果可知，隨著A值不斷減小，脛骨加速度變化不大，膝部剪切位移和膝部彎曲角逐漸降低。在保證散熱器格柵進(jìn)風(fēng)面積要求的前提下，當(dāng)上支撐橢球與小腿上部質(zhì)心Z向間隙為105 mm時(shí)為最優(yōu)。上支撐橢球位置確定后，對(duì)中間支撐橢球布置位置進(jìn)行分析。由表2可知，隨著B值不斷減小，脛骨加速度變化不大，膝部剪切位置逐漸增高，膝部彎曲角逐漸降低。綜合考慮前保險(xiǎn)杠下部進(jìn)風(fēng)面積要求后，中間支撐橢球與小腿下部質(zhì)心Z向間隙取175 mm時(shí)為最優(yōu)。最后通過最優(yōu)方案的上支撐橢球與中間支撐橢球的布置位置來調(diào)整前保險(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域CAS。圖8為采用最優(yōu)方案前、后的仿真結(jié)果。

表1 A值對(duì)小腿傷害的影響

表2 B值對(duì)小腿傷害的影響

3.1.3 采用大腿沖擊器時(shí)前保險(xiǎn)杠造型設(shè)計(jì)

采用大腿沖擊器時(shí)同樣采用3.1.2節(jié)方法，通過給定前保險(xiǎn)杠造型區(qū)域橢球的剛度分析前保險(xiǎn)杠橢球不同布置位置對(duì)大腿碰撞結(jié)果的影響。分析過程不再繁述，結(jié)論為控制前保險(xiǎn)杠上基準(zhǔn)線與下基準(zhǔn)線的相對(duì)位置，使前保險(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域覆蓋整個(gè)大腿，從而保證大腿沖擊器在碰撞時(shí)上、下兩側(cè)的受力平衡。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣基準(zhǔn)線位置對(duì)SUV造型設(shè)計(jì)的影響

車輛前部造型的幾何尺寸決定了大腿模塊撞擊的能量、初速度與角度，而撞擊接觸面積等決定了大腿模塊受到的沖擊力和彎曲力矩的大小[10]。由于SUV發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣基準(zhǔn)線較高，其大腿碰撞能量也較高，因此在Euro-NCAP大腿沖擊器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣的碰撞測(cè)試中得分幾乎都為零。

但是，皮卡汽車Ford Ranger在2012年的Euro-NCAP行人保護(hù)測(cè)試中得分率達(dá)到81%，在大腿沖擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣測(cè)試中也取得了不錯(cuò)的成績(jī)[11]。其原因一方面是其發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣基準(zhǔn)線與發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前保險(xiǎn)杠分縫線Z向間隙 （圖9中虛線Z向間距）很大，使得大腿在碰撞該位置時(shí)有充足的吸能空間；另一方面是發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣基準(zhǔn)線與發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前保險(xiǎn)杠分縫線X向間隙（圖9中虛線X向間距）也很大，使得大腿碰撞沖擊目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)后移，從而避開了散熱器上橫梁等高硬度區(qū)域，使碰撞變形主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)罩上。

3.3 前保險(xiǎn)杠角點(diǎn)位置對(duì)SUV造型設(shè)計(jì)的影響

前保險(xiǎn)杠角點(diǎn)為小腿碰撞區(qū)域參考點(diǎn)，因此許多車型在前保險(xiǎn)杠造型上進(jìn)行改進(jìn)，如增加凸包以縮小小腿碰撞區(qū)域。但Euro-NCAP對(duì)小腿碰撞性能進(jìn)行更嚴(yán)格地考察，對(duì)小腿碰撞區(qū)域的劃分還考慮到前橫梁兩端區(qū)域?qū)π⊥葞淼臐撛谟绊?，因此在前保險(xiǎn)杠造型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧前橫梁的布置位置。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合Euro-NCAP行人保護(hù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)SUV車型前端造型進(jìn)行了研究，并得出以下結(jié)論。

a.通過對(duì)前端造型優(yōu)化來控制頭部碰撞區(qū)域，規(guī)避潛在危險(xiǎn)點(diǎn)，有利于提高SUV車輛頭部碰撞安全性能。

b.前保險(xiǎn)杠造型支撐區(qū)域位置關(guān)系到腿部防撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布置，對(duì)行人保護(hù)腿部防撞系統(tǒng)開發(fā)有重要影響。

c.發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣基準(zhǔn)線與發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前保險(xiǎn)杠分縫線間隙的大小，對(duì)SUV車型大腿碰撞有重要影響。

1 Lefler D E，Gabler H C.The Fatality and Injury Risk of Light Truck Impacts with Pedestrians in the United States.Accident Analysis and Prevention， 2004，295～304.

2 呂曉江，王純，劉衛(wèi)國(guó)，等.基于行人保護(hù)的乘用車前部造型設(shè)計(jì)優(yōu)化.汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)， 2011，2（3）:206～211.

3 任山，李海斌，王坤.國(guó)內(nèi)車型頭部碰撞保護(hù)現(xiàn)狀分析.2010中國(guó)汽車安全技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集，349～355.

4 European New Car Assessment Program.Pedestrian Test Protocol.http://www.euroncap.com/Content-Web-Page/fb5e236e-b11b-4598-8e20-3eced15ce74e/protocols.aspx，2012-02-01.

5 The Official Site of the European New Car Assessment Programme.BMW X3 Test Results.http://www.euroncap.com/results/bmw/x3/2011/436.aspx，2011-01-01.

6 The Official Site of the European New Car Assessment Programme.BMW X1 Test Results.http://www.euroncap.com/results/bmw/x1/2012/426.aspx，2012-01-01.

7 岳國(guó)輝，韓峰，李夕亮，等.基于行人腿部保護(hù)的SUV車型前端吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).汽車安全與節(jié)能報(bào)，2010，1（4）:307～321.

8 Shuler S， Mooijman F， Nanda A， et al.Improved Energy Absorber and Vehicle Design Strategies for Pedestrian Protection.SAE Paper，2005-01-1872.

9 吳斌，朱西產(chǎn)，王大志，等.乘用車與行人碰撞腿部保護(hù)設(shè)計(jì)要素研究.汽車技術(shù)，2010（11）:33～37.

10 沈錚，黃俊，聶冰冰，等.汽車前部造型特征對(duì)行人碰撞保護(hù)的影響研究.2010中國(guó)汽車安全技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集，387～392.

11 The Official Site of the European New Car Assessment Programme.Ford Ranger Test Results.http://www.euroncap.com/results/ford/ranger/2012/450.aspx，2012-01-01.