張義悅 張曉娟

（大連科技學(xué)院 116052)

基于行人腿部碰撞保護(hù)的汽車前端設(shè)計(jì)

張義悅 張曉娟

（大連科技學(xué)院 116052)

人車碰撞事故中，腿部與保險(xiǎn)杠的碰撞傷害最為常見，本文提出了一種新型安全氣囊彈出系統(tǒng)，并結(jié)合汽車自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)和紅外探測(cè)系統(tǒng)共同對(duì)行人的腿部進(jìn)行保護(hù)。該方案是通過減弱碰撞中行人腿部受到的撞擊力來對(duì)其進(jìn)行保護(hù)的，是一種主動(dòng)安全技術(shù)。

汽車碰撞；行人保護(hù)；保險(xiǎn)杠；安全氣囊；有限元分析

1 研究背景

汽車從誕生至今，其安全性基本都是圍繞車內(nèi)人員展開的，對(duì)行人的保護(hù)則很少考慮。在人車碰撞中，行人屬于弱勢(shì)群體，往往會(huì)導(dǎo)致行人的傷亡嚴(yán)重。直到上世紀(jì)九十年代行人保護(hù)才在歐洲被真正重視起來，我國則是在2010年7月1日才實(shí)施汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

行人與汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，傷害主要發(fā)生在腿部和頭部，腿部傷害主要是與保險(xiǎn)杠碰撞引起的[2]。改進(jìn)保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化汽車前端設(shè)計(jì)，是目前降低對(duì)行人腿部碰撞傷害的重要措施。

2 設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)由現(xiàn)有的主動(dòng)安全技術(shù)和新型安全氣囊組成。運(yùn)用自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)中的毫米波雷達(dá)測(cè)出車輛與前方障礙物的距離[3]，用紅外熱成像儀識(shí)別出前方障礙物是否是人，即綜合運(yùn)用毫米波雷達(dá)技術(shù)和紅外熱成像技術(shù)測(cè)出車輛與行人的距離。當(dāng)此距離小于“報(bào)警距離”時(shí)就對(duì)駕駛員進(jìn)行報(bào)警提示，小于“安全距離”時(shí)，如果駕駛員沒有踩制動(dòng)踏板，系統(tǒng)會(huì)控制汽車自動(dòng)制動(dòng)。如果判斷出與前方行人仍會(huì)發(fā)生碰撞，系統(tǒng)將此信號(hào)傳輸?shù)桨踩珰饽铱刂茊卧?/p>

現(xiàn)有安全氣囊的彈出是由汽車的加速度控制的，當(dāng)汽車碰撞的瞬時(shí)加速度達(dá)到-40 g，安全氣囊在幾十毫秒充氣完畢，充氣后保持1～2s[4]。本文設(shè)計(jì)使用的氣囊裝入保險(xiǎn)杠內(nèi)，是由單獨(dú)的控制單元控制，根據(jù)自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算，在人車碰撞前1～2 s時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆摽刂茊卧刂票ｋU(xiǎn)杠內(nèi)的安全氣囊彈出。氣囊在汽車前端保險(xiǎn)杠上形成彈性氣墊，及時(shí)吸收沖擊能量，減少行人腿部受到的撞擊力。

3 有限元軟件分析

3.1 模型的建立

為了模擬行人腿部與保險(xiǎn)杠的碰撞過程以及安全氣囊的減振作用，使用有限元軟件進(jìn)行分析。共建立3個(gè)基本模型，即保險(xiǎn)杠、安全氣囊和行人腿部。在建立模型時(shí)對(duì)模型做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，并在尺寸上縮小了10倍。用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)代替保險(xiǎn)杠，尺寸取長(zhǎng)110 mm，寬20 mm，厚1 mm。用圓柱結(jié)構(gòu)代替腿部，長(zhǎng)1 000 mm，直徑40 mm。用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)代替安全氣囊，長(zhǎng)1 200 mm，寬300 mm，厚5 mm。

3.2 材料的選擇

本文在對(duì)模型添加材料時(shí)，腿部使用的材料為脛骨皮質(zhì)骨，密度1 000 kg/m3，彈性模量20 GPa，泊松比0.315。保險(xiǎn)杠使用的材料為聚丙烯，密度900 kg/m3，彈性模量1.3 GPa，泊松比0.41。由于安全氣囊中的氣體多為氮?dú)?，其壓?qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氮?dú)鈮簭?qiáng)的2倍，因此安全氣囊設(shè)定材料為氮?dú)?，密?.5 kg/m3，彈性模量0.001 Pa，泊松比0。

3.3 劃分網(wǎng)格

保險(xiǎn)杠長(zhǎng)度和寬度方向網(wǎng)格尺寸為2 mm，厚度方向?yàn)?.1 mm。安全氣囊長(zhǎng)寬方向?yàn)? mm，厚度方向?yàn)?.1 mm，行人腿部網(wǎng)格尺寸為2 mm。

3.4 施加載荷和約束

為了簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)模型，根據(jù)力的作用是相互的，運(yùn)動(dòng)情況設(shè)計(jì)為：固定保險(xiǎn)杠，行人腿部以一定速度撞擊保險(xiǎn)杠。因此，對(duì)保險(xiǎn)杠施加固定約束，安全氣囊與保險(xiǎn)杠之間設(shè)定為綁定接觸，腿部施加8 000 mm/s的速度載荷，接近30 km/h即低速碰撞。由于人車碰撞的接觸時(shí)間非常短，通過多次模擬將運(yùn)動(dòng)時(shí)間設(shè)為0.01 s。

3.5 求解

求解分為兩個(gè)過程。第一個(gè)過程抑制安全氣囊，模擬行人腿部與保險(xiǎn)杠的直接碰撞，第二過程對(duì)安全氣囊解除抑制，模擬有氣囊保護(hù)情況下行人腿部與保險(xiǎn)杠的碰撞。

3.6 結(jié)果分析

兩次碰撞試驗(yàn)結(jié)果為：無安全氣囊保護(hù)時(shí)，保險(xiǎn)杠最大變形為0.50 mm，最大正應(yīng)力為1726.5 MPa，最大正應(yīng)變?yōu)?.23×10-3；有安全氣囊保護(hù)時(shí)，保險(xiǎn)杠最大變形為0.33 mm，最大正應(yīng)力為653.5 MPa，最大正應(yīng)變?yōu)?.71×10-5。即有安全氣囊保護(hù)時(shí)，保險(xiǎn)杠最大變形小，正應(yīng)力小，總應(yīng)變小。這說明有安全氣囊保護(hù)時(shí)保險(xiǎn)杠受到的力減小，根據(jù)力的作用是相互的，行人腿部在人車碰撞時(shí)受到的沖擊力減小，即在保險(xiǎn)杠前增加安全氣囊能夠有效的保護(hù)行人腿部。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)有的安全技術(shù)基礎(chǔ)上，本文結(jié)合汽車自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)、熱紅外探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有安全氣囊系統(tǒng)的彈出原理進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新保護(hù)行人腿部的設(shè)計(jì)方案，并通過有限元軟件分析了方案的可行性。

[1]呂曉江.王純.劉衛(wèi)國等.基于行人保護(hù)的乘用車前部造型設(shè)計(jì)優(yōu)化[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào).2011.2(3).

[2]魏政君.基于行人保護(hù)的彈起式發(fā)動(dòng)機(jī)罩系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].華南理工大學(xué).2013.

[3]張學(xué)軍.張?jiān)冷h.基于毫米波雷達(dá)的汽車防撞模糊控制研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào).2008.1.

[4]顧軍杰.轎車安全氣囊靜態(tài)展開性能測(cè)試系統(tǒng)的研究[D].吉林大學(xué).2013.

U461.91文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

張義悅（1987—），女，助教，碩士研究生，研究方向?yàn)槠囘\(yùn)用與技術(shù)研究。

張曉娟（1980—），女，副教授，研究生，研究方向?yàn)槠囘\(yùn)用與技術(shù)研究。