張義悅 張曉娟

（大連科技學院 116052)

基于行人腿部碰撞保護的汽車前端設(shè)計

張義悅 張曉娟

（大連科技學院 116052)

人車碰撞事故中，腿部與保險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)合汽車自動制動系統(tǒng)和紅外探測系統(tǒng)共同對行人的腿部進行保護。該方案是通過減弱碰撞中行人腿部受到的撞擊力來對其進行保護的，是一種主動安全技術(shù)。

汽車碰撞；行人保護；保險杠；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，對行人的保護則很少考慮。在人車碰撞中，行人屬于弱勢群體，往往會導致行人的傷亡嚴重。直到上世紀九十年代行人保護才在歐洲被真正重視起來，我國則是在2010年7月1日才實施汽車對行人的碰撞保護標準[1]。

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

2 設(shè)計方案

該設(shè)計由現(xiàn)有的主動安全技術(shù)和新型安全氣囊組成。運用自動制動系統(tǒng)中的毫米波雷達測出車輛與前方障礙物的距離[3]，用紅外熱成像儀識別出前方障礙物是否是人，即綜合運用毫米波雷達技術(shù)和紅外熱成像技術(shù)測出車輛與行人的距離。當此距離小于“報警距離”時就對駕駛員進行報警提示，小于“安全距離”時，如果駕駛員沒有踩制動踏板，系統(tǒng)會控制汽車自動制動。如果判斷出與前方行人仍會發(fā)生碰撞，系統(tǒng)將此信號傳輸?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，當汽車碰撞的瞬時加速度達到-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)計使用的氣囊裝入保險杠內(nèi)，是由單獨的控制單元控制，根據(jù)自動制動系統(tǒng)的計算，在人車碰撞前1～2 s時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆摽刂茊卧刂票ｋU杠內(nèi)的安全氣囊彈出。氣囊在汽車前端保險杠上形成彈性氣墊，及時吸收沖擊能量，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，使用有限元軟件進行分析。共建立3個基本模型，即保險杠、安全氣囊和行人腿部。在建立模型時對模型做了適當?shù)暮喕?，并在尺寸上縮小了10倍。用長方體結(jié)構(gòu)代替保險杠，尺寸取長110 mm，寬20 mm，厚1 mm。用圓柱結(jié)構(gòu)代替腿部，長1 000 mm，直徑40 mm。用長方體結(jié)構(gòu)代替安全氣囊，長1 200 mm，寬300 mm，厚5 mm。

3.2 材料的選擇

本文在對模型添加材料時，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氣，其壓強為標準狀況下氮氣壓強的2倍，因此安全氣囊設(shè)定材料為氮氣，密度2.5 kg/m3，彈性模量0.001 Pa，泊松比0。

3.3 劃分網(wǎng)格

保險杠長度和寬度方向網(wǎng)格尺寸為2 mm，厚度方向為0.1 mm。安全氣囊長寬方向為2 mm，厚度方向為0.1 mm，行人腿部網(wǎng)格尺寸為2 mm。

3.4 施加載荷和約束

為了簡化運動模型，根據(jù)力的作用是相互的，運動情況設(shè)計為：固定保險杠，行人腿部以一定速度撞擊保險杠。因此，對保險杠施加固定約束，安全氣囊與保險杠之間設(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間非常短，通過多次模擬將運動時間設(shè)為0.01 s。

3.5 求解

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

3.6 結(jié)果分析

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

4 結(jié)束語

在現(xiàn)有的安全技術(shù)基礎(chǔ)上，本文結(jié)合汽車自動制動系統(tǒng)、熱紅外探測系統(tǒng)，對現(xiàn)有安全氣囊系統(tǒng)的彈出原理進行改進，提出一種新保護行人腿部的設(shè)計方案，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.基于行人保護的乘用車前部造型設(shè)計優(yōu)化[J]. 汽車安全與節(jié)能學報.2011.2(3).

[2]魏政君.基于行人保護的彈起式發(fā)動機罩系統(tǒng)的應用研究[D].華南理工大學.2013.

[3]張學軍.張岳鋒.基于毫米波雷達的汽車防撞模糊控制研究[J].蘭州交通大學學報.2008.1.

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

U461.91文獻標示碼：A

張義悅（1987—），女，助教，碩士研究生，研究方向為汽車運用與技術(shù)研究。

張曉娟（1980—），女，副教授，研究生，研究方向為汽車運用與技術(shù)研究。