曲杰, 徐梁, 馬強(qiáng)

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640)

0 引言

汽車正面與行人發(fā)生碰撞時(shí)，行人腿部一般首先受到傷害，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)人車碰撞后行人下肢損傷或致殘的概率高達(dá)30%[1]。腿部損傷主要有：腿骨骨折、韌帶撕裂、膝關(guān)節(jié)脫位、踝關(guān)節(jié)損傷與足錯(cuò)位等。腿部受到的橫向剪切能使韌帶損傷斷裂和關(guān)節(jié)脫位，腿部彎曲程度過大易造成腿骨骨折，碰撞時(shí)腿部受力大小也是造成傷害的關(guān)鍵因素。這些傷害形式應(yīng)該在車輛測試的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)，用評價(jià)指標(biāo)去反映腿部真實(shí)受傷情況，從而對保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2003年，歐盟頒布了行人保護(hù)相關(guān)的指令2003/102/EC，轉(zhuǎn)化為分兩個(gè)階段實(shí)施的歐盟法規(guī)EC No631/2009，規(guī)定了對機(jī)動(dòng)車的行人腿部保護(hù)要求，即下腿型對保險(xiǎn)杠試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)指標(biāo)。隨后歐洲新車安全評定協(xié)會(huì)E-NCAP也將行人保護(hù)作為星級評定的項(xiàng)目之一。2008年，多國參與制定的行人保護(hù)全球技術(shù)法規(guī)GTR9《關(guān)于機(jī)動(dòng)車碰撞時(shí)對行人及弱勢道路使用者加強(qiáng)保護(hù)和減輕嚴(yán)重傷害的認(rèn)證統(tǒng)一規(guī)定》發(fā)布，我國的行人安全保護(hù)推薦標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 24550-2009《汽車對行人的碰撞保護(hù)》[2], 其技術(shù)內(nèi)容與GTR9相同。

下腿型沖擊器是行人保護(hù)法規(guī)(或標(biāo)準(zhǔn))試驗(yàn)中模擬人腿的實(shí)驗(yàn)沖擊器，多采用剛性下腿型沖擊器，可以從試驗(yàn)后的脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)彎曲角度和膝關(guān)節(jié)剪切位移3個(gè)指標(biāo)衡量行人腿部受到的傷害，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定如表1所示。

表1 各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的下腿型對保險(xiǎn)杠試驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)

剛性下腿型沖擊器對保險(xiǎn)杠試驗(yàn)的特點(diǎn)有：試驗(yàn)成本昂貴；試驗(yàn)要求嚴(yán)格，要求一定濕度和溫度，試驗(yàn)前需要標(biāo)定，每次試驗(yàn)2 h內(nèi)完成；試驗(yàn)準(zhǔn)確度要求高，為保證下腿型沖擊器在沖擊瞬間為自由飛行狀態(tài)，考慮到重力因素，對推進(jìn)系統(tǒng)和下腿型沖擊器的定位要求很高，在接觸時(shí)刻前測量儀測得的沖擊速度應(yīng)為(11.1±0.2)m/s。因此試驗(yàn)難度大，有限元仿真成為解決實(shí)際問題的主要手段。而以往研究忽略了對下腿型撞擊器的標(biāo)定、碰撞定位等試驗(yàn)細(xì)節(jié)，對材料應(yīng)變率影響等仿真細(xì)節(jié)考慮不足。作者依照我國推薦標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24550-2009中的試驗(yàn)要求，建立完整標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)仿真流程，并應(yīng)用于保險(xiǎn)杠的安全性能提高，改進(jìn)設(shè)計(jì)了吸能泡沫部件，可以作為解決汽車的行人保護(hù)問題的重要參考。

剛性下腿型沖擊器用剛性圓管模擬人腿腿骨,中間連接可變形的韌帶，外部覆蓋模擬肌肉和皮膚的材料。柔性沖擊器的腿骨可變形，具有更高的生物仿真性和更真實(shí)的傷害模擬評估，能夠反映脛骨彎曲所造成的傷害。柔性下腿型沖擊器Flex-PLI和相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在逐步完善并取代剛性下腿型沖擊器。

1 剛性下腿型沖擊器的標(biāo)定

LSTC公司根據(jù)歐洲委員會(huì)EC No631/2009號法規(guī)，開發(fā)出剛性下腿型沖擊器有限元模型[3]，其標(biāo)定試驗(yàn)和應(yīng)用仿真分析在LS-DYNA中進(jìn)行。剛性小腿總質(zhì)量13.402 kg，全長927 mm，外部有單層泡沫包裹模擬肌肉，最外層是氯丁橡膠層模擬皮膚。國標(biāo)GB/T 24550-2009中對剛性下腿型沖擊器有一定性能要求。為驗(yàn)證剛性小腿在仿真環(huán)境中是否符合要求，在LS-DYNA中進(jìn)行靜態(tài)剪切試驗(yàn)、靜態(tài)彎曲試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的標(biāo)定。

標(biāo)定結(jié)果如圖1所示:圖(a)和圖(b)表明靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)的曲線都在規(guī)定范圍內(nèi)；圖(c)為動(dòng)態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)曲線，國標(biāo)對動(dòng)態(tài)標(biāo)定曲線的最大值有要求。

圖1 標(biāo)定結(jié)果

表2為動(dòng)態(tài)標(biāo)定的最大值和國標(biāo)要求，可見動(dòng)態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)各條曲線的最大值也符合要求，所以使用剛性小腿完全符合我國標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 動(dòng)態(tài)標(biāo)定結(jié)果和國標(biāo)要求

2 保險(xiǎn)杠建模和仿真

該車前部模型主要含進(jìn)氣格柵、保險(xiǎn)杠蒙皮、緩沖泡沫、前部防撞梁、大燈組件和霧燈組件等。前保險(xiǎn)杠塑料件間的連接方式主要為塑料卡扣、塑料螺紋柱以及塑料件之間的相互插入和壓緊。

保險(xiǎn)杠蒙皮和進(jìn)氣格柵材料為某改性聚丙烯塑料，用*MAT_PLASTICITY_POLYMER材料模型模擬，輸入不同應(yīng)變率下真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)[4]，以考慮應(yīng)變率的影響；泡沫材料為硬質(zhì)聚氨酯泡沫，用*MAT_FU_CHANG_FOAM材料模型模擬，并可輸入單軸拉壓試驗(yàn)曲線以考慮應(yīng)變率的影響[5]。材料參數(shù)如表3所示，所需輸入曲線如圖2所示。

表3 主要材料參數(shù)

圖2 材料曲線的輸入

材料模型的曲線通過試驗(yàn)獲得，由于碰撞速度較高，材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也應(yīng)盡量包含較高應(yīng)變率的試驗(yàn)曲線。因?yàn)榇嗽囼?yàn)難于驗(yàn)證，根據(jù)車門內(nèi)飾板試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，車門內(nèi)飾板含有類似性能材料的塑料和硬質(zhì)聚氨酯緩沖塊，連接方式也相同。分別在車門內(nèi)飾板靜壓試驗(yàn)中進(jìn)行了材料和連接的低應(yīng)變率下準(zhǔn)確性驗(yàn)證[6]，在車門內(nèi)飾板總成耐撞性試驗(yàn)中進(jìn)行了材料和連接的高應(yīng)變率下準(zhǔn)確性驗(yàn)證[7]，保證了有限元模型建立的準(zhǔn)確性。

最后根據(jù)該款車的高度調(diào)整剛性小腿Z方向的位置，保證剛性小腿距離地面25 mm，設(shè)置剛性小腿初始條件為沿X軸的初速度為11.1 m/s。

3 吸能泡沫部件的改進(jìn)

根據(jù)提交的試算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)點(diǎn)P0的脛骨加速度和膝關(guān)節(jié)彎曲角度偏大，超過國標(biāo)限值；點(diǎn)P1、P2各項(xiàng)結(jié)果嚴(yán)重偏大，導(dǎo)致計(jì)算難以收斂。吸能泡沫是吸收能量的功能性部件，相對于保險(xiǎn)杠蒙皮具有較高的設(shè)計(jì)自由度，其主要的可改動(dòng)特征尺寸如圖3所示。

圖3 原泡沫部件特征尺寸

對吸能泡沫部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)[10]，在點(diǎn)P0，在保證安裝空間的情況下減小d1和d2的尺寸，會(huì)增大碰撞時(shí)的有效體積；增加點(diǎn)P1附近的厚度，也就是將增大t的尺寸；延長泡沫尺寸以至覆蓋全碰撞區(qū)域，能夠保證點(diǎn)P2的碰撞結(jié)果合格。反復(fù)改進(jìn)設(shè)計(jì)，并用仿真計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，得到最終的吸能泡沫如圖4所示。

圖4 改進(jìn)設(shè)計(jì)的泡沫部件特征尺寸

用上面改進(jìn)設(shè)計(jì)的吸能泡沫替換原來的有限元模型，并提交計(jì)算，前保險(xiǎn)杠各部件在末時(shí)刻(t=30 ms)的內(nèi)能如表4所示。

表4末時(shí)刻(t=30 ms)各部件內(nèi)能統(tǒng)計(jì)

J

從表4可以看出： 改進(jìn)設(shè)計(jì)后的吸能泡沫末時(shí)刻的內(nèi)能明顯增加，并且點(diǎn)P1、P2的計(jì)算結(jié)果良好(具體分析見第4部分)，說明改進(jìn)設(shè)計(jì)是有效的。

另外可以通過選擇泡沫材料，提高泡沫的功能性。研究表明:泡沫對能量吸收主要依靠平臺屈服階段，較長的平臺階段能夠顯著提升吸收能量，較低的平臺應(yīng)力可以使材料較早進(jìn)入屈服階段[11]，具有較高的能量吸收效率(單位質(zhì)量材料吸收能量與對應(yīng)應(yīng)力之比)；一定范圍內(nèi)泡沫的密度越小，剛度越小，能量吸收效率越高[12]。發(fā)泡聚丙烯泡沫(EPP)相對于硬質(zhì)聚氨酯泡沫(PU)具有更好的緩沖吸能特性?？梢跃C合考慮吸能泡沫以上的特性進(jìn)行選擇，然后在賦予材料時(shí)輸入曲線并設(shè)置參數(shù)。

4 驗(yàn)證和分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)后吸能泡沫能夠讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合國標(biāo)中的各項(xiàng)要求，將各碰撞點(diǎn)的剛性小腿的指標(biāo)輸出，在LS-prepost中用SAE低通濾波器濾除噪聲，得到各個(gè)指標(biāo)的時(shí)間歷程如圖5所示。

圖5 各個(gè)指標(biāo)的時(shí)間歷程

由仿真結(jié)果曲線可以看出：剛性小腿的脛骨加速度曲線從開始碰撞起不斷增加(負(fù)值代表與速度方向相反)，到達(dá)峰值時(shí)又開始減小。由于保險(xiǎn)杠不同位置的結(jié)構(gòu)有所差異，P0的峰值最小，因?yàn)橹虚g位置保險(xiǎn)杠蒙皮上有較大尺寸的安裝凹坑，通過3次碰撞后保險(xiǎn)杠蒙皮能量對比可以得出P0處保險(xiǎn)杠蒙皮吸收的能量較多，這一定程度上減小了加速度峰值；P2處接近大燈組件，同樣的大燈組件的變形與它和進(jìn)氣格柵、保險(xiǎn)杠蒙皮間連接的失效都稍稍降低了加速度峰值；P1結(jié)構(gòu)的緩沖效果最差，加速度峰值最大。

膝關(guān)節(jié)彎曲角度曲線從t=0 ms開始隨著模型的變形程度不斷地增大，不同位置的彎曲角度曲線差別不大。膝關(guān)節(jié)剪切位移可以代表韌帶的撕裂程度，這與剛性小腿碰撞受力位置和韌帶的相對位置關(guān)系密切，不同碰撞位置的形狀差異導(dǎo)致剛性小腿受力位置不同，曲線差別也較大。P0位置各個(gè)時(shí)刻模型的變形情況如圖6所示。

圖6 P0位置碰撞過程中模型變形情況

通過仿真分析結(jié)果可以看出：改進(jìn)后保險(xiǎn)杠總成滿足GB/T 24550-2009對行人保護(hù)的各項(xiàng)指標(biāo)的要求，但是脛骨加速度峰值和膝蓋彎曲角峰值都比較接近法規(guī)上限。文中采用的模型缺少發(fā)動(dòng)機(jī)罩，并簡略了車燈內(nèi)部組件，模擬時(shí)忽略了它們對能量的吸收，所以各項(xiàng)結(jié)果是偏安全的。

5 結(jié)束語

介紹了我國行人保護(hù)法規(guī)GB/T 24550-2009中的下腿型對保險(xiǎn)杠試驗(yàn)的仿真過程，針對一款汽車前部進(jìn)行有限元模型建立、仿真試算、指導(dǎo)設(shè)計(jì)、最終達(dá)標(biāo)的完整應(yīng)用。得到以下結(jié)論：

(1)保險(xiǎn)杠部件對行人腿部保護(hù)十分關(guān)鍵，通過對保險(xiǎn)杠部件的改進(jìn)和優(yōu)化，能夠降低碰撞時(shí)行人腿部受到的傷害從而滿足標(biāo)準(zhǔn)對行人保護(hù)的要求。

(2)可以對吸能泡沫進(jìn)行形狀設(shè)計(jì)，增大碰撞區(qū)域的有效體積來增強(qiáng)吸收能量的功能性，選擇吸能更好的吸能材料也增強(qiáng)吸能部件吸收能量的能力。

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