孫風蔚，劉文晶，闖超，許方敏

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基于行人保護要求的前圍上部結(jié)構(gòu)分析

孫風蔚，劉文晶，闖超，許方敏

（浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江 寧波 311336）

通過對行人保護法規(guī)的學習，進行成人頭部碰撞區(qū)域的車身結(jié)構(gòu)分析，得到了以下結(jié)論：車身前圍上部鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計對成人的頭部傷害具有重要的影響。從理論上分析車身前圍上部鈑金結(jié)構(gòu)的可行性，并結(jié)合CAE虛擬分析結(jié)果，最終得到前圍上部鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點。在前圍上部鈑金的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要在成人頭部碰撞力的傳遞路徑上增加傳力引導面，同時減少鈑金設(shè)計的局部劇烈變形結(jié)構(gòu)，以便保證前圍上部鈑金的變形潰縮模式，增加碰撞能量的吸收，減少碰撞的反作用力，從而降低成人頭部的傷害程度，保證行人頭部安全，為后續(xù)行人保護過程中的前圍上部結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導。

行人保護；前圍上部；結(jié)構(gòu)分析；碰撞安全

引言

行人保護是汽車安全發(fā)展的一個重要研究課題。行人身體各部位的傷害，包括頭部、面部、頸部及臀部、腿部等，尤其是頭部的傷害可能直接導致行人死亡。所以在汽車設(shè)計過程中，必須針對這些部位的車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，減少或者避免行人傷害。目前關(guān)于行人保護的研究課題基本都局限于車身與行人直接接觸的外部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部空間布局的優(yōu)化，如針對行人頭部的保護，目前傾向于設(shè)計隱藏式的通風蓋板及從前期造型上設(shè)計讓發(fā)動機罩后面的行人基準線劃分在發(fā)動機罩的后邊緣上而不是直接落在通風蓋板上，避免通風蓋板上雨刮電機及雨刮軸等硬點對行人頭部的傷害[1-2]；同時對發(fā)動機罩的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，增加緩沖吸能特性保護行人頭部，如設(shè)計蜂窩狀的發(fā)動機罩內(nèi)板或者采用鋁質(zhì)發(fā)動機罩[3]；此外，在造型設(shè)計初期，針對發(fā)動機艙內(nèi)影響行人保護的硬點，如蓄電池、保險絲盒、空氣濾清器、發(fā)動機罩蓋鎖扣、發(fā)蓋鉸鏈等，就需要考慮空間需求，增加頭部碰撞的緩沖空間或者將一些硬點布置在碰撞測試區(qū)域外[4]。本文以車身結(jié)構(gòu)設(shè)計為基礎(chǔ)，從內(nèi)部車身結(jié)構(gòu)上分析頭部碰撞受力的路徑，進行力的引導和分散，從而保護成人頭部，減少傷害。

2 前圍上部與行人保護關(guān)系

圖1是行人保護測試區(qū)域示意圖，圖中紅色線圈標記區(qū)是成人頭部碰撞區(qū)域涉及到的車身局部結(jié)構(gòu)，可以看出成人頭部碰撞區(qū)域的車身結(jié)構(gòu)主要由五部分構(gòu)成，除了外觀可見的①發(fā)動機罩、②通風蓋板和⑤前風擋玻璃之外，還有車身內(nèi)部鈑金結(jié)構(gòu)③前圍導水主板和④前圍上部。從圖示標記區(qū)結(jié)構(gòu)中可以看出，當直徑為165mm的球與前風擋玻璃接觸時，其車身受力主要來自于前圍上部，所以前圍上部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對行人頭部碰撞受力的傷害程度起著重要作用，如何使前圍上部在受力時可以將受力快速的傳遞擴散或者吸收是設(shè)計的關(guān)鍵，也是保護頭部碰撞安全的關(guān)鍵。

圖1 行人保護測試區(qū)域示意圖[3]

3 前圍上部結(jié)構(gòu)分析

圖2 行人頭部結(jié)構(gòu)斷面示意圖

圖2是針對行人頭部碰撞區(qū)域的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出，當直徑為165mm的球碰到到前風擋玻璃上時，碰撞力傳遞到前圍上部鈑金上，前圍上部鈑金受壓變形，對碰撞處產(chǎn)生反作用力。從圖示中可以看出，前圍上部支撐部位產(chǎn)生的反作用力與前圍上部鈑金的結(jié)構(gòu)有關(guān)，反作用力沿著圖示箭頭方向旋轉(zhuǎn)（β角增加），碰撞力傳遞路徑減短，碰撞反作用力越大，行人頭部傷害值越大。針對前圍上部鈑金的這種受力情況，設(shè)計了兩種前圍上部鈑金結(jié)構(gòu)，通過模擬分析行人頭部受力情況，進行更進一步的結(jié)果對比，為后續(xù)前圍上部鈑金的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導，如圖所示。

在理論上，對于圖3中的設(shè)計方案1，前圍上部結(jié)構(gòu)在力的傳遞路徑上增加了一個斜面，作為力的傳遞引導面，使α角增大減緩，便于前圍上部結(jié)構(gòu)受力潰縮變形吸收能量，從而減少力的傳遞，導致作用在前圍上部鈑金支撐點處的力減少，反作用力減少，進而減少行人頭部的傷害值；圖3中的設(shè)計方案2，前圍上部結(jié)構(gòu)無力的引導面，而是形成了一個近似直角的拐彎，α角直接增大，這種結(jié)構(gòu)在受力過程中，拐角處容易引起受力集中，從而導致力的傳遞受阻，前圍上部鈑金不容易變形，而容易在拐角處形成反作用力的支撐點，導致碰撞反作用力大，增加行人頭部的傷害值。

圖3 前圍上部鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計斷面圖

4 設(shè)計驗證

圖4是對圖3中設(shè)計方案1的驗證結(jié)果，圖5是對圖3中設(shè)計方案2的驗證結(jié)果，從驗證結(jié)果可以看出設(shè)計方案1相對設(shè)計方案2，在行人頭部碰撞區(qū)域8個點的分值比較高（見圖4中的三角標記區(qū)域），與前圍上部鈑金的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論分析結(jié)果相符。

圖4 設(shè)計方案1行人頭部碰撞分析結(jié)果

圖6分別是圖3中的設(shè)計方案1和方案2的行人頭部碰撞變形示意圖，從圖中可以更形象的看出，方案1前圍上部鈑金比方案2壓縮變形效果好，所以方案1對行人頭部傷害值相對較小。

圖6 行人頭部碰撞變形示意圖

5 結(jié)論

綜述所述，在前圍上部結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，必須考慮鈑金變形潰縮形式，力的傳遞模式，減少反作用力，保護行人頭部安全。

1）前圍上部結(jié)構(gòu)上需要增加力的導引面，便于力的傳遞和變形吸能；

2）在力的傳遞路徑上不能存在變形劇烈的結(jié)構(gòu)，如直角拐彎；

3）前圍上部鈑金與前風擋玻璃的接觸面，過多要平緩，圖示中α要逐漸增加，而β要小。

[1] 呂曉江,王純,劉衛(wèi)國,馬芳武,吳成明,趙福全.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): 206- 211.

[2] 簡述汽車行人保護的現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].汽車實用技術(shù),2014, (9): 01-03.

[3] 劉庭志,陳吉清.汽車行人保護開發(fā)與研究進展[J].汽車實用技術(shù), 2012, (1): 17-22.

[4] 林忠海,謝金金,秦璐,陳曉磊,苗強.造型設(shè)計階段行人保護的設(shè)計[J].上海汽車, 2014, (1): 49-52.

Structure analysis of the cowl upper panel based on pedestrian protection

Sun Fengwei, Liu Wenjing, Chuang Chao, Xu Fangmin

( Geely Automobile Institute., Zhejiang Ningbo 311336 )

Through the study of pedestrian protection laws, adult head collision area of the body structure analysis, obtained the following conclusions: the upper parts of cowl panel structure design has important effects on adult head injury value. Theoretically, the feasibility of the cowl upper panel structure is analyzed, and the cowl upper panel structure design key points are finally obtained by combining the results of CAE virtual analysis. In the cowl upper panel structure design process, need to increase a guiding plane on the adult head collision force transfer path, at the same time reduce the local severe deformation structure of panel design, in order to ensure the cowl upper panel deformation collapse mode. And increase the collision energy absorption, reduce collision reaction, thus reduce the damage degree of adult head, to ensure the safety of pedestrian head. To provide guidance for the design of cowl upper panel in the future of pedestrian protection.

pedestrian protection; cowl upper panel; structure analysis; crash safety

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1671-7988(2018)18-118-03

U462

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1671-7988(2018)18-118-03

CLC NO.: U462

孫風蔚，就職于浙江吉利汽車研究院有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.040