崔淑娟，劉 明，趙清江，范體強(qiáng)

（1.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401122；2.中國(guó)汽車工程研究院，重慶 401122）

1 研究背景

1.1 國(guó)內(nèi)外行人保護(hù)評(píng)價(jià)體系現(xiàn)狀

中國(guó)是典型的以混合交通為主的國(guó)家，行人傷亡數(shù)量大，占交通事故死亡人數(shù)中的26%。圖1顯示了國(guó)內(nèi)（以長(zhǎng)沙市交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例）和國(guó)外（以德國(guó)為例）的行人事故中人體損傷部位分布情況[1-3]。由圖可知，在行人事故中人體頭部、下肢、骨盆的受傷所占比例較高。

目前，國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)及測(cè)評(píng)規(guī)程中含有針對(duì)行人保護(hù)的骨盆和大腿傷害測(cè)試的有：Euro NCAP包含了上腿型沖擊WAD775試驗(yàn)，EC 78/2009包含了上腿型沖擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣試驗(yàn)（監(jiān)測(cè)項(xiàng)）。2017年7月20日發(fā)布的中國(guó)保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)（China Insurance Automotive Safety Index，C-IASI）將上腿型沖擊WAD775試驗(yàn)作為監(jiān)測(cè)項(xiàng)，其余法規(guī)均未對(duì)此做出規(guī)定，表1對(duì)各行人保護(hù)法規(guī)的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了匯總比對(duì)。

圖1 國(guó)內(nèi)外行人事故中人體損傷部位分布

表1 行人保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程內(nèi)容比對(duì)

1.2 Euro NCAP試驗(yàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

Euro NCAP于1997年引入大腿對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣的試驗(yàn)，用于評(píng)估在涉及成人的車輛碰撞事故中骨盆和大腿部受傷的潛在風(fēng)險(xiǎn)。利用成人大腿部碰撞器在沖擊速度為40 km/h的工況下開展一系列碰撞試驗(yàn)，并于2015年更新，引入了大腿對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩WAD775的試驗(yàn)。

根據(jù)2009～2012年間Euro NCAP發(fā)布的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，僅有約1/3的Euro NCAP五星車型獲得大于2分的大腿保護(hù)成績(jī)。其測(cè)評(píng)方法、閾值設(shè)定等受到越來越多質(zhì)疑。在多家主機(jī)廠和汽車行業(yè)組織的探討研究下，Euro NCAP于2015年將試驗(yàn)工況由上腿型沖擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣更新為上腿型沖擊WAD775，并對(duì)沖擊點(diǎn)位置、沖擊能量及免試能量等做出了適當(dāng)調(diào)整。

2014 ～2018年Euro NCAP行人保護(hù)測(cè)試結(jié)果中，骨盆試驗(yàn)內(nèi)容的得分情況匯總?cè)鐖D2所示。2015年該試驗(yàn)項(xiàng)目做了更新后，試驗(yàn)難度下降，得分逐年趨好。

圖2 Euro NCAP結(jié)果分布

2 上腿型沖擊WAD775試驗(yàn)測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)

上腿型沖擊WAD775試驗(yàn)是以上腿型沖擊器代替行人大腿，以沖擊器受到的最大彎矩M和合力F作為傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]，見表2。

表2 上腿型沖擊WAD775評(píng)價(jià)指標(biāo)

碰撞點(diǎn)位置對(duì)準(zhǔn)WAD775線，每個(gè)碰撞點(diǎn)的撞擊角度α如圖2所示。碰撞過程中，名義碰撞能量根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中：mn= 7 .4 k g ；vc=v0× c os( 1 . 2α)；v0=11.1 1 m/s 。

碰撞速度vt根據(jù)名義碰撞能量進(jìn)行調(diào)整計(jì)算[5-6]：

圖3 上腿型沖擊WAD775試驗(yàn)工況

3 造型結(jié)構(gòu)開發(fā)策略

3.1 外造型

Euro NCAP規(guī)定，碰撞能量小于160 J可豁免這項(xiàng)試驗(yàn)，默認(rèn)滿分。碰撞能量的大小僅取決于每個(gè)碰撞點(diǎn)的碰撞角度α。即：

計(jì)算得出，當(dāng)α＞44.7°時(shí)滿足條件，即WAD930和IBRL的連線越接近水平，碰撞角度α越大。車輛前部造型越扁平，越能降低WAD930的高度。碰撞角度α與車輛前部造型、防撞橫梁高度有關(guān)。上腿型沖擊WAD775試驗(yàn)的碰撞能量高低對(duì)傷害指標(biāo)具有顯著影響，而碰撞能量由車輛前部幾何參數(shù)決定。因此，在外造型設(shè)計(jì)初期，以降低碰撞能量輸入為目標(biāo)對(duì)車型外輪廓進(jìn)行設(shè)計(jì)，將會(huì)有效提高其上腿型碰撞防護(hù)性能，如圖3所示。

圖4 上腿型沖擊WAD775滿分車身造型

3.2 總布置

碰撞能量一定的情況下，根據(jù)碰撞能量公式E=F×S，內(nèi)部碰撞吸能空間S越大，碰撞力F越小。在車輛開發(fā)總布置階段，在滿足其它性能的基礎(chǔ)上，發(fā)動(dòng)機(jī)罩下端預(yù)留更多的變形區(qū)間，并考慮將零部件硬點(diǎn)、特征點(diǎn)等危險(xiǎn)點(diǎn)盡可能布置在測(cè)試區(qū)域之外，以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)[7]。

3.3 零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通常上腿型沖擊WAD775失分點(diǎn)主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)罩罩蓋鎖、大燈、水箱上橫梁、保險(xiǎn)杠上支撐件等加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)處，這些結(jié)構(gòu)通常局部剛度較大，需要對(duì)其進(jìn)行局部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，弱化上腿型碰撞方向上的支撐強(qiáng)度，在碰撞過程中充分變形[8]。如：部分現(xiàn)有車型中在車大燈、翼子板的安裝機(jī)構(gòu)上采用了整體潰縮吸能裝置，以改善局部碰撞緩沖效果，或采用新型材料，使其易于破碎、變形。將保險(xiǎn)杠蒙皮安裝在可潰縮支架上，支架剛度弱。當(dāng)上腿型沖擊WAD775時(shí)，充分利用變形空間，降低行人骨盆受到的沖擊力，如圖5所示。

圖5 零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4 某車型上腿型沖擊WAD775性能分析及優(yōu)化

4.1 上腿型沖擊WAD775試驗(yàn)得分

按照規(guī)程要求劃包絡(luò)線WAD775，轉(zhuǎn)角基準(zhǔn)點(diǎn)，確定上腿型沖擊WAD775試驗(yàn)區(qū)域，并間隔100 mm標(biāo)記一個(gè)grid點(diǎn)，該車型共13個(gè)grid點(diǎn)。為驗(yàn)證后續(xù)有限元模型的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)選擇U5、U3、U0、U-2、U-4、U-6共6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3?；A(chǔ)車上腿型沖擊WAD775試驗(yàn)得分為：2.963分。

表3 試驗(yàn)點(diǎn)結(jié)果記錄

4.2 有限元模型搭建

采用HyperMesh軟件建立仿真模型，如圖6所示，按照實(shí)車參數(shù)設(shè)置零件的材料和厚度，并通過焊接、螺栓、鉸鏈等方式建立各部件之間的連接關(guān)系。分析只截取車輛A柱及之前部分[9]，約束車輛截面的6個(gè)自由度。前保險(xiǎn)杠及其附件的材質(zhì)為塑料件，強(qiáng)度低且韌性差，在碰撞過程中容易發(fā)生斷裂失效等問題。為接近真實(shí)情況，對(duì)關(guān)鍵變形零部件設(shè)置斷裂失效模型，以提高計(jì)算精度。

圖6 有限元模型

4.3 有限元模型與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)標(biāo)

如圖7所示，有限元模型撞擊位置，以U3、U-6兩個(gè)點(diǎn)的上腿型沖擊WAD775碰撞仿真分析為例，對(duì)比性能指標(biāo)的仿真和試驗(yàn)曲線及結(jié)果，如圖8和表4所示。試驗(yàn)和仿真結(jié)果峰值接近，誤差最大不超過12%，曲線走勢(shì)一致，在工程精度要求范圍內(nèi)，認(rèn)為模型精確可用。

圖7 撞擊位置

圖8 U0、U-6點(diǎn)試驗(yàn)與仿真曲線對(duì)比

表4 碰撞點(diǎn)仿真試驗(yàn)值對(duì)比

4.4 上腿型沖擊WAD775性能優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

分析車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，前保險(xiǎn)杠內(nèi)部空間小，零部件布局緊湊，沒有可以利用的變形空間。仿真碰撞過程中，前保險(xiǎn)杠蒙皮及其附屬零部件整體結(jié)構(gòu)偏硬，變形不充分。其中，前保險(xiǎn)杠中支撐架結(jié)構(gòu)強(qiáng)，變形小，是上腿型受擠壓變形過程中的最大結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)。摸底試驗(yàn)中，該零件也出現(xiàn)了不同程度的撕裂和斷裂。通過多輪仿真計(jì)算，最終確定的優(yōu)化方案見表5。

（1）前保險(xiǎn)杠本體左右對(duì)稱位置開孔。

（2）刪除前保險(xiǎn)杠中部裝飾罩背面的加強(qiáng)筋，并開孔。

（3）前保險(xiǎn)杠中支撐架兩端開槽、局部開孔、刪除內(nèi)部加強(qiáng)筋，并增加鈑金件。

仿真計(jì)算U5、U3、U0、U-2、U-4、U-6碰撞點(diǎn)，優(yōu)化前后的仿真結(jié)果對(duì)比見表6。碰撞合力、脛骨彎矩值均有一定幅度的降低。將優(yōu)化方案工程化，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。從U1開始選點(diǎn)，沿車輛向右間隔一個(gè)grid點(diǎn)選一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。優(yōu)化后各點(diǎn)的試驗(yàn)得分均為1.000分，上腿型總得分為6.000分。

表5 優(yōu)化方案

表6 優(yōu)化前后仿真結(jié)果對(duì)比

表7 優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）本文總結(jié)出行人大腿碰撞保護(hù)與車輛前端的外造型設(shè)計(jì)、總布置及相關(guān)零部件局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)。性能優(yōu)化遵循優(yōu)化能量吸收、增加變形空間的設(shè)計(jì)原則。

（2）對(duì)某車型的保險(xiǎn)杠蒙皮及相關(guān)附件結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部弱化，通過仿真和試驗(yàn)證明，對(duì)保險(xiǎn)杠蒙皮及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)改進(jìn)可以降低碰撞事故中對(duì)行人大腿的傷害。