乘用车前保险杠系统耐撞性分析与优化＊

程豹李春书杨帅

（1.中国汽车技术研究中心，天津 300300；2.河北工业大学，天津 300131）

乘用车前保险杠系统耐撞性分析与优化＊

程豹1,2李春书2杨帅1

（1.中国汽车技术研究中心，天津 300300；2.河北工业大学，天津 300131）

针对行人保护柔性腿型（Flex-PLI）、RCAR低速碰撞、高速偏置碰撞3种工况，采用有限元建模方法，对某车型前保险杠系统进行耐撞性仿真分析，分析表明该车前保险杠系统不能满足碰撞安全性要求。以前保险杠系统主要结构参数为变量进行正交试验设计，利用综合分析法对前保险杠结构进行优化匹配。在结构优化的基础上，以厚度为变量利用响应面和多目标遗传算法对前保险杠系统的安全性能和质量进行了进一步优化，其整体耐撞性能得到提升。

1 前言

随着汽车安全技术的不断发展，国内外对行人保护和低速碰撞的研究不断加强。2011年欧盟新增保险杠低速碰撞的测试评估（Research Council for Automobile Repairs，RCAR），旨在对汽车进行低速碰撞损害和可修复性评价[1]。2014年欧盟新车评价规程（E-NCAP）中引入了生物逼真度更高的柔性腿型（Flex-PLI）代替TRL刚性小腿进行车型星级评定试验[2]。2018年版的中国新车评价规程（C-NCAP）中也将引入行人保护评价。柔性下肢冲击器的引入、RCAR低速碰撞法规的制定进一步推动了被动安全研究的发展。汽车前保险杠系统作为车身的第一级吸能区域，在低速碰撞和行人下肢碰撞中均起到吸能和缓冲的作用。本文在保证传统安全性能的基础上，开发出能够同时满足柔性行人下肢保护和低速碰撞性能要求的前保险杠系统。

2 车辆原始前保险杠性能分析

2.1 高速偏置碰撞性能仿真分析

依据C-NCAP的标准[3]建立高速偏置碰撞仿真模型，整车模型采用某车型的有限元模型。在Hypermesh中将壁障放在车身宽度的40%处；约束壁障x、y、z3个方向（同整车坐标系）的平动和转动自由度；整车模型施加x轴正向碰撞初速度64 km/h；整车与壁障间建立面面接触。建立起的高速偏置碰撞有限元模型如图1所示。

车辆高速碰撞过程中，前保险杠系统变形吸能效果有限，然而其对碰撞力的引导作用一定程度上影响着后端部件参与吸能。较好的前保险杠系统能够将碰撞力更多地由碰撞侧传递到非碰撞侧，充分发挥前纵梁等主要吸能部件的吸能作用，提升车身安全性能。因此，本文将偏置碰撞中传递载荷的能力作为衡量保险杠系统优劣的标志，选取左、右侧吸能盒处截面力的差值作为衡量前保险杠系统在偏置碰撞中耐撞性能的标准。

图1 高速偏置碰撞有限元模型

将上述有限元模型导入LS-DYNA软件计算完成后，读取左、右侧吸能盒处截面力曲线，如图2所示。两侧截面力曲线第1个峰值的差值为62.61 kN，表征了前保险杠系统在传统高速碰撞中对力的传导能力。对其他工况进行性能开发的过程中，应保证前保险杠系统传统安全性能不下降。

图2 左、右侧吸能盒截面力曲线

2.2 低速碰撞性能仿真分析

低速碰撞模型按照欧洲保险机构制定的RCAR规程的要求建立。建立壁障有限元模型，调整整车模型与壁障的位置；约束壁障x、y、z3个方向的平动和转动自由度；为整车模型施加x轴正向碰撞初速度15 km/h；整车与壁障间建立面面接触。搭建完成的模型如图3所示。

图3 低速碰撞有限元模型

低速碰撞过程中，汽车前保险杠系统必须具备足够的吸能能力，以保护后端的散热器等零部件不被挤压变形，降低维修成本。因此，本文选取保险杠与壁障第1个接触点的侵入量作为评价标准。若侵入量超过保险杠前端与散热器的距离，则说明保险杠系统吸能较差，对于后端部件的损害较大；若侵入量小，则说明保险杠结构吸能效果好，耐撞性强。结合该车型，考虑部件厚度与变形空间，将第1点的侵入量上限值定为250 mm。

将低速碰撞有限元模型导入LS-DYNA软件计算完成后，在HyperGraph中读取第1点的侵入量为276.1 mm，侵入量较大，不能满足低速碰撞的要求。

2.3 行人下肢保护性能仿真分析

本文依据新版E-NCAP的标准采用柔性下肢冲击器建立行人下肢碰撞工况。行人下肢的碰撞吸能主要发生在车辆前端，因此，该工况下只截取车身前半部分进行仿真。约束其x、y、z3个方向平动和转动自由度。下肢冲击器与汽车模型的碰撞区域通过对车辆前端画线确定[4]，本文选取车辆前端中心点进行碰撞分析。柔性腿在x反方向施加40 km/h的初速度；车辆与柔性腿建立面面接触。行人下肢碰撞有限元模型搭建完成后如图4所示。

图4 行人下肢碰撞有限元模型

该工况中采用的Flex PLI-GTR柔性腿模型[5]如图5所示。柔性腿由股骨、胫骨、膝盖及皮肤/肌肉4个主要部分构成。刚性腿的股骨和胫骨由钢管制成，没有测试小腿损伤的机能，无法表示骨折等现象。与之相比，柔性腿的股骨和胫骨由各骨节用钢索串联而成，可以较好地模拟小腿损伤，生物仿真度更高。膝关节分为上、下两部分，由12条钢索连接，用于模拟膝关节韧带的伤害。该腿型中含有较多的数据采集通道，其中，试验中常用的有7个通道，分别为韧带伸长量（含前十字韧带伸长量LACL、后十字韧带伸长量LPCL、内侧副韧带伸长量LMCL）、胫骨弯矩（含胫骨上部弯矩T1、胫骨中上部弯矩T2、胫骨中下部弯矩T3、胫骨下部弯矩T4），见图5。

图5 Flex PLI-GTR柔性腿及传感器分布

E-NCAP中对柔性腿型的上述7个评价指标均有限值要求。具体参数为：LACL、LPCL的最大值LAP不大于10 mm；LMCL不大于22 mm；T1、T2、T3、T4的最大值Tmax不大于280 N·m。将该模型导入LS-DYAN软件计算完成后，读取韧带伸长量和胫骨弯曲曲线，得到其最大值，如表1所示。由表1可知，LMCL超过规定值，不能满足要求。

表1 行人下肢碰撞参数

3 正交优化试验设计

3.1 因子及其水平

汽车前保险杠结构主要包括前保险杠外蒙皮、前端缓冲件、防撞梁、吸能盒、连接法兰等，如图6所示。本文选取前端吸能件材料、前端吸能空间（防撞梁与蒙皮之间的距离）、防撞梁材料、防撞梁截面形式为试验变量进行研究。各变量的水平参数是在统计大量车型的基础上得到的，其中备选材料性能参数如表2、表3所示，各个变量的水平如表4所示。

图6 前保险杠典型结构

表2 防撞梁材料参数

表3 前端吸能件材料参数

表4 试验因素和水平等级

3.2 试验结果及分析

根据上述试验因子及水平，选用正交设计表L9（34），共进行9组试验，调整模型，提交至LS-DYNA计算，得到正交试验结果如表5所示。其中，F为左、右侧吸能盒截面力差值；S为低速碰撞位移。采用直观分析法对正交试验结果进行分析，即分别求解每个因素各水平下的平均响应值kˉ，并根据该值求出因素水平对目标的效应极差，用以判断各因素的主次顺序。各变量对应的目标值的平均效应和极差（R）及优化方案如表6～表8所示。

表5 正交试验结果

表6 高速偏置碰撞试验结果极差分析 kN

R值越大，因子越重要。因此，对于高速偏置碰撞来说，因子的主次顺序为A-C-D-B，最优水平组合为A1B3C2D1。

表7 低速碰撞试验结果极差分析 mm

低速碰撞试验中，因子的主次顺序为C-A-D-B,最优水平组合为A1B2C2D1。

表8 行人下肢碰撞试验结果极差分析

行人下肢碰撞试验中，4个因子对于LAP、LMCL、Tmax影响的主次顺序分别为A-B-C-D、A-C-B-D、B-D-A-C，最优水平组合分别为 A1B1C3D1、A1B1C3D3、A2B2C1D1。

根据正交试验和极差分析结果，采用综合分析的方法对前保险杠系统结构进行优化：

a.防撞梁材料对各指标影响的综合分析。对于F、S、LAP、LMCL而言最优方案为A1；对于Tmax而言最优方案为A2。但在影响Tmax的4个因子中，防撞梁材料的屈服强度位于第3，并且选用方案A1时，Tmax在可接受范围内。综合考虑，该水平值取A1。

b.前端吸能件材料的屈服强度对各指标影响的综合分析。对于F而言，最优方案为B3；对于LAP、LMCL而言，较优方案为B1；对于S、Tmax而言，较优方案为B2。因子B对F的影响位于第4；B1、B2对S、Tmax的影响值基本相同。因此，该水平值取B1。

c.防撞梁截面对各指标影响的综合分析。对于LAP、LMCL而言，较优方案为C3；对于F、S而言，较优方案为C2；对于Tmax而言，较优方案为C1。在4个因素中，C对于S的影响占据首位，对于F、LMCL的影响位于第2，属于影响较大的因素，对于LAP的影响位于第3，对于Tmax的影响位于第4，属于次要因素。当因子取C2时，LAP的值在规定范围内。综合考虑，该水平值取C2。

d.吸能空间对各指标影响的综合分析。对于F、S、LAP、Tmax而言，较优方案为D1；对于LMCL而言，较优方案为D3。但影响因子D对于LMCL的影响处于第4位，为次要因素。综合考虑，该水平值取D1。

由以上分析得到保险杠系统结构参数的最佳组合为A1B1C2D1。按照该参数组合对车辆模型进行调整，提交至LS-DYNA计算后，将优化后的结果与原模型进行比对，如表9所示。

表9 优化前、后试验结果对比

由表9可知，优化后保险杠耐撞性得到了大幅提高，但LMCL依然大于法规规定值。因此，在结构优化的基础上，对前保险杠系统零部件厚度进行进一步优化。

4 响应面模型的建立与优化分析

4.1 响应面的构造

响应面法是将试验设计与数理统计相结合建立近似模型的优化方法[6]，本文用该方法构造了近似模型。首先应通过合理的试验设计，采集足够多样本性能参数，其次确定响应面形式，运用最小二乘法确定各个响应量的近似模型。

为了减少试验次数，同时得到精度较高的响应面模型，采用拉丁超立方进行试验设计[7]。本文选取的试验变量分别为：前端吸能件厚度x1，取值范围为0.4～1.0 mm；防撞梁厚度x2，取值范围为1.2～2.0 mm；蒙皮厚度x3，取值范围为2.5～4.5 mm。在设计范围内，采用拉丁超立方试验设计得到15个样本点。利用LS-DYNA对样本点进行求解，每个样本点需要得到5个响应值，分别为低速碰撞侵入位移y1、LACL和LPCL的最大值y2、MCL伸长量y3、胫骨最大弯矩y4、吸能盒截面力差值y5、前保险杠系统质量y6，具体样本数据如表10所示。

多项式响应面模型具有数学表达形式简单、计算简便等优点，在工程中得到了广泛应用。本文利用样本点数据构造多项式响应面模型[8]：

表10 拉丁超立方试验样本数据

近似模型的拟合精度系数如表11所示。其中，R2为决定系数，R2adj为校正决定系数，这2个值越大，模型近似度越高，本文所建立的6个近似模型中，R2、R2adj均大于0.9，具有较高的精度。

表11 响应面模型精度评价

4.2 基于NSGA-Ⅱ的多目标优化

本节优化的目的是在前保险杠结构优化的基础上，对其厚度进行优化，降低保险杠系统的质量。

根据建立的响应面模型，采用NSGA-Ⅱ多目标优化算法在Isight中对该数学模型进行了运算。计算共迭代241步，产生110个Pareto解。本文选取了一组可行解参数如表12所示。更改模型，提交计算后，对结果进行统计，并与原始结果进行比对，结果如表13所示。由表13可知，前保险杠系统优化后，低速碰撞性能稍有下降，位移量增大，但可以满足法规要求，LMCL满足法规要求。高速偏置性能没有降低，前保险杠系统质量下降了30.5%，实现了轻量化设计。

表12 选取的Pareto最优解

5 结束语

本文综合考虑了低速碰撞、柔性腿型行人下肢碰撞、高速偏置碰撞3种工况对汽车安全性能的要求，采用正交试验设计、响应面和多目标遗传算法对汽车前保险杠结构和零件厚度进行优化，在保证偏置碰撞工况安全性能的前提下，提升其低速碰撞和柔性行人下肢碰撞的耐撞性，设计开发出了具备综合性能的汽车前保险杠系统。

1 陈现岭，岳鹏，张凯.基于RCAR的汽车低速碰撞性能设计.汽车工程，2009，31（12）：1165～1168.

2 刘卫国，吕晓江.基于Euro-NCAP评价规程行人柔性腿型碰撞实验.汽车安全与节能学报，2015，6（2）：128～133.

3 中国汽车技术研究中心.C-NCAP管理规则.2012.

4 谷阳阳.基于行人腿部保护汽车前保险杠结构优化仿真研究.武汉：武汉理工大学，2013.

5 Konosu A,Tanahashi M.Development of a Biofidelic Flexi⁃ble Pedestrian Legform Impactor.Stapp Car Crash Journal, 2003（47）：459～472.

6 万鑫铭，徐小飞，徐中明，等.汽车用铝合金吸能盒结构优化设计.汽车工程学报，2013，3（1）：15～21.

7 刘文卿.试验设计.北京：清华大学出版社，2005.

8 张勇.基于近似模型的汽车轻量化优化设计方法.长沙：湖南大学，2008.

（责任编辑 斛 畔）

修改稿收到日期为2016年8月30日。

Crashworthiness Analysis and Optimization of Car Front Bumper System

Cheng Bao1,2,Li Chunshu1,Yang Shuai2
（1.China Automotive Technology&Research Center,Tianjin 300300;2.Hebei University of Technology,Tianjin 300131）

Crashworthiness of a car front bumper system was simulated and analyzed with FEM for three conditions, i.e.pedestrian protection Flex-PLI,RCAR low-speed crash,high-speed offset crash.The results showed that the car’s front bumper system could meet the safety requirements.With the main structural parameters of front bumper system as variables for orthogonal experiment design,we used comprehensive analysis to optimize and match the structure of the front bumper system.Based on the structure optimization,we used response surface and multi-objective genetic algorithm method to further optimize the safety performance and quality of the front bumper system with the thickness of front bumper system components as variables,its overall crashworthiness was improved.

Front bumper system,ODB,RCAR,Flex-PLI,Crashworthiness

前保险杠系统 ODB RCAR 柔性腿 耐撞性

U463.82

A

1000-3703（2017）01-0058-05

河北省自然科学基金项目（2014202114）。

李春书（1962—），女，教授，博士生导师，研究方向为机械系统动力学，chunshuli@126.com。