基于行人腿部碰撞保护的汽车前端设计

张义悦 张晓娟

（大连科技学院 116052)

基于行人腿部碰撞保护的汽车前端设计

张义悦 张晓娟

（大连科技学院 116052)

人车碰撞事故中，腿部与保险杠的碰撞伤害最为常见，本文提出了一种新型安全气囊弹出系统，并结合汽车自动制动系统和红外探测系统共同对行人的腿部进行保护。该方案是通过减弱碰撞中行人腿部受到的撞击力来对其进行保护的，是一种主动安全技术。

汽车碰撞；行人保护；保险杠；安全气囊；有限元分析

1 研究背景

汽车从诞生至今，其安全性基本都是围绕车内人员展开的，对行人的保护则很少考虑。在人车碰撞中，行人属于弱势群体，往往会导致行人的伤亡严重。直到上世纪九十年代行人保护才在欧洲被真正重视起来，我国则是在2010年7月1日才实施汽车对行人的碰撞保护标准[1]。

行人与汽车发生正面碰撞时，伤害主要发生在腿部和头部，腿部伤害主要是与保险杠碰撞引起的[2]。改进保险杠的结构，优化汽车前端设计，是目前降低对行人腿部碰撞伤害的重要措施。

2 设计方案

该设计由现有的主动安全技术和新型安全气囊组成。运用自动制动系统中的毫米波雷达测出车辆与前方障碍物的距离[3]，用红外热成像仪识别出前方障碍物是否是人，即综合运用毫米波雷达技术和红外热成像技术测出车辆与行人的距离。当此距离小于“报警距离”时就对驾驶员进行报警提示，小于“安全距离”时，如果驾驶员没有踩制动踏板，系统会控制汽车自动制动。如果判断出与前方行人仍会发生碰撞，系统将此信号传输到安全气囊控制单元。

现有安全气囊的弹出是由汽车的加速度控制的，当汽车碰撞的瞬时加速度达到-40 g，安全气囊在几十毫秒充气完毕，充气后保持1～2s[4]。本文设计使用的气囊装入保险杠内，是由单独的控制单元控制，根据自动制动系统的计算，在人车碰撞前1～2 s时将数据传输到该控制单元，控制保险杠内的安全气囊弹出。气囊在汽车前端保险杠上形成弹性气垫，及时吸收冲击能量，减少行人腿部受到的撞击力。

3 有限元软件分析

3.1 模型的建立

为了模拟行人腿部与保险杠的碰撞过程以及安全气囊的减振作用，使用有限元软件进行分析。共建立3个基本模型，即保险杠、安全气囊和行人腿部。在建立模型时对模型做了适当的简化，并在尺寸上缩小了10倍。用长方体结构代替保险杠，尺寸取长110 mm，宽20 mm，厚1 mm。用圆柱结构代替腿部，长1 000 mm，直径40 mm。用长方体结构代替安全气囊，长1 200 mm，宽300 mm，厚5 mm。

3.2 材料的选择

本文在对模型添加材料时，腿部使用的材料为胫骨皮质骨，密度1 000 kg/m3，弹性模量20 GPa，泊松比0.315。保险杠使用的材料为聚丙烯，密度900 kg/m3，弹性模量1.3 GPa，泊松比0.41。由于安全气囊中的气体多为氮气，其压强为标准状况下氮气压强的2倍，因此安全气囊设定材料为氮气，密度2.5 kg/m³，弹性模量0.001 Pa，泊松比0。

3.3 划分网格

保险杠长度和宽度方向网格尺寸为2 mm，厚度方向为0.1 mm。安全气囊长宽方向为2 mm，厚度方向为0.1 mm，行人腿部网格尺寸为2 mm。

3.4 施加载荷和约束

为了简化运动模型，根据力的作用是相互的，运动情况设计为：固定保险杠，行人腿部以一定速度撞击保险杠。因此，对保险杠施加固定约束，安全气囊与保险杠之间设定为绑定接触，腿部施加8 000 mm/s的速度载荷，接近30 km/h即低速碰撞。由于人车碰撞的接触时间非常短，通过多次模拟将运动时间设为0.01 s。

3.5 求解

求解分为两个过程。第一个过程抑制安全气囊，模拟行人腿部与保险杠的直接碰撞，第二过程对安全气囊解除抑制，模拟有气囊保护情况下行人腿部与保险杠的碰撞。

3.6 结果分析

两次碰撞试验结果为：无安全气囊保护时，保险杠最大变形为0.50 mm，最大正应力为1726.5 MPa，最大正应变为9.23×10-3；有安全气囊保护时，保险杠最大变形为0.33 mm，最大正应力为653.5 MPa，最大正应变为7.71×10-5。即有安全气囊保护时，保险杠最大变形小，正应力小，总应变小。这说明有安全气囊保护时保险杠受到的力减小，根据力的作用是相互的，行人腿部在人车碰撞时受到的冲击力减小，即在保险杠前增加安全气囊能够有效的保护行人腿部。

4 结束语

在现有的安全技术基础上，本文结合汽车自动制动系统、热红外探测系统，对现有安全气囊系统的弹出原理进行改进，提出一种新保护行人腿部的设计方案，并通过有限元软件分析了方案的可行性。

[1]吕晓江.王纯.刘卫国等.基于行人保护的乘用车前部造型设计优化[J]. 汽车安全与节能学报.2011.2(3).

[2]魏政君.基于行人保护的弹起式发动机罩系统的应用研究[D].华南理工大学.2013.

[3]张学军.张岳锋.基于毫米波雷达的汽车防撞模糊控制研究[J].兰州交通大学学报.2008.1.

[4]顾军杰.轿车安全气囊静态展开性能测试系统的研究[D].吉林大学.2013.

U461.91文献标示码：A

张义悦（1987—），女，助教，硕士研究生，研究方向为汽车运用与技术研究。

张晓娟（1980—），女，副教授，研究生，研究方向为汽车运用与技术研究。