溃缩设计在汽车行人保护中的应用

龚益玲

（上汽大众汽车有限公司产品研发与管理车身研发，上海201805）

0 引言

大量的交通事故调查结果表明，在行人与车辆的碰撞事故中，行人头部与发动机罩或挡风玻璃发生碰撞而引起行人头部损伤约占损伤总数的30%，并常常是造成行人死亡的主要原因。而发动机罩由于需要满足车辆的相关性能要求，在前盖与挡风玻璃连接处，刚度较大，溃缩空间较小，常常会对头部造成较为严重的伤害，从而不能满足行人保护头部碰撞的性能要求。本文根据行人保护头部碰撞的要求，分析了该苛刻区域某零件的变形特性，兼顾整车刚度，利用仿真模拟计算，同时经由试验验证，提出了该零件的溃缩设计方案。

1 行人保护头部保护法规及头部伤害值介绍

由China-NCAP2018要求可知，在行人保护头碰试验中，头部损伤HIC值可由式（1）得到：

式中：

G：重力加速度

A：碰撞过程中头部质心合成加速度；

t2-t1：HIC达到最大值的时间间隔，其中最大间隔为15ms。

同时，根据China-NCAP2018要求，行人保护头部碰撞分值设定如表1所示。

表1 HIC分值设定

2 苛刻区域的行人保护头部碰撞

根据一般的行人保护结果，发动机舱与挡风玻璃交界处一般是头部伤害值比较高的区域。本文以该苛刻区域的某零件设计为例，引入溃缩设计理念，通过仿真模拟计算的方法，结合试验验证，来有效地降低该区域的HIC值。

图1 行人保护头部碰撞的区域分析

2.1 行人保护模型验证

选取行人保护头碰试验苛刻区域内的风窗横梁的小支架作为研究对象，该零件所对应的关键碰撞点，见图2。

图2 小支架以及相关碰撞点示意图

基于China-NCAP2018行人保护要求，搭建行人保护头部碰撞有限元计算模型，参见图3示意图。选取前车头模型，进行行人保护头碰分析。

图3 行人保护-小支架相关碰撞点有限元模型示意图

对比该点行人保护头部碰撞试验与相应的模拟计算结果（见图4），可以看出该零件在头部碰撞过程中，零件本身几乎没有变形。试验和模拟计算的变形是一致的。进而，再对比两者的头部HIC值，根据法规，试验模拟计算的得分也是相同的。

图4 行人保护-小支架相关碰撞点试验

由此可知，我们建立的行人保护有限元模型是十分符合实际试验，具有一定的参考价值，为后续溃缩设计方案的验证提供了精准的计算基础。

2.2 普通优化

分析苛刻区域的头碰碰撞的变形，发现该零件在碰撞过程中没有明显变形。局部的高强度零件对于头部碰撞非常不利。因此，通过简单的开孔，弱化该零件（见图5）。通过模拟计算发现：新的优化方案在碰撞中有明显的变形，且HIC值也有大幅度的下降。相对于基础方案，吸收了头碰过程中一部分的能量，对于降低头部的HIC值有一定效果，且得分也得到了提高。

图5 小支架普通优化方案

图6 T=30ms时刻的塑形应变对比

图7 普通优化方案与基础方案HIC值曲线对比

然而，该方案虽然对行人保护结果有效，但是结构的弱化，导致了整车刚度的降低。通过相关计算，该优化方案A对比基础设计，整车的弯曲刚度降低了0.39Hz（见图8）。因此，借助单纯开孔来弱化零件从而达到降低HIC值是不可取的。如何做到刚柔并济，满足车身刚度的前提下，优化我们的零件才是我们需要解决的一大问题。

图8 普通优化方案与基础设计车身刚度对比

2.3 溃缩设计

基于刚柔并济的理念，我们对该零件引入溃缩设计。仔细分析初始优化方案的变形，零件中添加溃缩弱化筋的溃缩设计理念，可以很有效的通过零件本身的变形吸收碰撞能量，从而降低头部的伤害值。因此，基于第一版的初步优化方案，进一步优化溃缩弱化筋的布置，于此同时，还必须兼顾零件本身的刚度性能，详见图9零件示意图。通过诱导变形筋的溃缩设计，不但满足了头部碰撞过程中该零件通过有效变形吸能降低头部HIC值，同时也可以避免大面积开孔所引起的刚度降低问题。

图9 普通优化方案与溃缩优化方案

通过有限元模拟分析三种方案在头部碰撞中的变形图，见图10。由变形图可以很明显的看到，在头碰过程中，普通优化和溃缩优化方案都有明显的变形。在碰撞过程中，溃缩设计的溃缩筋起到了很好的诱导变形的作用，有效地将动能转化成变形能，从而减低头碰过程中头部的伤害值。仔细研究图11的HIC曲线以及车身刚度的模拟结果，可以发现，虽然相对于普通优化，溃缩优化的HIC值有一定程度的增加，但是在兼顾零件本身的刚度和行人保护性能的双重要求下，明显溃缩优化设计更加的高效、可行。

图10 优化措施的变形对比

图11 优化措施的HIC值曲线

图12

3 结语

本文通过具体分析行人保护头部碰撞苛刻区域的某一零件，利用精准的有限元模拟计算的方法，基于普通优化方案，引入溃缩优化设计，在保证车身刚度的前提下，有效地降低了该区域的头部HIC值，真正做到了刚柔并济，提高了整车的性能。