基于行人保护试验的前保险杠设计优化

朱云娟 傅加荣 钱志峰 彭佳

（长安马自达汽车有限公司）

在汽车安全研究领域中，车辆行人保护安全性能是非常重要的组成部分，其中行人小腿碰撞是车辆行人保护安全性能开发的重要内容之一。车辆前保险杠系统的造型、结构设计直接影响行人保护小腿碰撞安全性能。欧盟新车评价规程（E-NCAP）在2014 年将行人保护安全评价中使用的TRL 刚性腿型正式替换为Flex-PLI 柔性腿型，并且柔性腿型的伤害指标及评价方法有很大更新。中国新车评价规程（C-NCAP）发布的2018 版C-NCAP 方案整体概要中，加入了行人保护评价内容，其中行人保护下腿型碰撞试验评价采用Flex-PLI 柔性腿型。文章介绍了通过柔性腿型评价前保险杠设计的行人保护安全性能，及通过对碰撞模型的分析，实现前保险杠的结构优化设计。

1 行人保护柔性腿评价方法

1.1 行人柔性腿型碰撞试验方法

在保险杠2 个角点之间的区域和缓冲梁、横梁等结构部件的最外边缘之间的区域中，取2 个区域中较大的区域作为腿型试验区域[1]；由中点或中点左侧第1 个点开始，选择汽车单侧的所有间隔点作为试验点开展试验；腿型冲击器按要求位置摆放后，以40 km/h 的相对速度冲击汽车前端。

1.2 柔性腿型碰撞伤害评价指标

柔性腿型评价指标分为韧带伸长量和胫骨弯矩：韧带伸长量包括前十字韧带伸长量（ACL）、后十字韧带伸长量（PCL）、内侧副韧带伸长量（MCL）。胫骨弯矩包括胫骨上部弯矩（T1）、胫骨中上部弯矩（T2）、胫骨中下部弯矩（T3）、胫骨下部弯矩（T4）。柔性腿型上的传感器分布，如图1 所示。

图1 行人保护试验柔性腿型传感器分布

2 碰撞模型的建立

行人保护腿型试验区域主要为汽车的前端保险杠系统，为了更详细地描述保险杠的结构特征，保险杠部分的网格尺寸采用5 mm。腿型的初始撞击速度为40 km/h，撞击方向为整车坐标的X 正向[2]。腿型与保险杠蒙皮的接触采用面-面接触，且摩擦因数设置为0.2。文中的车型防撞梁Y 向宽度范围为-598～598 mm，保险杠两侧角点对应的Y 向宽度为-500～500 mm。刚性腿型测试区域为保险杠两侧角点Y 向位置，测试点为-434～434 mm。柔性腿测试区域为保险杠角与防撞梁最外侧中较大的区域，测试点为-556～556 mm。表1 示出某车型柔性腿型撞击结果。

表1 某车型柔性腿型撞击结果

根据表1 总结得出，各区域的实际改善思路为：

1）Y0～Y200区域，减小前保险杠小腿支撑骨架到腿型下边界高度，吸能块区域在最大侵入状态，弹簧的压缩量增大，前保险杠小腿支撑骨架压缩量增大。

2）Y200～Y500区域，减小前保险杠小腿支撑骨架到腿型下边界高度，吸能块区域在最大侵入状态，弹簧的压缩量增大，前保险杠小腿支撑骨架压缩量增大，膝关节弯曲角度在碰撞点向汽车保险杠两侧的位移呈逐渐增大趋势，与柔性腿型的计算结果趋势一致。这是因为越趋近保险杠两侧，保险杠的弧度越大，在腿型撞击时更容易造成腿型的翻转和弯曲，故保险杠两侧的膝关节伤害指标不理想。

3 前端结构优化设计

最优的汽车前端结构应使MCL，ACL，T 的数值最小，能在给定的约束范围内对这3 个评价函数进行多目标优化，从而求得最优的参数组合[3]，使汽车前端结构获得最优的行人保护性能。该优化问题可以描述为：

目标函数：min{MCL ACL T}；

约束条件：680＜H1＜850，150＜H3＜285，20＜H4＜90，60＜L＜160。

优化计算得出一组优化结果，如表2 所示。

表2 汽车前端结构优化设计参数 mm

根据最优设计参数，经汽车前端有限元模型优化后的仿真计算，得出膝部韧带拉长量和胫骨弯矩响应曲线，如图2 和图3 所示。由图2 和图3 可以看出，各伤害值均满足Euro-NCAP 高性能指标。

图2 膝部韧带拉长量响应曲线

图3 胫骨弯矩响应曲线

图4 示出某车型碰撞动画。从图4 中可以看出，随着FLEX-PLI 与汽车前端接触，MCL 随着腿型运动姿态的变化呈增加趋势并在0.03 s 达到峰值，此时FLEX-PLI 腿型运动姿态弯曲度最大；FLEX-PLI 腿型下端与汽车先接触，腿型上端无接触，在膝盖关节处形成剪切力，所以在0.008 s 左右PCL 和ACL 形成峰值；对于胫骨而言，FLEX-PLI 腿型下端先与下支撑接触，后与发动机罩前缘接触，使得胫骨弯矩达到2 次峰值，随后在反弹过程中随着腿型摆动引起了胫骨弯矩的第3 峰值和第4 峰值，并逐渐衰减。

图4 某车型碰撞FLEX-PLI 腿型变化动画

4 结论

文章简要介绍了刚性腿型和柔性腿型在结构、伤害指标、法规阀值等方面的差异，分别建立了行人保护刚性腿型与柔性腿型的有限元碰撞模型，最后针对柔性腿型的分析结果，对车型的胫骨弯矩指标进行优化和验证，得出：

1）柔性腿型作为新型的碰撞冲击器，具有比刚性腿型较为全面的评分体系，能更好地反映真实的伤害过程。

2）保险杠小腿梁支撑结构的刚度与柔性腿型伤害指标有直接的关系。分析和优化结果显示，随着小腿梁支撑刚度的减小，胫骨弯矩指标也随之减小。在类似新车型的保险杠开发中，合理降低小腿梁支撑结构的刚性，可以更好地达到法规标准。以上方法为改进行人保护柔性腿型碰撞的车辆前保险杠结构提供了参考，也启发了对前保险杠结构布置尺寸与柔性腿型碰撞伤害指标的量化关系的进一步研究。