汽车前端结构的行人大腿碰撞保护性能研究

崔淑娟，刘 明，赵清江，范体强

（1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 401122；2.中国汽车工程研究院，重庆 401122）

1 研究背景

1.1 国内外行人保护评价体系现状

中国是典型的以混合交通为主的国家，行人伤亡数量大，占交通事故死亡人数中的26%。图1显示了国内（以长沙市交通事故统计数据为例）和国外（以德国为例）的行人事故中人体损伤部位分布情况[1-3]。由图可知，在行人事故中人体头部、下肢、骨盆的受伤所占比例较高。

目前，国内外的标准法规及测评规程中含有针对行人保护的骨盆和大腿伤害测试的有：Euro NCAP包含了上腿型冲击WAD775试验，EC 78/2009包含了上腿型冲击发动机罩前缘试验（监测项）。2017年7月20日发布的中国保险汽车安全指数（China Insurance Automotive Safety Index，C-IASI）将上腿型冲击WAD775试验作为监测项，其余法规均未对此做出规定，表1对各行人保护法规的试验项目进行了汇总比对。

图1 国内外行人事故中人体损伤部位分布

表1 行人保护标准规程内容比对

1.2 Euro NCAP试验数据现状

Euro NCAP于1997年引入大腿对发动机罩前缘的试验，用于评估在涉及成人的车辆碰撞事故中骨盆和大腿部受伤的潜在风险。利用成人大腿部碰撞器在冲击速度为40 km/h的工况下开展一系列碰撞试验，并于2015年更新，引入了大腿对发动机罩WAD775的试验。

根据2009～2012年间Euro NCAP发布的结果统计，仅有约1/3的Euro NCAP五星车型获得大于2分的大腿保护成绩。其测评方法、阈值设定等受到越来越多质疑。在多家主机厂和汽车行业组织的探讨研究下，Euro NCAP于2015年将试验工况由上腿型冲击发动机罩前缘更新为上腿型冲击WAD775，并对冲击点位置、冲击能量及免试能量等做出了适当调整。

2014 ～2018年Euro NCAP行人保护测试结果中，骨盆试验内容的得分情况汇总如图2所示。2015年该试验项目做了更新后，试验难度下降，得分逐年趋好。

图2 Euro NCAP结果分布

2 上腿型冲击WAD775试验测评标准

上腿型冲击WAD775试验是以上腿型冲击器代替行人大腿，以冲击器受到的最大弯矩M和合力F作为伤害评价指标[4]，见表2。

表2 上腿型冲击WAD775评价指标

碰撞点位置对准WAD775线，每个碰撞点的撞击角度α如图2所示。碰撞过程中，名义碰撞能量根据以下公式计算：

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

碰撞速度vt根据名义碰撞能量进行调整计算[5-6]：

图3 上腿型冲击WAD775试验工况

3 造型结构开发策略

3.1 外造型

Euro NCAP规定，碰撞能量小于160 J可豁免这项试验，默认满分。碰撞能量的大小仅取决于每个碰撞点的碰撞角度α。即：

计算得出，当α＞44.7°时满足条件，即WAD930和IBRL的连线越接近水平，碰撞角度α越大。车辆前部造型越扁平，越能降低WAD930的高度。碰撞角度α与车辆前部造型、防撞横梁高度有关。上腿型冲击WAD775试验的碰撞能量高低对伤害指标具有显著影响，而碰撞能量由车辆前部几何参数决定。因此，在外造型设计初期，以降低碰撞能量输入为目标对车型外轮廓进行设计，将会有效提高其上腿型碰撞防护性能，如图3所示。

图4 上腿型冲击WAD775满分车身造型

3.2 总布置

碰撞能量一定的情况下，根据碰撞能量公式E=F×S，内部碰撞吸能空间S越大，碰撞力F越小。在车辆开发总布置阶段，在满足其它性能的基础上，发动机罩下端预留更多的变形区间，并考虑将零部件硬点、特征点等危险点尽可能布置在测试区域之外，以规避风险[7]。

3.3 零部件结构优化

通常上腿型冲击WAD775失分点主要集中在发动机罩罩盖锁、大灯、水箱上横梁、保险杠上支撑件等加强件结构处，这些结构通常局部刚度较大，需要对其进行局部的结构优化，弱化上腿型碰撞方向上的支撑强度，在碰撞过程中充分变形[8]。如：部分现有车型中在车大灯、翼子板的安装机构上采用了整体溃缩吸能装置，以改善局部碰撞缓冲效果，或采用新型材料，使其易于破碎、变形。将保险杠蒙皮安装在可溃缩支架上，支架刚度弱。当上腿型冲击WAD775时，充分利用变形空间，降低行人骨盆受到的冲击力，如图5所示。

图5 零部件结构优化

4 某车型上腿型冲击WAD775性能分析及优化

4.1 上腿型冲击WAD775试验得分

按照规程要求划包络线WAD775，转角基准点，确定上腿型冲击WAD775试验区域，并间隔100 mm标记一个grid点，该车型共13个grid点。为验证后续有限元模型的准确性，试验选择U5、U3、U0、U-2、U-4、U-6共6个试验点，试验结果见表3。基础车上腿型冲击WAD775试验得分为：2.963分。

表3 试验点结果记录

4.2 有限元模型搭建

采用HyperMesh软件建立仿真模型，如图6所示，按照实车参数设置零件的材料和厚度，并通过焊接、螺栓、铰链等方式建立各部件之间的连接关系。分析只截取车辆A柱及之前部分[9]，约束车辆截面的6个自由度。前保险杠及其附件的材质为塑料件，强度低且韧性差，在碰撞过程中容易发生断裂失效等问题。为接近真实情况，对关键变形零部件设置断裂失效模型，以提高计算精度。

图6 有限元模型

4.3 有限元模型与试验结果对标

如图7所示，有限元模型撞击位置，以U3、U-6两个点的上腿型冲击WAD775碰撞仿真分析为例，对比性能指标的仿真和试验曲线及结果，如图8和表4所示。试验和仿真结果峰值接近，误差最大不超过12%，曲线走势一致，在工程精度要求范围内，认为模型精确可用。

图7 撞击位置

图8 U0、U-6点试验与仿真曲线对比

表4 碰撞点仿真试验值对比

4.4 上腿型冲击WAD775性能优化及试验验证

分析车体内部结构，前保险杠内部空间小，零部件布局紧凑，没有可以利用的变形空间。仿真碰撞过程中，前保险杠蒙皮及其附属零部件整体结构偏硬，变形不充分。其中，前保险杠中支撑架结构强，变形小，是上腿型受挤压变形过程中的最大结构硬点。摸底试验中，该零件也出现了不同程度的撕裂和断裂。通过多轮仿真计算，最终确定的优化方案见表5。

（1）前保险杠本体左右对称位置开孔。

（2）删除前保险杠中部装饰罩背面的加强筋，并开孔。

（3）前保险杠中支撑架两端开槽、局部开孔、删除内部加强筋，并增加钣金件。

仿真计算U5、U3、U0、U-2、U-4、U-6碰撞点，优化前后的仿真结果对比见表6。碰撞合力、胫骨弯矩值均有一定幅度的降低。将优化方案工程化，并进行试验验证。从U1开始选点，沿车辆向右间隔一个grid点选一个试验点，试验结果见表7。优化后各点的试验得分均为1.000分，上腿型总得分为6.000分。

表5 优化方案

表6 优化前后仿真结果对比

表7 优化方案试验结果

5 结论

（1）本文总结出行人大腿碰撞保护与车辆前端的外造型设计、总布置及相关零部件局部结构设计相关。性能优化遵循优化能量吸收、增加变形空间的设计原则。

（2）对某车型的保险杠蒙皮及相关附件结构进行局部弱化，通过仿真和试验证明，对保险杠蒙皮及内部结构进行有效设计改进可以降低碰撞事故中对行人大腿的伤害。