行人腿部保护汽车前部结构优化

第７期

２０１５年７月

机械设计与制造

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ

Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ

８７

行人腿部保护汽车前部结构优化

乌秀春ｍ，周

盼１，郑文强 ，鲁宏升。

（１．上海理工大学机械工程学院，上海２０００９３；２．上海电机学院汽车学院，上海２００２４５；３．上海恒士达科技有限公司，上海２０１２０３）

摘要：为减少人车碰撞事故中对行人的伤害，采用ＬＳ—ＤＹＮＡ软件模拟人车碰撞过程，分别模拟了刚性腿型和柔性腿型的碰撞情况，得到行人小腿的伤害规律。同时，针对柔性腿型的分析结果，对汽车前部结构从三个方面进行优化：改进泡沫刚度，行人腿部总得分值提高了１０．０１％；改变小腿支撑，行人腿部总得分值提高了１０．３７％；改进保险杠横梁，行人腿部总得分值提高了１７．６３％。通过改进汽车的前部结构，柔性小腿的碰撞性能得到了优化，为行人保护方面的汽车前部结构设计提供了参考。

关键词：行人腿部保护；碰撞模拟；结构优化；ＬＳ—ＤＹＮＡ中图分类号：ＴＨｌ６；Ｕ４６３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００１—３９９７（２０１５）０７—００８７—０４

ＡｎＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＶｅｈｉｃｌｅＦｒｏｎｔａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒＰｅｄｅｓｔｒｉａｎＬｅｇＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ

ｗｕＸｉｕ—ｃｈｕｎｌ”，ＺＨＯＵＰａｎｌ，ＺＨＥＮＧＷｅｎ－ｑｉａｎ９１，ＬＵＨｏｎｇ－ｓｈｅｎ９３

（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，Ｃｈｉｎａ；

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３．ＳｈａｎｇｈａｉＨｅｎｇｓｔａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｍｐａｎｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１２０３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒ

ｔｏ

ｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｉｎｊｕｒｉｅｓｉｎｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ－ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｃｏｌｌｉｓｉｏｎａｃｃｉｄｅｎｔｓ．Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｐｐｌｉｅｄ

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１引言

行人保护研究作为汽车安全的新兴领域已经引起重视，并且成为新车评价体系的一部分，直接影响新车的得分情况以及星

２刚性小腿与柔性小腿评价指标

刚性小腿冲击器以及柔性小腿冲击器均可以测试交通事故中小腿部位的伤害值，并通过伤害指标来反映。两者在一定程度上均能反映事故中行人腿部的受伤情况，具有一定的真实有效性以及可参考性旧。

ＥＥＶＣ制定的刚性小腿伤害主要将胫骨加速度、膝关节剪切位移、膝关节弯曲角度三个方面作为评价指标１６１，如表Ｉ所示。

表１刚性小腿伤害评价指标

Ｔａｂ．１

Ｒｉｇｉｄ

Ｌｅｇｓ

级评定，然而，行人保护方面的得分睛况却不乐观，甚至有些车型没有得分一。通过对行人腿部的研究，发现刚性小腿可以有效地

模拟膝盖部分伤害情况，但并不能完全的反映行人腿部的受伤情况。美国ＨＵＭＡＮＥＴＩＣＳ公司经过不断的改进，开发出了最新的易于弯曲的柔性腿型，改进后的下腿型冲击器被国际上许多国家认可并采纳。

从２０１４年开始，Ｅｕｒｏ—ＮＣＡＰ已经逐步采用柔性腿型来进行新车星级评定试验ｆ４｜。行人保护全球技术法规预计从２０１６年开始采用柔性腿型进行试验。现阶段属于过渡时期，汽车整车厂可以选择刚性小腿或柔性小腿进行碰撞试验分析。

来稿日期：２０１５—０１—２０

Ｉｎｊｕｒｙ

Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ

基金项目：上海电机学院学科基础建设项目（１２ＸＫＪＣ０２）；上海市科技型中小企业技术创新基金项目（１３０１…３８２００）

作者简介：乌秀春，（１９７３一），女，辽宁朝阳人，博士研究生，教授，主要研究方向：汽车碰撞安全技术、车辆ＣＡＷＣＡＭ／ＣＡＥ技术

周盼，（１９９０一），女，陕西渭南人，硕士研究生，主要研究方向：车辆ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ技术，现代汽车设计理论

８８

乌秀春等：行人腿部保护汽车前部结构优化

柔性腿型冲击器的胫骨部位安装四个应变传感器，分别用

第７期

人体造成严重伤害；在８ｍｓ时，不同区域的膝关节剪切位移基本上达到最大值，从中间到边缘，剪切位移值也呈现下降趋势，都处于伤害指标值以下，比较容易得分。同时，可以发现，汽车前部结构的中间区域整体伤害值比较大，且容易超过法规标准值，得分情况乐观；从中间到边缘区域，膝关节弯曲角和剪切位移均逐渐较小：胫骨加速度和膝关节弯曲角均接近伤害指标的下限值．得分情况不稳定，但膝关节剪切位移伤害指标值均比较低，得分率较高．‘

２０【Ｍ）（】００００

来测量上弯矩、巾上、中下弯矩和下弯矩，膝盖部位装有四个传感器，分别用来测量前后团带伸长量、内侧韧带伸长量和膝盖底部加速度，Ｅｕｒｏ—ＮＣＡＰ法规的伤害值指标，如表２所示。

表２柔性小腿伤害评价指标

Ｔａｂ．２ＦｌｅｘｉｂｌｅＬｅｇｓＩｎｊｕｒｙＥｖａｌｕａｔｉｏｎ

３刚性小腿与柔性小腿碰撞分析对比

３．１碰撞区域的选取

根据法规，将车身长度方向记为ｘ方向，车身位置以ｌ，平面对称，进行参考线画线，碰撞区域，如图１所示。

—２００００４００００

；一６００００

三一８００００

三一｛（）００００

—１２０

０００

—１４００００一】６００００一Ｉ８００００

Ｏ

图ｌ碰撞区域的选取

Ｆｉｇ．１

ＣｏｌｌｉｓｉｏｎＺｏｎｅ

将碰撞区域每隔ｌＯＯｍｍ选取一个测试点，以保险杠中部为

准，由于汽车前部结构的对称性，故选择右边五个试验点以及中

间的试验点作为测试点，分别记为Ｌｏ，Ｌ。、Ｌ：、Ｌ，、Ｌ。、Ｌ，：行人保护小腿部分得分总分为６分。

３．２刚性小腿碰撞分析

刚性小腿冲击器的碰撞条件如下：在发生碰撞时．小腿冲击器底部与地面基准线之间距离为２５ｒａｍ（±１０ｍｍ），小腿冲击器的冲击速度为１１．１ｍ／ｓ（＿－ｚ０．２ｒｄｓ）ｍ。将汽车前部结构的有限元模型以及刚性小腿冲击器的有限元模型导入ＬＳ—ＤＹＮＡ软件中，对小腿冲击器进行碰撞区域定位，设置好相应的定位参数以及碰撞条件，提交进行计算，得到不同时刻的碰撞变形图，如图２所示。

（｝，）膝关节弯曲角

（Ｃ）膝关节剪切位移

图２刚性小腿不同时刻碰撞变形过程

Ｆｉｇ．２

ＤｉｆｆｅｒｅｎｔＴｉｍｅＣｏｌｌｉｓｉｏｎＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＲｉｇｉｄＬｅｇｓ

Ｆｉｇ．３

图３不同区域伤害值

ＤａｍａｇｅＶａｌｕｅｏｆｔｈｅＤｉｆｆｅｒｅｎｔＡｒｅａｓ

将获得的五个区域伤害指标值添加在同一图下进行比较，对比分析结果，如图３所示。对于该车型的碰撞分析，从上面的分析图可以看出，Ｌ。、厶、Ｌ：区域的胫骨加速度值逐渐减小，而￡，区域又开始出现增加趋势，Ｌ。区域的胫骨加速度值达ｙ－０了最大值，并且超过了伤害指标的上限值，Ｌ；区域又有所下降，但伤害值较高；在２１ｍｓ左右时，不同区域的膝关节弯曲角度依次达到最大值，并且从中间到边缘区域，膝关节弯曲角逐渐减小，对人体的伤害也逐渐减弱，坦中间部分的伤害值超过了伤害指标值，容易对

３．３柔性小腿碰撞分析

柔性小腿的碰撞条件与刚性小腿基本一致，不同之处在于，在发生碰撞时，柔性小腿冲击器底部与地面参考线之间的距离为７５ｒａｍ。以选定区域进行碰撞模拟，得到柔性小腿不同时刻的碰撞变形图，如图４所示。对不同区域的伤害指标值进行横向比较，其中，丁ｌ为上弯矩，疋为中上弯矩，乃为中下弯矩，兀为下弯矩，ＡＣＬ为前韧带伸长量，ＰＣＩ，为后韧带伸长量，ＭＣＬ为内侧韧带伸长量，分析结果，如表３所示。

方万数据

No

Ｎｏ．７

９０

机械设计与制造

表６改进保险杠横梁后的分析结果

Ｔａｂ．６ＴｈｅＡｎａｌｙｓｉｓ

Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅ

ＣｈａｎｇｅｄＢｕｍｐｅｒＢｅａｍ

Ｊｕｌｙ．２０１５

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ｔｈｅｉｎｊｕｒｙｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｉｎｊｕｒｅｄ

通过减去保险杠横梁上的支架，碰撞中间区域的上弯矩和中上弯矩伤害值明显大幅度降低，但中下弯矩和下弯矩值却略有增加，但仍然在伤害指标值以下；韧带伸长量也有所降低，内侧韧带伸长量仍然不符合法规要求，得分较低，然而行人腿部总得分值提高了１７．６３％。

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５结论

这里详细介绍了刚性腿型与柔性腿型在碰撞过程中的伤害指标值，并建立相应的有限元模型进行了分析，总结该车型在人车碰撞过程中不同位置的伤害规律。针对柔性腿型的分析结果，对汽车前部结构提出了三个优化改进方案，结果显示：三个优化方案中行人腿部总得分均有所提高，其中改变保险杠横梁的方案使得行人腿部总得分值提高了１７．６３％，汽车保险杠中间区域的伤害值明显降低，达到了一定的优化效果。但内侧韧带伸长量的优化效果并不明显，仍然超过了伤害指标值，有待提出更好的改进方案。就总体而言，行人保护的总得分有所提高，优化结果可为汽车前部结构设计提供参考。

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