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1行人髖部碰撞區(qū)域的造型分析

1.1造型因素對(duì)髖部沖擊器碰撞影響的分析

汽車前端造型因素對(duì)髖部沖擊器碰撞結(jié)果的影響體現(xiàn)在兩方面，一是前端造型的幾何尺寸決定了髖部沖擊器的碰撞輸入能量、初始速度與角度，其中輸入能量與吸能變形空間的需求正相關(guān);另一方面，碰撞接觸面積、碰撞區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)件(如上橫梁、機(jī)罩鎖、車大燈和進(jìn)氣格柵等)的布置與髖部沖擊器的損傷參數(shù)密切相關(guān)。給出髖部沖擊器與機(jī)罩前緣碰撞試驗(yàn)中用于確定初始能量輸入的曲線，可以看出，初始能量輸入對(duì)于機(jī)罩前緣高度(BLEH)非常敏感。因此，對(duì)機(jī)罩前緣較高的車型，髖部沖擊器碰撞試驗(yàn)往往初始輸入動(dòng)能較高，測(cè)試結(jié)果相對(duì)較差。在實(shí)際的造型設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)氣格柵是汽車前部重要的造型元素，它直接影響整車造型設(shè)計(jì)風(fēng)格。通過降低進(jìn)氣格柵高度，使車輛前端造型更加扁平，能夠相應(yīng)降低機(jī)罩前緣高度，從而減小髖部沖擊器的初始碰撞能量。汽車前大燈一般局部結(jié)構(gòu)剛度較大，也是髖部沖擊器碰撞的關(guān)鍵區(qū)域，依據(jù)行人碰撞要求相應(yīng)改變大燈造型設(shè)計(jì)與空間位置，可以設(shè)法將其布置在髖部碰撞區(qū)域之外。部分現(xiàn)有車型中在車大燈的安裝機(jī)構(gòu)上采用了整體潰縮吸能裝置，以改善局部碰撞緩沖效果，降低行人保護(hù)要求對(duì)于車燈造型的限制。

1.2基于碰撞能量約束的車型前端外輪廓設(shè)計(jì)

結(jié)合上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在車型設(shè)計(jì)早期，可以一定的碰撞能量輸入作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)車型外輪廓設(shè)計(jì)進(jìn)行約束，從而為后續(xù)針對(duì)髖部碰撞保護(hù)的部件結(jié)構(gòu)和布置設(shè)計(jì)提供便利。在前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)方案確定后。首先選取車型正中心截面，即車輛縱向?qū)ΨQ面(y=0)，設(shè)定一個(gè)碰撞輸入能量(比如500J)，按以下步驟求得對(duì)應(yīng)該輸入能量的組合約束線:(1)按照法規(guī)要求，利用截面中一條與垂線成20°的斜線α和保險(xiǎn)杠廓形的接觸點(diǎn)，確定保險(xiǎn)杠上參考點(diǎn)M;(2)依據(jù)法規(guī)給定曲線，確定500J能量對(duì)應(yīng)的各組BLEH和BL，描點(diǎn)連線得曲線β;(3)確定車型BLEH的上限值hBLE，并按其高度確定曲線β上的一點(diǎn)N;(4)從點(diǎn)N處作一條截面中與地面交角40°的直線γ;(5)α、β與γ3條直、曲線，去掉它們交點(diǎn)以外的無效線段后，共同組成該截面的一條組合約束線。沿車輛橫向(即保險(xiǎn)杠的長度方向)取若干平行于縱向?qū)ΨQ面的截面(對(duì)應(yīng)于不同的碰撞點(diǎn))，分別按上述步驟求得該截面的組合約束線;這些組合約束線將構(gòu)成一個(gè)約束曲面。只要汽車前端造型設(shè)計(jì)的曲面在約束曲面之下，即可保證碰撞輸入能量不超過設(shè)定值。汽車造型對(duì)于行人碰撞試驗(yàn)結(jié)果有明顯影響。在實(shí)際工程中，車輛開發(fā)早期的造型設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮行人保護(hù)要求，以降低工程開發(fā)難度，改善車輛的行人保護(hù)性能。需要指出的是，髖部沖擊器對(duì)不同位置的結(jié)構(gòu)剛度的敏感程度不同，髖部沖擊器下部受力往往對(duì)沖擊反力的峰值影響更明顯。因此，接觸點(diǎn)局部造型(尤其是局部的弧度設(shè)計(jì))以及由此引起的局部剛度變化等，對(duì)髖部沖擊器碰撞結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響。此外，汽車低速碰撞和行人腿部碰撞保護(hù)等對(duì)汽車前端設(shè)計(jì)(如前車燈和機(jī)罩前緣等)也有不同的要求，這些因素均應(yīng)在車型設(shè)計(jì)早期予以兼顧。

2機(jī)罩前緣結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

行人沖擊器碰撞均集中在車輛前端的局部區(qū)域，輸入動(dòng)能相對(duì)較小，對(duì)模型保真度要求較高。本文中利用LS-DYNA軟件建立了樣車前端有限元模型，與實(shí)際試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比分析，通過機(jī)罩前緣不同位置的碰撞仿真計(jì)算對(duì)現(xiàn)有車型的髖部碰撞保護(hù)性能進(jìn)行評(píng)估，找出損傷參數(shù)超標(biāo)的區(qū)域，并從其結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量分布和邊界條件特征等方面對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。髖部沖擊器碰撞可視為一維運(yùn)動(dòng)，主要考查髖部沖擊器在平動(dòng)過程中受到的沖擊反力合力和彎矩大小。從實(shí)際算例和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，沖擊反力與彎矩之間存在一定的比例關(guān)系，過高的合力峰值是導(dǎo)致髖部沖擊器碰撞結(jié)果較差的主要原因，因此在概念設(shè)計(jì)中以沖擊反力峰值作為主要研究對(duì)象。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)為在不增加變形吸能空間的前提下，降低沖擊反力峰值;或在不提高沖擊反力峰值的情況下，減小所需要的變形吸能空間。

2.1樣車前端模型的建立

本文中使用的樣車前端結(jié)構(gòu)模型保留了A柱前與行人沖擊器相接觸和對(duì)其損傷有較大影響的部件，具體包括:機(jī)罩及其附屬部件、車燈、翼子板、散熱器、前保險(xiǎn)杠總成(蒙皮、橫梁、吸能盒、下支撐件等)和風(fēng)窗玻璃等部件。約含20萬個(gè)單元，在截面處約束各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)自由度。為方便表達(dá)，將此樣車模型記為模型A。為了驗(yàn)證模型A的準(zhǔn)確性，實(shí)施了樣車前端髖部沖擊器碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)中選定的碰撞位置沿車輛橫向的坐標(biāo)值為Y=350mm，試驗(yàn)中碰撞位置信息和試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。為進(jìn)行對(duì)比，在有限元模型中就同一位置進(jìn)行了碰撞仿真。仿真計(jì)算得到的髖部沖擊器合力曲線與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。兩者的差異可能存在多方面的原因，如仿真模型本身的保真度高低，實(shí)際試驗(yàn)條件與仿真條件可能不完全匹配，傳感器測(cè)量結(jié)果誤差等。另外，對(duì)比不同文獻(xiàn)給出的髖部沖擊器標(biāo)定結(jié)果時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)定結(jié)果都滿足試驗(yàn)要求的情況下，標(biāo)定試驗(yàn)曲線也存在明顯不同，因此，本文中的計(jì)算結(jié)果僅用于車型改進(jìn)前后髖部碰撞保護(hù)水平的相對(duì)比較。

2.2髖部沖擊器與樣車前端碰撞仿真

為對(duì)樣車的髖部碰撞保護(hù)性能進(jìn)行評(píng)估，選取機(jī)罩前緣上的4個(gè)碰撞位置進(jìn)行仿真計(jì)算，各碰撞位置沿車輛Y向的坐標(biāo)值，其中碰撞位置1位于機(jī)罩前緣中心。各碰撞位置對(duì)應(yīng)的樣車幾何信息和試驗(yàn)參數(shù)。各個(gè)碰撞位置對(duì)應(yīng)的髖部沖擊器輸入能量均接近700J，即法規(guī)試驗(yàn)要求的上限值。部件連接、布置、總體剛度和成本等)。

2.3各碰撞位置結(jié)構(gòu)改進(jìn)的概念設(shè)計(jì)

在不同的碰撞位置，髖部沖擊器所受的沖擊反力合力峰值是由不同的結(jié)構(gòu)特征造成，因此改進(jìn)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合各個(gè)碰撞位置的局部構(gòu)造有針對(duì)性地進(jìn)行。需要指出的是，由于髖部沖擊器表層覆蓋泡沫軟材料的存在，它在與車輛接觸時(shí)受力曲線會(huì)經(jīng)歷一個(gè)斜率相對(duì)較小的上升過程，該過程無法避免。在改善波形時(shí)主要針對(duì)泡沫壓實(shí)和車輛結(jié)構(gòu)開始變形之后的碰撞歷程，本文中側(cè)重于髖部沖擊器碰撞保護(hù)的概念設(shè)計(jì)，未納入對(duì)其他因素的綜合考慮(如部件連接、布置、總體剛度和成本等)。

2.3.1中央碰撞區(qū)

針對(duì)中央碰撞區(qū)(位置1，Y+000)，通過在中央位置處機(jī)罩下方加裝變形吸能件，可以利用其在髖部沖擊器碰撞過程的變形吸收碰撞能量，改善髖部沖擊器波形。設(shè)計(jì)中板件建模選用彈塑性材料(對(duì)應(yīng)LS-DYNA軟件中的24號(hào)材料)。第1種設(shè)計(jì)方案采用階梯狀變形吸能件;第2種設(shè)計(jì)方案即在上橫梁與機(jī)罩之間加裝一個(gè)梯形薄板件，該構(gòu)件包括內(nèi)外兩件，其中外件能夠使碰撞初期的沖擊反力快速上升，以減小對(duì)吸能空間的需求，內(nèi)件則用于保持平臺(tái)力。計(jì)算結(jié)果表明，加裝變形件有助于沖擊波形形成良好的平臺(tái)，髖部沖擊器所需要的變形空間減小了10mm左右。中央位置處機(jī)罩下方變形吸能件的設(shè)計(jì)方案需要說明的是，車型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖件一般也位于中央碰撞區(qū)附近。由于鎖件的結(jié)構(gòu)剛度通常較大，往往會(huì)對(duì)髖部沖擊器碰撞產(chǎn)生不利影響。本文中使用的樣車有限元模型為發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖件預(yù)留出相應(yīng)空間，但模型中并未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖件。在將此類方案應(yīng)用于實(shí)車結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)，須結(jié)合實(shí)際鎖件位置考慮其布置情況，進(jìn)一步優(yōu)化構(gòu)件的材料和幾何等參數(shù)，以得到良好的碰撞結(jié)果。

2.3.2車燈尖角處

車燈尖角處(Y-356)的碰撞位置3下方變形空間較小，散熱器上橫梁支撐在車燈上方，髖部沖擊器在碰撞過程中帶動(dòng)機(jī)罩等部件與其產(chǎn)生碰撞時(shí)，仍然具有較高的殘余速度，從而產(chǎn)生了較高的受力峰值。由于車燈的存在使散熱器上橫梁難以向后下方移動(dòng)，因此可將局部的散熱器上橫梁材料減弱，以降低構(gòu)件的局部剛度。計(jì)算結(jié)果表明，沖擊反力峰值降低了近2kN，髖部沖擊器的反彈時(shí)刻推遲約7ms，最大位移增大了約10mm。

2.3.3靠近機(jī)罩前緣邊緣的車燈中央處

靠近機(jī)罩前緣邊緣的碰撞位置4(Y-500)位于車燈中央，此處車燈燈罩材料剛度較大;部件布置緊湊，局部可變形空間小。髖部沖擊器與之碰撞時(shí)有效位移較小，沖擊反力的峰值較高。為降低結(jié)構(gòu)的等效剛度，可以將燈罩所用材料聚丙烯的強(qiáng)度削弱。仿真結(jié)果表明，當(dāng)其彈性模量由2.28GPa降為0.6GPa時(shí)，沖擊反力峰值能夠降低1kN左右，與此同時(shí)，髖部沖擊器的最大位移增大了約10mm。

2.4綜合改進(jìn)模型的碰撞計(jì)算結(jié)果

綜合前3小節(jié)對(duì)車身模型的改進(jìn)，即在中央碰撞區(qū)域加裝碰撞吸能件，將兩側(cè)的散熱器上橫梁改為塑料件，并為車燈選用彈性模量較軟的材料，得到的模型記為模型B。樣車模型A與改進(jìn)設(shè)計(jì)后的樣車模型B計(jì)算結(jié)果對(duì)比。可以看出，碰撞位置1處，模型B在保證沖擊反力不超過髖部沖擊器損傷耐受限度的情況下，沖擊器位移明顯減小，即所需要的變形吸能空間減小，從而為車型部件布置提供了更大的自由度;碰撞位置3和4處，髖部沖擊器所受合力峰值明顯降低。因此，各個(gè)位置的碰撞結(jié)果均有顯著改善。在EuroNCAP對(duì)行人髖部碰撞保護(hù)性能的評(píng)分方法中，對(duì)髖部沖擊器的損傷參數(shù)(沖擊反力合力峰值和彎矩峰值)分別規(guī)定兩個(gè)極值，其中高要求極值對(duì)應(yīng)滿分，低要求極值對(duì)應(yīng)零分，處于兩個(gè)極值之間的試驗(yàn)結(jié)果采用線性插值的方式計(jì)算相應(yīng)得分。每次試驗(yàn)須分別計(jì)算合力或彎矩得分，取二者的較小值作為該碰撞位置的得分。EuroNCAP試驗(yàn)方法中將車輛機(jī)罩前緣劃分為(1)、(2)、(3)3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域又包括a或b2個(gè)子區(qū)。如果汽車廠商贊助EuroNCAP加試，每個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可進(jìn)行兩次髖部沖擊器試驗(yàn)，并取二者的均值作為該區(qū)域的得分，最后仍將3個(gè)區(qū)域的分值累加;若汽車廠商不贊助EuroNCAP加試，每個(gè)區(qū)域內(nèi)只進(jìn)行一次髖部沖擊器碰撞試驗(yàn)，按試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算該區(qū)域得分，最后對(duì)3個(gè)區(qū)域的分值進(jìn)行累加，得到髖部沖擊器試驗(yàn)總分。仿真計(jì)算中采用的4個(gè)碰撞位置相對(duì)于EuroNCAP指定試驗(yàn)區(qū)域的分布情況。本文中以髖部沖擊器的沖擊反力合力為主要研究對(duì)象，因此EuroNCAP得分的計(jì)算以合力峰值為依據(jù)，未考慮其彎矩情況。假設(shè)區(qū)域(1)和區(qū)域(3)對(duì)稱，則在廠商贊助EuroNCAP加試碰撞位置的前提下(即每個(gè)區(qū)域在a、b兩個(gè)子區(qū)內(nèi)均進(jìn)行髖部沖擊器碰撞試驗(yàn))，模型A和模型B的得分分別為1.4和3.6。可以看出，通過增設(shè)可變形吸能結(jié)構(gòu)和削減局部結(jié)構(gòu)剛度等措施，該車型的碰撞結(jié)果得到明顯改善。

3結(jié)論

髖部沖擊器碰撞試驗(yàn)中的輸入能量由車輛前端幾何參數(shù)決定，并對(duì)損傷指標(biāo)具有顯著影響。合理的造型設(shè)計(jì)可有效降低碰撞能量輸入，有利于車輛對(duì)行人髖部的碰撞保護(hù)。盡管實(shí)際上髖部沖擊器與機(jī)罩前緣的碰撞波形難以達(dá)到理想方波，但分析表明碰撞輸入能量與機(jī)罩下方最小吸能空間的需求仍是一一對(duì)應(yīng)的。當(dāng)汽車前端造型固定，即碰撞輸入能量確定后，就須通過機(jī)罩內(nèi)部部件的合理設(shè)計(jì)與布置來改善髖部沖擊器的碰撞波形，降低損傷指標(biāo)的峰值，使之接近理想方波，以充分利用吸能空間，提高車輛的行人保護(hù)性能。分析汽車前端造型因素與髖部沖擊器碰撞參數(shù)輸入之間的關(guān)系，提出了基于碰撞能量約束的車輛前端外輪廓設(shè)計(jì)方法，并基于某實(shí)車建立起髖部沖擊器與車輛前端碰撞模型，對(duì)其行人髖部碰撞性能進(jìn)行了分析評(píng)估。在輸入能量不變的情況下，針對(duì)行人髖部保護(hù)進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。仿真計(jì)算結(jié)果初步表明，所提出的若干結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)對(duì)提高髖部碰撞保護(hù)性能是有效的。本文中僅以髖部沖擊器反力峰值的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行車型改進(jìn)前后髖部碰撞保護(hù)水平的相對(duì)比較，且只針對(duì)髖部碰撞保護(hù)的要求。在下一步的研究中，須進(jìn)一步考慮髖部沖擊器的最大彎矩情況;并顧及其他設(shè)計(jì)要求，如保險(xiǎn)杠系統(tǒng)須滿足低速碰撞要求，機(jī)罩的改進(jìn)設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)散熱、降低車身噪聲和振動(dòng)性能等。

作者：聶冰冰夏勇黃俊周青劉奇杜漢斌單位：清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心