基于行人保护要求的前围上部结构分析

孙风蔚，刘文晶，闯超，许方敏



基于行人保护要求的前围上部结构分析

孙风蔚，刘文晶，闯超，许方敏

（浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江 宁波 311336）

通过对行人保护法规的学习，进行成人头部碰撞区域的车身结构分析，得到了以下结论：车身前围上部钣金结构设计对成人的头部伤害具有重要的影响。从理论上分析车身前围上部钣金结构的可行性，并结合CAE虚拟分析结果，最终得到前围上部钣金结构设计的要点。在前围上部钣金的结构设计过程中，需要在成人头部碰撞力的传递路径上增加传力引导面，同时减少钣金设计的局部剧烈变形结构，以便保证前围上部钣金的变形溃缩模式，增加碰撞能量的吸收，减少碰撞的反作用力，从而降低成人头部的伤害程度，保证行人头部安全，为后续行人保护过程中的前围上部结构设计提供指导。

行人保护；前围上部；结构分析；碰撞安全

引言

行人保护是汽车安全发展的一个重要研究课题。行人身体各部位的伤害，包括头部、面部、颈部及臀部、腿部等，尤其是头部的伤害可能直接导致行人死亡。所以在汽车设计过程中，必须针对这些部位的车身结构进行优化，减少或者避免行人伤害。目前关于行人保护的研究课题基本都局限于车身与行人直接接触的外部结构及内部空间布局的优化，如针对行人头部的保护，目前倾向于设计隐藏式的通风盖板及从前期造型上设计让发动机罩后面的行人基准线划分在发动机罩的后边缘上而不是直接落在通风盖板上，避免通风盖板上雨刮电机及雨刮轴等硬点对行人头部的伤害[1-2]；同时对发动机罩的结构进行优化，增加缓冲吸能特性保护行人头部，如设计蜂窝状的发动机罩内板或者采用铝质发动机罩[3]；此外，在造型设计初期，针对发动机舱内影响行人保护的硬点，如蓄电池、保险丝盒、空气滤清器、发动机罩盖锁扣、发盖铰链等，就需要考虑空间需求，增加头部碰撞的缓冲空间或者将一些硬点布置在碰撞测试区域外[4]。本文以车身结构设计为基础，从内部车身结构上分析头部碰撞受力的路径，进行力的引导和分散，从而保护成人头部，减少伤害。

2 前围上部与行人保护关系

图1是行人保护测试区域示意图，图中红色线圈标记区是成人头部碰撞区域涉及到的车身局部结构，可以看出成人头部碰撞区域的车身结构主要由五部分构成，除了外观可见的①发动机罩、②通风盖板和⑤前风挡玻璃之外，还有车身内部钣金结构③前围导水主板和④前围上部。从图示标记区结构中可以看出，当直径为165mm的球与前风挡玻璃接触时，其车身受力主要来自于前围上部，所以前围上部的结构设计，对行人头部碰撞受力的伤害程度起着重要作用，如何使前围上部在受力时可以将受力快速的传递扩散或者吸收是设计的关键，也是保护头部碰撞安全的关键。

图1 行人保护测试区域示意图[3]

3 前围上部结构分析

图2 行人头部结构断面示意图

图2是针对行人头部碰撞区域的断面结构示意图，从图中可以看出，当直径为165mm的球碰到到前风挡玻璃上时，碰撞力传递到前围上部钣金上，前围上部钣金受压变形，对碰撞处产生反作用力。从图示中可以看出，前围上部支撑部位产生的反作用力与前围上部钣金的结构有关，反作用力沿着图示箭头方向旋转（β角增加），碰撞力传递路径减短，碰撞反作用力越大，行人头部伤害值越大。针对前围上部钣金的这种受力情况，设计了两种前围上部钣金结构，通过模拟分析行人头部受力情况，进行更进一步的结果对比，为后续前围上部钣金的结构设计提供理论指导，如图所示。

在理论上，对于图3中的设计方案1，前围上部结构在力的传递路径上增加了一个斜面，作为力的传递引导面，使α角增大减缓，便于前围上部结构受力溃缩变形吸收能量，从而减少力的传递，导致作用在前围上部钣金支撑点处的力减少，反作用力减少，进而减少行人头部的伤害值；图3中的设计方案2，前围上部结构无力的引导面，而是形成了一个近似直角的拐弯，α角直接增大，这种结构在受力过程中，拐角处容易引起受力集中，从而导致力的传递受阻，前围上部钣金不容易变形，而容易在拐角处形成反作用力的支撑点，导致碰撞反作用力大，增加行人头部的伤害值。

图3 前围上部钣金结构设计断面图

4 设计验证

图4是对图3中设计方案1的验证结果，图5是对图3中设计方案2的验证结果，从验证结果可以看出设计方案1相对设计方案2，在行人头部碰撞区域8个点的分值比较高（见图4中的三角标记区域），与前围上部钣金的结构设计理论分析结果相符。

图4 设计方案1行人头部碰撞分析结果

图6分别是图3中的设计方案1和方案2的行人头部碰撞变形示意图，从图中可以更形象的看出，方案1前围上部钣金比方案2压缩变形效果好，所以方案1对行人头部伤害值相对较小。

图6 行人头部碰撞变形示意图

5 结论

综述所述，在前围上部结构设计过程中，必须考虑钣金变形溃缩形式，力的传递模式，减少反作用力，保护行人头部安全。

1）前围上部结构上需要增加力的导引面，便于力的传递和变形吸能；

2）在力的传递路径上不能存在变形剧烈的结构，如直角拐弯；

3）前围上部钣金与前风挡玻璃的接触面，过多要平缓，图示中α要逐渐增加，而β要小。

[1] 吕晓江,王纯,刘卫国,马芳武,吴成明,赵福全.基于行人保护的乘用车前部造型设计优化[J].汽车安全与节能学报,2011,2(3): 206- 211.

[2] 简述汽车行人保护的现状与发展方向[J].汽车实用技术,2014, (9): 01-03.

[3] 刘庭志,陈吉清.汽车行人保护开发与研究进展[J].汽车实用技术, 2012, (1): 17-22.

[4] 林忠海,谢金金,秦璐,陈晓磊,苗强.造型设计阶段行人保护的设计[J].上海汽车, 2014, (1): 49-52.

Structure analysis of the cowl upper panel based on pedestrian protection

Sun Fengwei, Liu Wenjing, Chuang Chao, Xu Fangmin

( Geely Automobile Institute., Zhejiang Ningbo 311336 )

Through the study of pedestrian protection laws, adult head collision area of the body structure analysis, obtained the following conclusions: the upper parts of cowl panel structure design has important effects on adult head injury value. Theoretically, the feasibility of the cowl upper panel structure is analyzed, and the cowl upper panel structure design key points are finally obtained by combining the results of CAE virtual analysis. In the cowl upper panel structure design process, need to increase a guiding plane on the adult head collision force transfer path, at the same time reduce the local severe deformation structure of panel design, in order to ensure the cowl upper panel deformation collapse mode. And increase the collision energy absorption, reduce collision reaction, thus reduce the damage degree of adult head, to ensure the safety of pedestrian head. To provide guidance for the design of cowl upper panel in the future of pedestrian protection.

pedestrian protection; cowl upper panel; structure analysis; crash safety

B

1671-7988(2018)18-118-03

U462

B

1671-7988(2018)18-118-03

CLC NO.: U462

孙风蔚，就职于浙江吉利汽车研究院有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.040