车辆前保险杠结构分析优化设计

刘向丽

（山西大同大学教学实验与实训中心，山西大同 037000）

0 引言

我国属于人口密度较大的国家，城市中行人被撞的事故很多，因此在2010 年我国就制定了在汽车碰撞行人保护方面的国家标准，颁布了GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》。在此规范中，行人的保护冲击器为刚性腿[1]。但是在2014年，欧洲对新车的规范Euro-NCAP《欧洲新车评价规程评价》中，改用柔性腿作为行人碰撞保护的评价指标[2]。行人碰撞保护的欧洲法规ECER127《行人保护法规 划线及定点》，从2015年也开始使用柔性腿。本文通过有限元碰撞法，对行人的刚性腿（TRL）和柔性腿（Flex-PLI）进行碰撞研究分析，并根据分析结果对汽车前端结构优化提供方向，为以后的结构设计方向提供依据。

1 柔性腿和刚性腿的伤害指标

刚性腿被碰撞后有3 个伤害指标，分别是膝关节的剪切方向位移，膝关节的弯曲角度和胫骨的加速度值。柔性腿对股骨、胫骨和膝关节分别有弯矩指标，此外还对膝关节的韧带伸长量和胫骨弯矩有指标，其中的股骨弯矩目前只作为监控值，不作为评定伤害的指标。膝关节韧带伸长量包含4 个部分：前十字交叉韧带（ACL），后十字交叉韧带（PCL），内侧副韧带（MCL）和外侧副韧带（LCL）。这4 个部分中仅外侧副韧带（LCL）伸长量作为监控值，其余3 项均作为评定被撞击后的伤害指标。胫骨的弯矩也包含4 个部分，分别是上部弯矩（Tibia1)、中上部弯矩（Tibia2）、中下部弯矩（Tibia3）和下部弯矩（Tibia4），这4 个部分均作为评定被撞击后的伤害指标。

对比评定刚性腿和柔性腿被碰撞后的伤害指标可知，胫骨和膝关节是评定伤害的主要部分。评价骨折的风险主要依据刚性腿的胫骨加速度和柔性腿的弯矩，评价膝关节受伤的风险主要依据刚性腿的弯曲角度、剪切方向位移和柔性腿的韧带伸长量。我国的GB/T 24550—2009 和欧洲规范ECER127对行人小腿碰撞的指标和评定值见表1 所示，其中g 为重力加速度。

表1 两种规范对行人小腿碰撞的指标和评定值

2 行人小腿碰撞有限元模型

行人小腿的碰撞研究区域主要为车辆的前端系统，包含保险杠及其他吸收能量的装置。整个有限元模型采用高级前处理软件Hypermesh 搭建，网格类型均为四边形壳单元，白车身部分网格尺寸10 mm，保险杠部分为撞击区域，为了计算结果的精确性此区域采用5 mm 的网格尺寸。约束条件为约束汽车模型的6个自由度，不对腿模型进行约束。载荷为腿模型的速度，初始速度为40 km/h，方向为正常坐标系的X 负方向。对腿部模型和汽车保险杠设置面—面接触对，摩擦系数为0.2。汽车的有限元模型中，防撞梁在Y 向的长度范围：-598 mm～+598 mm，保险杠两侧在Y 向上对应的宽度：-500 mm～+500 mm。其中，刚性腿的模拟区域为保险杠两侧在Y 向的位置：-500 mm～+500 mm，监测区域：-434 mm～+434 mm；而柔性腿的模拟区域为保险杠的角和防撞梁的最外侧区域：-598 mm～+598 mm，监测区域：-556 mm～+556 mm。

3 有限元分析结果分析

进行有限元分析时，令汽车从Y0位置每隔0.1 m 进行一次碰撞模拟，同时还要有保险杠最外侧的检测点。其中，刚性腿的检测点在Y434处，而柔性腿的检测点在Y556处。用Altiar 公司Hyperworks 软件中的Radioss 求解器进行求解计算，两种腿型的计算结果分别见表2 和表3。

从表2 可知，刚性腿模型和柔性腿模型的碰撞结果整体是一致的，刚性腿的胫骨减速度值和柔性腿的胫骨弯矩值在Y0至Y300区间均超过了评价阀值。对于胫骨，两种腿型在受伤害的程度上很接近。但是就胫骨而言，刚性腿型只有一个减速度指标，结构优化起来较容易，然而柔性腿对胫骨有4 个弯矩指标。由表3 可看出，中上部弯矩（Tibia2）和中下部弯矩（Tibia3）在Y100至Y200区域均超过伤害指标值，结构优化时要从考虑这两个弯矩情况。有限元碰撞计算结果中膝关节的弯曲角度会随着碰撞点沿着保险杠两侧偏移而增大，这点与柔性腿的计算结果趋势具有一致性。这是因为保险杠的两侧弧度比中间区域大，更容易对腿部造成弯曲，因此膝关节在保险杠两侧的碰撞高于伤害指标值。

表2 刚性腿型有限元碰撞仿真结果

表3 柔性腿型有限元碰撞仿真结果

由上述分析可知，在仿真结果方面，刚性腿和柔性腿的计算具有一致性，但是柔性腿无论是所要求的伤害指标内容还是指标值均比刚性腿要严格，因此必须对针对柔性腿的仿真结果对车辆前端结构进行优化设计。

4 结构优化以及仿真计算

从表3 可知，柔性腿中的中上部弯矩（Tibia2）和中下部弯矩（Tibia3）超过伤害指标值340 N·m，需要找出造成这两个指标超标的原因并设法解决。分析可知，小腿支撑结构（小腿梁）的刚度过大是造成胫骨下部弯曲的主要原因，因此要提高保险杠底部的吸收能量能力。在原来的结构中，为提高保险杠的弯扭刚度，小腿支撑结构分布了较大交叉分布的加强筋，刚度过大，在碰撞过程中吸收能量的能力大大降低，因此会对人的小腿造成较大伤害。在保证保险杠弯扭刚度超过设计目标值的前提下，去掉多余的加强筋，使其具有较强的吸收能量能力，从而起到保护行人小腿的作用（图1）。

图1 优化前、后小腿梁支撑结构

由优化前、后Y0位置有限元计算伤害值对比表可看出，结构优化后，中上部弯矩（Tibia2）和中下部弯矩（Tibia3）伤害指标均在一定程度上有所下降，虽然膝关节位置处的韧带伸长量有所变大，但仍然在安全范围内（表4）。因此可得出结论：胫骨碰撞后的弯矩程度与小腿梁的刚度成正相关，与膝关节内侧副韧带的伸长量呈负相关。

表4 优化前、后Y0 位置有限元计算伤害值对比

5 结论

（1）柔性腿的相关伤害指标比刚性腿的更全面，能更好地反映行人腿部被撞击后的伤害情况，保险杠两侧的弧度越大、对行人小腿膝关节部位造成的伤害越大。

（2）根据有限元分析和优化的结果可知，胫骨弯矩指标会随着小腿梁支撑刚度的减小而减小。车身前端结构优化后，车身碰撞Y0位置的中上部弯矩（Tibia2）、中下部弯矩（Tibia3）和下部弯矩（Tibia4）会分别减小33.36%、36.16%和17.53%，因此合理降低小腿梁支撑结构的刚性，能显著降低行人被碰撞后的伤害。