针对行人髋部碰撞保护的汽车前端造型与结构概念设计研究

万方数据
２０１４（Ｖ０１．３６）Ｎｏ．３
聂冰冰，等：针对行人髋部碰撞保护的汽车前端造型与结构概念设计研究
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大小。从实际算例和实验结果来看，冲击反力与弯 矩之间存在一定的比例关系㈣Ｊ，过高的合力峰值是 导致髋部冲击器碰撞结果较差的主要原因，因此在 概念设计中以冲击反力峰值作为主要研究对象。结 构设计目标为在不增加变形吸能空间的前提下，降 低冲击反力峰值；或在不提高冲击反力峰值的情况 下，减小所需要的变形吸能空间。 ２．１样车前端模型的建立 本文中使用的样车前端结构模型保留了Ａ柱前 与行人冲击器相接触和对其损伤有较大影响的部 件，具体包括：机罩及其附属部件、车灯、翼子板、散 热器、前保险杠总成（蒙皮、横梁、吸能盒、下支撑件
１
图２髋部冲击器与机罩前缘碰撞试验的能量输入曲线
在实际的造型设计过程中，进气格栅是汽车前 部重要的造型元素，它直接影响整车造型设计风 格¨６｜。通过降低进气格栅高度，使车辆前端造型更 加扁平，能够相应降低机罩前缘高度，从而减小髋部 冲击器的初始碰撞能量。汽车前大灯一般局部结构 刚度较大，也是髋部冲击器碰撞的关键区域，依据行 人碰撞要求相应改变大灯造型设计与空间位置，可 以设法将其布置在髋部碰撞区域之外。部分现有车 型中在车大灯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，降低行人保护要求对 于车灯造型的限制¨２｜。 １．２基于碰撞能量约束的车型前端外轮廓设计 结合上述分析可以发现，在车型设计早期，可以
Ｊ。
输人能量与吸能变形空间的需求正相关；另一方面， 碰撞接触面积、碰撞区域内结构件（如上横梁、机罩 锁、车大灯和进气格栅等）的布置与髋部冲击器的损 伤参数密切相关。图２给出髋部冲击器与机罩前缘 碰撞试验中用于确定初始能量输入的曲线，可以看 出，初始能量输入对于机罩前缘高度（ＢＬＥＨ）非常敏 感。因此，对机罩前缘较高的车型，髋部冲击器碰撞 试验往往初始输入动能较高，测试结果相对较差。
髋部冲击器碰撞试验的初始输入动能、碰撞速度和 碰撞角度等试验参数由车辆前端造型的几何参数发 动机罩（下简称“机罩”）前缘高度（ｂｏｎｎｅｔ
ｅｄｇｅ ｌｅａｄｉｎｇ
ｈｅｉｇｈｔ，ＢＬＥＨ）和保险杠前缘长度（ｂｕｍｐｅｒ
ｌｅａｄ，ＢＬ）决定。主要损伤参数包括髋部冲击器所 承受的冲击反力峰值与弯矩峰值，碰撞结果受到机 罩前缘部件结构设计和布置的影响，并且对试验参 数比较敏感，具有一定的离散性¨０｜。行人髋部碰撞 区域位于机罩前缘，涉及前大灯和发动机进气格栅 等部件，该区域部件布置较为复杂，针对髋部碰撞保 护的设计难度较大¨１。１２ Ｊ。相比其他行人冲击器碰 撞试验，髋部冲击器试验的结果更容易超标，对车型
要意义。
行人事故在汽车交通事故中占有很高的比例。 世界道路交通与事故数据库（ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ
ａＩｌｄ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｒｏａｄ ｔｍ伍ｃ
汽车车身前端造型及结构设计直接影响到其行 人碰撞保护性能∞‘４Ｊ。从２００５年起，在欧盟国家销 售的乘用车必须满足行人保护法规的第一阶段要 求，自２０１０年９月起，开始实施更加严格的第二阶
图５仿真计算结果与试验对比曲线
计算结果仅用于车型改进前后髋部碰撞保护水平的
参考点Ｍ；
（２）依据法规给定曲线（图２），确定５００Ｊ能量 对应的各组ＢＬＥＨ和ＢＬ，描点连线得曲线ＪＢ； （３）确定车型ＢＬＥＨ的上限值九。比，并按其高 度确定曲线ｐ上的一点Ｎ； （４）从点Ｎ处作一条截面中与地面交角４０。的 直线ｙ； （５）ａ、卢与ｙ ３条直、曲线，去掉它们交点以外 的无效线段后，共同组成该截面的一条组合约束线。 沿车辆横向（即保险杠的长度方向）取若干平
行人髋部碰撞区域的造型分析
１．１造型因素对髋部冲击器碰撞影响的分析
图１为髋部冲击器与机罩前缘碰撞试验示意 图。汽车前端造型因素对髋部冲击器碰撞结果的影 响体现在两方面，一是前端造型的几何尺寸决定了 髋部冲击器的碰撞输入能量、初始速度与角度，其中 万方数据
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汽车工程
２０１４年（第３６卷）第３期
ｉｍｐａｃｔｏｒ ａＩｌｄ ｔ｝ｌｅ
ｅｎｇｉｎｅ ｈｏｏｄ舶ｎｔ
ｅｄｇｅ ｏｆ
ａ
ｒｅａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｂｕｉｌｔ．Ｗｉｔｌｌ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅ
ｐｅ面珊ａＩｌｃｅ
ｏｎ
ａｓ
ｏｆ ｔ｝ｌｅ
ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｕｐｐｅｒ ｌｅｇ ｉｍｐａｃｔ ｐｍｔｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓ佃ｕｄｔｕｒｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｂａｓｅｄ １０ｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ
ｏｎ
ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｕｐｐｅｄｅｇ ｉｍｐａｃｔ
ａｎａＬｌｙｚｅｄ，
ｖｅｈｉｃｌｅ ｈ＿ｏｍ—ｅｎｄ ｓｔｙｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｌｏｗｅｒ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇ），ｉｎｐｕｔ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ
ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｌｌｅ ｉｍｐａｃｔ ｂｅ伽ｅｅｎ
ｕｐｐｅｒ
ｌｅｇｆｂｍ ｓ咖ｃｔｕｒ８ｌ
ｃａｎ
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ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｐｅａｋ ＶａＬｌｕｅ ｏｆ
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ｉｎｄｅｘ，ｐｒｏＶｉｄｉｎｇ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｌｌｅ ｓｔｙｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｍｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ
ｏｆ ｒｅａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈｅｒ Ｅｕｍ ＮＣＡＰ ｒａｔｉｎｇ．
缘等）也有不同的要求‘１８。１９｜，这些因素均应在车型 设计早期予以兼顾。
２机罩前缘结构改进设计
行人冲击器碰撞均集中在车辆前端的局部区 域，输入动能相对较小，对模型保真度要求较高。本 文中利用ＬＳ・ＤＹＮＡ软件建立了样车前端有限元模 型，与实际试验值进行了对比分析，通过机罩前缘不 同位置的碰撞仿真计算对现有车型的髋部碰撞保护 性能进行评估，找出损伤参数超标的区域，并从其结 构刚度、质量分布和边界条件特征等方面对结果进 行分析。 髋部冲击器碰撞可视为一维运动，主要考查髋 部冲击器在平动过程中受到的冲击反力合力和弯矩
ＮｃＡＰ
关键词：行人髋部碰撞保护；汽车前端造型；结构概念设计；Ｅｕｒｏ ＮＣＡＰ评价
Ａ Ｓｔｕｄｙ
ｏｎ
Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｆｒｏｎｔ—ｅｎｄ
Ｓｔｙｌｉｎｇ
ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｃｏｎｃｅｐｔ
Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ Ｕｐｐｅｒ Ｌｅｇ Ｉｍｐａｃｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
Ｎｉｅ
ＢｉＩｌｇｂ咄１，】｜【ｉａ
（ａ）确定保险杠上参考点
（ｂ）确定对应固定能量输入的ＢＬＥＨ，ＢＬ曲线
●
（ｃ）确定车型ＢＬＥＨ上限
●
（ｄ）造型约束面
（ｅ）造型设计举例
图３
以降低碰撞能量输入为目标的车型外轮廓设计步骤
行于纵向对称面的截面（对应于不同的碰撞点），分 别按上述步骤求得该截面的组合约束线；这些组合 约束线将构成一个约束曲面。只要汽车前端造型设 计的曲面在约束曲面之下，即可保证碰撞输入能量 不超过设定值。 汽车造型对于行人碰撞试验结果有明显影响。 在实际工程中，车辆开发早期的造型设计阶段就应 考虑行人保护要求，以降低工程开发难度，改善车辆 的行人保护性能¨２｜。需要指出的是，髋部冲击器对 不同位置的结构刚度的敏感程度不同，髋部冲击器 下部受力往往对冲击反力的峰值影响更明显¨７ Ｊ。 因此，接触点局部造型（尤其是局部的弧度设计）以 及由此引起的局部刚度变化等，对髋部冲击器碰撞 结果也会产生影响。此外，汽车低速碰撞和行人腿 部碰撞保护等对汽车前端设计（如前车灯和机罩前
＆卵阳ｒｄｓ：ｐｅｄｅｓｔｒｉ锄ｕｐｐｅｒｌｅｇ
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字表明，２００４—２００７年间，中国行人死亡人数占交通
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事故总死亡人数的比例均在２５％左右旧Ｊ。提高行 人碰撞安全，降低交通事故中行人的伤亡率具有重
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ｉｍｐａｃｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔａｋｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｓｕｃｈ
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ｆｏｍａｂｌｅ
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的Ｅｕｒｏ ＮＣＡＰ得分有明显影响¨３‘１４ Ｊ。
图１
髋部冲击器与机罩前缘碰撞试验示意图
为避免髋部冲击器在碰撞初始与机罩下方的硬 点产生接触，产生过高的冲击反力，须在髋部冲击器 的碰撞位置下方保留一定的碰撞吸能空间。研究表 明，在保证冲击反力不超标的情况下，髋部冲击器的 碰撞输入能量与对机罩下方最小吸能空间的需求一 一对应，即碰撞初始输入能量越高，需要的吸能空间 越大¨５１。通过车辆前端造型设计的控制，可以有效 降低髋部冲击器的碰撞输入能量。在髋部冲击器碰 撞输入能量一定的情况下，通过机罩下方部件的合 理设计与布置可以改善髋部冲击器的碰撞波形，降 低损伤指标的峰值，减小一定的Ｅｕｒｏ ＮＣＡＰ得分要 求下所需的变形吸能空间，改善髋部冲击器碰撞结 果¨４｜。本文中分析了车辆前端造型因素与髋部冲 击器碰撞参数输入之间的关系，提出了基于碰撞能 量约束的车辆前端外轮廓设计方法，并基于某实车 车型建立起髋部冲击器与车辆前端碰撞模型，对其 行人髋部碰撞性能进行分析评估，就局部结构进行 了针对行人髋部保护的概念设计。
一定的碰撞能量输入作为设计目标，对车型外轮廓 设计进行约束，从而为后续针对髋部碰撞保护的部 件结构和布置设计提供便利。在前保险杠系统方案 确定后，车型外轮廓线在能量约束条件下的设计步 骤如图３所示。首先选取车型正中心截面，即车辆 纵向对称面（ｙ＝Ｏ），设定一个碰撞输入能量（比如 ５００Ｊ），按以下步骤求得对应该输入能量的组合约 束线： （１）按照法规要求，利甩截面中一条与垂线成 ２０。的斜线仅和保险杠廓形的接触点，确定保险杠上