聂冰冰，夏 勇，黄 俊，周 青，刘 奇，杜汉斌

(1.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084; 2.上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804)

前言

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(international road traffic and accident database, IRTAD)统计数据显示，2008年欧洲、美国和日本的行人死亡人数占道路交通事故总死亡人数的12%～33%[1]。在我国，由于人车混行道路大量存在，行人交通事故率更高。统计数字表明，2004-2007年间，中国行人死亡人数占交通事故总死亡人数的比例均在25%左右[2]。提高行人碰撞安全，降低交通事故中行人的伤亡率具有重要意义。

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[3-4]。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段[5]。Euro NCAP中对行人保护进行单独的星级评定，以区别于乘员安全保护星级评定。

对成年行人而言，髋部在行人碰撞事故中受到伤害的频率仅次于头和下肢[6-7]。国内行人保护法规与Euro NCAP中均要求车辆使用髋部冲击器进行冲击试验以检验车辆对行人髋部的保护性能[8-9]。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 leading edge 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[10]。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[11-12]。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，对车型的Euro NCAP得分有明显影响[13-14]。

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[15]。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[14]。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。

1 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，其中输入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。

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[16]。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[12]。

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=0)，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，利用截面中一条与垂线成20°的斜线α和保险杠廓形的接触点，确定保险杠上参考点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β；

(3) 确定车型BLEH的上限值hBLE，并按其高度确定曲线β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γ；

(5)α、β与γ3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[12]。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[17]。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[20]，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、下支撑件等)和风窗玻璃等部件。模型外观如图4所示，约含20万个单元，在截面处约束各点运动自由度。

为方便表达，将此样车模型记为模型A。为了验证模型A的准确性，实施了样车前端髋部冲击器碰撞试验，试验中选定的碰撞位置沿车辆横向的坐标值为Y=350mm，试验中碰撞位置信息和试验结果如表1所示。为进行对比，在有限元模型中就同一位置进行了碰撞仿真，结果如图5所示。由图可见，仿真计算得到的髋部冲击器合力曲线与试验结果比较吻合。两者的差异可能存在多方面的原因，如仿真模型本身的保真度高低，实际试验条件与仿真条件可能不完全匹配，传感器测量结果误差等。另外，对比不同文献给出的髋部冲击器标定结果时可以发现，在标定结果都满足试验要求的情况下，标定试验曲线也存在明显不同[21-22]，因此，本文中的计算结果仅用于车型改进前后髋部碰撞保护水平的相对比较。

表1 髋部冲击器碰撞位置几何信息和试验结果

2.2 髋部冲击器与样车前端碰撞仿真

为对样车的髋部碰撞保护性能进行评估，选取机罩前缘上的4个碰撞位置进行仿真计算，各碰撞位置沿车辆Y向的坐标值如图6所示，其中碰撞位置1位于机罩前缘中心。表2给出各碰撞位置对应的样车几何信息和试验参数。由表可见，各个碰撞位置对应的髋部冲击器输入能量均接近700J，即法规试验要求的上限值。表3给出了髋部冲击器与模型A碰撞的仿真计算结果。

表2 对应各碰撞位置的样车几何信息和试验参数

表3 模型A的碰撞计算结果

图7给出了髋部冲击器碰撞过程中位置1和位置4的冲击反力-位移曲线。可以看出，该车型的主要问题是位置1处结构整体偏软，保留了较大的吸能变形空间，碰撞波形不够合理。尽管冲击反力峰值低于Euro NCAP满分标准5kN，但髋部冲击器在碰撞过程的侵入位移较大，达到163mm；位置4处冲击反力过高，碰撞波形的形状与理想的矩形方波差别较大，出现了3个明显的波峰，这种多峰波形的出现，一方面是由于部件的刚度设计和空间布置不够合理；另一方面是由于机罩与下方刚性部件之间的预留空间较小，髋部冲击器在二次、三次碰撞时仍然具有较高的动能。

2.3 各碰撞位置结构改进的概念设计

在不同的碰撞位置，髋部冲击器所受的冲击反力合力峰值是由不同的结构特征造成，因此改进设计应结合各个碰撞位置的局部构造有针对性地进行。需要指出的是，由于髋部冲击器表层覆盖泡沫软材料的存在，它在与车辆接触时受力曲线会经历一个斜率相对较小的上升过程，该过程无法避免。在改善波形时主要针对泡沫压实和车辆结构开始变形之后的碰撞历程，本文中侧重于髋部冲击器碰撞保护的概念设计，未纳入对其他因素的综合考虑(如部件连接、布置、总体刚度和成本等)。

2.3.1 中央碰撞区

针对中央碰撞区(位置1，Y+000)，通过在中央位置处机罩下方加装变形吸能件，可以利用其在髋部冲击器碰撞过程的变形吸收碰撞能量，改善髋部冲击器波形。设计中板件建模选用弹塑性材料(对应LS-DYNA软件中的24号材料)。第1种设计方案采用阶梯状变形吸能件，如图8(a)所示；第2种设计方案如图8(b)所示，即在上横梁与机罩之间加装一个梯形薄板件，该构件包括内外两件，其中外件能够使碰撞初期的冲击反力快速上升，以减小对吸能空间的需求，内件则用于保持平台力。计算结果表明，加装变形件有助于冲击波形形成良好的平台，髋部冲击器所需要的变形空间减小了10mm左右。

需要说明的是，车型的发动机罩锁件一般也位于中央碰撞区附近。由于锁件的结构刚度通常较大，往往会对髋部冲击器碰撞产生不利影响。本文中使用的样车有限元模型为发动机罩锁件预留出相应空间，但模型中并未考虑发动机罩锁件。在将此类方案应用于实车结构改进时，须结合实际锁件位置考虑其布置情况，进一步优化构件的材料和几何等参数，以得到良好的碰撞结果。

2.3.2 车灯尖角处

车灯尖角处(Y-356)的碰撞位置3下方变形空间较小，散热器上横梁支撑在车灯上方，髋部冲击器在碰撞过程中带动机罩等部件与其产生碰撞时，仍然具有较高的残余速度，从而产生了较高的受力峰值。由于车灯的存在使散热器上横梁难以向后下方移动，因此可将局部的散热器上横梁材料减弱，以降低构件的局部刚度。计算结果表明，冲击反力峰值降低了近2kN，髋部冲击器的反弹时刻推迟约7ms，最大位移增大了约10mm。

2.3.3 靠近机罩前缘边缘的车灯中央处

靠近机罩前缘边缘的碰撞位置4(Y-500)位于车灯中央，此处车灯灯罩材料刚度较大；部件布置紧凑，局部可变形空间小。髋部冲击器与之碰撞时有效位移较小，冲击反力的峰值较高。为降低结构的等效刚度，可以将灯罩所用材料聚丙烯的强度削弱。仿真结果表明，当其弹性模量由2.28GPa降为0.6GPa时，冲击反力峰值能够降低1kN左右，与此同时，髋部冲击器的最大位移增大了约10mm。

2.4 综合改进模型的碰撞计算结果

综合前3小节对车身模型的改进，即在中央碰撞区域加装碰撞吸能件，将两侧的散热器上横梁改为塑料件，并为车灯选用弹性模量较软的材料，得到的模型记为模型B。样车模型A与改进设计后的样车模型B计算结果对比如图9所示。可以看出，碰撞位置1处，模型B在保证冲击反力不超过髋部冲击器损伤耐受限度的情况下，冲击器位移明显减小，即所需要的变形吸能空间减小，从而为车型部件布置提供了更大的自由度；碰撞位置3和4处，髋部冲击器所受合力峰值明显降低。因此，各个位置的碰撞结果均有显著改善。

在Euro NCAP对行人髋部碰撞保护性能的评分方法中，对髋部冲击器的损伤参数(冲击反力合力峰值和弯矩峰值)分别规定两个极值，其中高要求极值对应满分，低要求极值对应零分，处于两个极值之间的试验结果采用线性插值的方式计算相应得分。每次试验须分别计算合力或弯矩得分，取二者的较小值作为该碰撞位置的得分。Euro NCAP试验方法中将车辆机罩前缘划分为(1)、(2)、(3) 3个区域，每个区域又包括a或b 2个子区，如图10所示。如果汽车厂商赞助Euro NCAP加试，每个区域内最多可进行两次髋部冲击器试验，并取二者的均值作为该区域的得分，最后仍将3个区域的分值累加；若汽车厂商不赞助Euro NCAP加试，每个区域内只进行一次髋部冲击器碰撞试验，按试验结果计算该区域得分，最后对3个区域的分值进行累加，得到髋部冲击器试验总分。

图10中还给出了仿真计算中采用的4个碰撞位置相对于Euro NCAP指定试验区域的分布情况。本文中以髋部冲击器的冲击反力合力为主要研究对象，因此Euro NCAP得分的计算以合力峰值为依据，未考虑其弯矩情况。假设区域(1)和区域(3)对称，则在厂商赞助Euro NCAP加试碰撞位置的前提下(即每个区域在a、b两个子区内均进行髋部冲击器碰撞试验)，模型A和模型B的得分分别为1.4和3.6。可以看出，通过增设可变形吸能结构和削减局部结构刚度等措施，该车型的碰撞结果得到明显改善。

3 结论

髋部冲击器碰撞试验中的输入能量由车辆前端几何参数决定，并对损伤指标具有显著影响。合理的造型设计可有效降低碰撞能量输入，有利于车辆对行人髋部的碰撞保护。尽管实际上髋部冲击器与机罩前缘的碰撞波形难以达到理想方波，但分析表明碰撞输入能量与机罩下方最小吸能空间的需求仍是一一对应的。当汽车前端造型固定，即碰撞输入能量确定后，就须通过机罩内部部件的合理设计与布置来改善髋部冲击器的碰撞波形，降低损伤指标的峰值，使之接近理想方波，以充分利用吸能空间，提高车辆的行人保护性能。

分析汽车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了分析评估。在输入能量不变的情况下，针对行人髋部保护进行了局部结构的改进设计。仿真计算结果初步表明，所提出的若干结构改进设计对提高髋部碰撞保护性能是有效的。

本文中仅以髋部冲击器反力峰值的计算结果进行车型改进前后髋部碰撞保护水平的相对比较，且只针对髋部碰撞保护的要求。在下一步的研究中，须进一步考虑髋部冲击器的最大弯矩情况；并顾及其他设计要求，如保险杠系统须满足低速碰撞要求，机罩的改进设计应保证发动机散热、降低车身噪声和振动性能等。

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