浅析行人保护策略下的某汽车前部结构优化.docx

浅析行人保护策略下的某汽车前部结构优化

摘要：随着我国汽车工业得不断发展，关于汽车的安全性研究越来越深入。现在的汽车上已经配备了许多安全装置。这些安全装置能够比较好的保护车内成员得安全，在车辆进行碰撞时能很大程度得减小身体损伤。目前对于碰撞过程中行人的保护程度未能引起重视，使其成为容易受到损伤。因此，减小行人和车辆在碰撞中的损失有着重要意义。依据EEVC法规的标准对腿部和汽车模型的碰撞过程进行仿真，对车辆保险杠部分的结构进行了研究改进，降低碰撞时对行人小腿的损伤程度，增强所研究车辆对行人的保护作用。
关键词：行人保护、模型建立、前部优化
1.引言
从上个世纪70年代开始，国外有一大批研究者对此展开研究，研究车辆与行人碰撞过程中行人损伤的机理以及碰撞中汽车前部结构对行人损伤的程度大小，并设法降低其影响。2003年欧洲行人保护法规正式采EEVC(欧洲车辆安全委员会）工作组提出的一个行人碰撞方法。随着我国和国际的不断接轨，作为汽车安全重点之一的行人安全将会越来越受重视，成为今后汽车安全的主要方向之一。
我国标准为GB/T《汽车队行人的碰撞保护》法规于2007年就开始实施，这个法规的内容也是基于EEVC法规，其法规内容见表1-1所示。
表 1-1 GB/T 245502009法规细则

儿童头型
成人头型
小腿冲击器
大腿冲击器
冲击器质量
3.5kg
4.5kg
13.4kg
9.5kg
碰撞速度
9.7m/s
9.7m/s
11.1m/s
11.1m/s
碰撞角度
50º
65º
水平
水平
评价指标
2/3区域
HIC≦1000
1/3区域
HIC≦1700
2/3区域
HIC≦1000
1/3区域
HIC≦1700
小腿加速度≦170g
膝部剪切位移≦19º
最大冲击力≦7.5kN
最大弯矩≦510N·m

本文采用汽车安全委员会提出的行人冲击测试子系统模型作为行人腿部冲击器的有限元模型，该冲击器模型由三部分组成，分别代表人体下肢的皮肤、肌肉和骨骼。其中胫骨和股骨用半径 的圆柱体模拟。膝关节则由两个可变得刚体模拟,外面的肌肉为 厚，最外面的皮肤则为 厚，它处在最外层，包裹着里面的肌肉和骨骼。冲击器长度的要求为 质量的要求为 股骨质量的要求为 胫骨质量的要求为 为了保证模型的有效性，还对小腿冲击器进行静态弯曲和剪切验证试验。
2.碰撞生物力学的基本原理
在碰撞事故中，人体会受到各个方向上传来的力，这种力的大小、方向不一定，可能从任一方向传来，在这个力的作用下，人体受力的各个部分都会产生一种响应，如果这种响应超过了人体组织的承受极限或者因为此力的作用导致受力部位的生理功能发生改变，而对这个力的有关问题的研究就叫做碰撞生物力学。
穿透性损伤和非穿透性损伤合起来叫做碰撞损伤。穿透性损伤是力作用在一个面积很小的部位所造成的损伤。无穿透损伤则不一样，它复杂的多，多是由于受到一个比较钝的力的作用，与人体的各个部分产生撞击，其接触面积很大，比穿透损伤大得多。这种情况下也能导致无穿透性损伤的发生。在人车碰撞过程中，车辆乘员往往会承受上诉所有的载荷。
车辆每部分撞击行人的几率都不同。其中最多的为汽车的前部（占 67.1%），车身的两侧（占22.8%）和车身尾部（占7.0%）较少，而行人损伤几率最大的为下肢的小腿及大腿部分。且碰撞过程中二者直接接触的部位分别为下肢部分和车辆的前部结构，故本文将针对车身前部与行人的下肢部分碰撞时产生的保护作用进行优化研究。
3.碰撞时损伤机理
人体在与汽车的碰撞过程中,与汽车前部接触,受到来自汽车的外部载荷[6]。这些载荷会导致人体下肢的损伤,主要的损伤形式包括股骨骨折、膝关节损伤、胫骨和腓骨骨折等等。在碰撞过程中，行人下肢部分的骨头由于受到撞击传来的力，导致在骨头两边分别产生拉应力和压应力。而当这个力超过了身体所能承受的极限时，就会受到损伤。这个损伤的表现形式有很多种，如常见的骨折、骨裂等。
4小腿模型及前保险杠模型的建立
4.1运用 CREO 软件建立小腿的三维模型，将模型导入 ANSYS 中进行网格划分等一系列分析工作。建立的膝关节中心点距离股骨重心217mm，膝关节中心点距离胫骨重心为23mm。小腿的半径为 35mm。由于碰撞区域要求精确且要反映真实情况，所以选择的网格密度较大如图4-1所示。
图
4-1
将不带泡沫肌肉和皮肤的冲击器的小腿牢固地夹紧在固定的水平面上,将一个金属管牢固地连接在冲击器的大腿上。冲击器膝关节的旋转轴应垂直。不应对大腿和金属管支撑,以防出现异常摩擦。但是金属管和其他部件的质量(不包括腿型本身)对膝部关节中心产生的弯曲力矩不应超过25N.m。
图
4-2
由上图可以看出，小腿的弯曲角度在法规的标准规范内。
4.2保险杠在碰撞时可以吸收能量，所以用来保护行人记忆车辆的安全，缓解外部压力。在保险杠的研究过程当中，一方面注重在保持原有保护功能的基础，另一方面追求车辆的颜值以及车辆的轻量化，提高车辆的燃油经济性。碰撞过程中保险杠对行人的保护起着非常重要的作用。险杠总体分为两个大类，吸能和不吸能的保险杠，而现在一般车辆所采用的都是吸能的保险杠，又可以分为三个类别：普通式（自身吸能式）保险杠、液压杠式保险杠、气腔式保险杠。
首先建立某汽车的三维模型，再将模型导入ANSYS中进行有限元网格的划分以及材料的选用。本文研究的车辆参数如下：长为4053mm，宽为1740mm，高为1449mm，轴距为2564mm，保险杠离地高度为500mm。
将不带泡沫肌肉和皮肤的冲击器的小腿牢固地夹紧在固定的水平面上,将一个金属管牢固地连接在冲击器的大腿上,在距离膝部关节中心2m处将金属管约束。在金属管上距离膝部关节中心50 mm处沿水平方向施加法向载荷﹐记录膝部剪切位移。以0.1 mm/s-20 mm/s的速度施加载荷直到剪切变形超过7.0 mm或载荷超过6kN。
在车辆的前部结构的有限元模型中 保险杠蒙皮的材料选用材料库中的24号塑形线性模型 材料密度 设为 弹性模量E为 泊松比 屈服极限 单元类型则选用壳单元。
保险杠的横梁材料选用塑性材料 材料的密度 设为 弹性模量E为 泊松比 屈服极限 横杠的单元类型也采用壳单元
5.原始模型仿真试验分析
一项来自国际协调研究机构的调查报告显示,在汽车与行人碰撞的交通事故中,70％的车速都在40km/h以下,并且在此车速下的行人死亡率也高达26％。根据EEVC安全法规的规定，车辆的速度为40km/h，且冲击器的状态保持为竖直状态。对速度的方向也有要求，速度与水平方向的夹角≦2º。在碰撞过程中车辆不得与其他物体接触，试验时间为30s。对碰撞模型的试验结果进行分析，最后得出关于车辆对行人保护的两个指标：胫骨加速度和膝关节剪切位移。
6.某车型前部保险杠结构参数优化
6.1对保险杠高度的研究
汽车-行人碰撞过程中，防撞横梁的高度决定了小腿中间区域或膝盖区域的支撑点位置，进而影响整个小腿的运动姿态与伤害值针对不同前端结构的车型，适当改变防撞横梁的高度，有利于控制整个小腿的弯曲程度，更好地防护行人小腿。因此，在原始模型基础上，将防撞横梁的高度由500mm增加至600mm，对比分析小腿的剪切位移、加速度、弯曲角。
在实验中小腿防撞横梁上移100mm后，小腿弯曲角度从21.7°降为10.9°，剪切位移从4.9mm降为3.1mm，说明防撞横梁适当上移，可有效控制小腿变形模式，降低弯曲角和剪切位，特别是对于降低小腿弯曲角度非常明显。然而，Opt_20mm_120mm方案相比Base_20mm，小腿吸能空间没有改变，仍为20mm，故小腿加速度并没有下降，反而略微增大。说明通过上移防撞横梁高度，不增大吸能空间，对降低小腿弯曲角和剪切位移有利，但不能降低小腿加速度，欲降低小腿加速度，仍需要增大吸能空间。
6.2保险杠宽度的研究
在行人与汽车发生碰撞时，车速一定的情况下，保险杠的宽度和接触面积程正比，碰撞接触的面积越大，单位面积的受力越小，伤害的程度也就越轻。
总结：
参数优化分析得出如下结论：
1）增大小腿吸能空间，可同时降低加速度、小腿剪切位移、弯曲角，小腿加速度降低非常明显。
2）通过上移防撞横梁位置，可降低小腿弯曲角、剪切位移，尤其是对弯曲角度降低效果非常明显，但是该方案吸能空间未增加，小腿加速度并没有降低，上述参数优化间接说明仅上移防撞横梁、不增大吸能空间，对小腿加速度无实质性改善，欲降低加速度峰值，增大吸能空间是必要条件。故新车型在工程设计阶段应根据不同的伤害指标情况，设计不同的方案。
参考文献：
[1]李兆凯,余强,赵轩,陈俊杰,范起飞.汽车前部结构低速碰撞耐撞性与轻量化优化[J].中国公路学报,2016,29(10):149-158.
[2]乌秀春,周盼,郑文强,鲁宏升.行人腿部保护汽车前部结构优化[J].机械设计与制造,2015(07):87-90.
[3]曹立波,邓智伟,叶灵东. 行人综合保护的汽车前部结构参数优化研究[A]. Hunan University,China.Proceedings of the 8~(th) International Forum of Automotive Traffic Safety[C].Hunan University,China:湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,2010:8.
[4]辛丕海,汪伟康,王宇.基于RBF近似模型的汽车前部部件耐撞性优化[J].农业装备与车辆工程,2016,54(04):51-55.

-全文完-