行人保护柔性腿型碰撞的车辆前端结构优化设计

。行人是交通中的弱势群体，行人腿部又
是最易受到伤害的部位之一。据调查，行人伤害达到简 化伤害标准 （abbreviated injury score，AIS）2 级以上 的身体伤害区域中，下肢的伤害比例为 34%，而 44.2% 的下肢损伤是由汽车前保险杠的碰撞引起的 [3]。在发 生下肢碰撞时，碰撞力和可能的腿部轴向扭矩相结合， 可以导致伤害成倍增加，随着车前的碰撞和随后行人下 肢的加速，行人腿部受到剪切力和弯曲力，从而导致长 骨骨折、膝盖骨破碎及韧带拉伤等伤害 [4]。为此英国的 运输研究实验室 (Transport Research Laboratory, TRL) 开发了欧洲强化车辆安全委员会（European Enhanced Vehicle Safety Committee, EEVC) WG17 行人腿型冲击 器，但是该冲击器胫骨 (tibia) 和股骨 (femur) 采用刚性 材料，膝部韧带采用钢板连接，其生物逼真性受到很 大影响，在测量伤害值方面未考虑到胫骨所受弯曲的 影响，存在一定局限性 。 2005-03-07 发布的全球技术法规 (global technical regulations, GTR) 行人保护法规建议稿 ，指出柔性 小腿 （flexible pedestrian legform, Flex PLI） 具有高精度 生物逼真度及优秀的伤害值评估性能，Flex PLI 应该 在未来作为唯一的腿部碰撞冲击器。2009-09-24 发布 了 GTR.9 第二阶段柔性腿型的内容 [7]，对 Flex PLI 结 构尺寸、试验标定、伤害值要求等进行了详细的描述。 2010-03-05 对 Flex PLI 部分内容进行了更正。技术评 审小组 (TEG) 建议各个成员组织引人 Flex PLI 时应考 虑 96 个月的过渡期。2010 年 TEG 完成了对 Flex PLI 的评估
（1. Geely Automobile Research Institute, Hangzhou 311228, China; 2. Zhejiang Key Laboratory of Automobile Safety Technology, Hangzhou 311228, China）
Abstract: The front-end structure of a developing car was optimized to achieve the target of Flexible Pedestrian Legform (Flex PLI) with a full mark of 6 score in a crash under the Euro-New Car Assessment Program (Euro-NCAP). The energy-absorbing devices for front cross members and lower braced structures were optimized using the Computer-Aided Engineering (CAE) technique. Soften-hole was widened to 35 mm, and conduct-surface was added against press-break for energy-absorbing devices. Two connective structures were removed from lower braced structures. The thickness oflower braced structures was reduced to 0.8 mm. The result shows that the absorbers perform better in deformation, and absorb 22 kJ more. The tibia-mid upper bending moment is reduced by 106 Nm. With the work of lower support, the middle part of legform moves 25 mm more in X direction while the bottom of legform moves 15 mm less in X direction, and reduces the medial collateral ligament elongation by 17.8 mm. Therefore, a full mark 6 is obtained. Key words: vehicle safety; pedestrian protection; flexible pedestrian legform (Flex PLI); front-end structure; optimization design; Euro-New car assessment program (Euro-NCAP)
Optimization design of front-end structure for flexible legform of pedestrian protection in crash
LV Chengwei 1, YANG Haiyan 1, LV Xiaojiang 1, ZHOU Dayong 1,2, LIU Weiguo 1,2
。
欧 盟 新车评 价规 程 （Euro-New car assessment program，Euro-NCAP） 也将行人保护碰撞做为其星级 评定的考察内容 [10]， 并在 2014 年行人保护安全评价中， 更新的小腿模型为 Flex PLI 柔性小腿，目前采用的是 TRL 刚性小腿。相比而言柔性小腿的伤害指标及评价 方法有很大更新。 主要影响行人保护小腿碰撞的车辆前端装置有： 前 保险杠 （包括散热格栅） 、前大灯、前横梁及吸能装置、 下支撑、发动机罩等。其中，对小腿碰撞最关键的影 响因素是前横梁吸能装置和下支撑。吸能装置位于前 横梁前端，其主要作用是吸收小腿碰撞时的冲击能量 和影响小腿运动姿态； 下支撑位于前横梁下端，安装在 水箱下横梁前端，其主要作用影响小腿的运动姿态。 本文针对某开发车型，对其前端结构进行优化，
[8~9] [6] [5]
1 Euro-NCAP 评价方法
1.1 指标描述
小腿伤害评价指标有 6 个，分为两类： 韧 带伸长量包 括前十字 韧 带伸长量 （anterior collateral ligament, ACL） 、 后十字韧带伸长量 （posterior collateral ligament, PCL） 、内侧副韧带伸长量 （medial collateral ligament, MCL） ； 胫骨弯矩包括胫骨上部弯矩 (tibia-upper bending moment)、 胫 骨 中上 部 弯 矩 (tibia-mid upper bending moment)、 胫 骨 中 下 部 弯 矩 (tibia-mid lower bending moment) [11]。
吕铖玮，等：行人保护柔性腿型碰撞的车辆前端结构优化设计
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在汽车安全研究领域里，行人保护安全是非常重 要的组成部分，行人保护设计与车辆前端造型、布置、 结构相关
[1~2]
最 终在计 算 机 辅助工 程 (computer-aided engineering, CAE) 基础上，达到了 2014 年最新 Euro-NCAP 评价体 系对小腿碰撞的满分要求。
吸能装置 下支�
以中间碰撞点 L,0 为例进行分析。小腿韧带伸长 量 结 果 为： PCL = 6.3 mm，ACL = 10.6 mm，MCL =
图 1 模型建立
22.1 mm。其中 MCL 超过了 Euro-NCAP 低标准要求， 致使该碰撞点韧带伸长量得 0 分。伤害值结果如图 5 所示。 小腿胫骨弯矩结果为：胫骨上部弯矩为 276.4 Nm， 胫骨中上部弯矩为 299.2 Nm，胫骨中下部弯矩为 209.4 Nm。其中胫骨中上部弯矩超过了 Euro-NCAP 高标准要 求，致使该碰撞点胫骨弯矩得 0.35 分。伤害值结果如 图 6 所示。 通过结合曲线和结果动画的观察，发现： 1）小腿的运动姿态有问题，当小腿的弯曲角度很 大时，小腿的韧带会被拉长较多，致使指标超标； 2）观察前横梁吸能装置的变形情况，发现其没有 充分压溃，余留大约 25 mm 空间 （如图 7 所示） ，这使
（1. 浙江吉利汽车研究院有限公司，杭州 311228，中国； 2. 浙江省汽车安全控制技术重点实验室，杭州 311228，中国）
（Flex PLI） 碰 摘 要：在开发某车型时，为达到 2014 年欧盟新车评价规程 (Euro-NCAP) 中柔性小腿 撞满分 6的目标， 对其前端结构进行优化。 运用计算机辅助工程(CAE) 技术， 优化前横梁吸能装置结构： 弱化孔宽度增加至 35 mm，并增加压溃引导面；优化下支撑结构：去掉连接件，并将下支撑前端面厚 度减少至 0.8 mm。优化后的吸能装置可以实现完全压溃，这使其本身的吸能增加 22 kJ，使小腿胫骨 中 上部弯矩降低 106 Nm ；与优化后的下支撑相配合，小腿的中部可以向 X 正向移动增加 25 mm，下部 向 X 正向移动减少 15 mm，使内侧副韧带伸长量降低了 17.8 mm。改进后的前端结构柔性小腿碰撞达 到满分。 关键词：汽车安全；行人保护；柔性腿型 (Flex PLI) ；前端结构；优化设计；欧盟新车评价规程 (Euro-NCAP) 中图分类号：U 491.61 文献标志码：A DOI ：10.3969/j.issn.1674-8484.2013.03.011
ISSN 1674-8484 CN 11-5904/U
汽车安全与节能学报 , 2013 年 , 第 4 卷 第 3 期 J Automotive Safety and Energy, 2013, Vol. 4 No. 3
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行人保护柔性腿型碰撞的车辆前端结构优化设计
吕铖玮 1，杨海燕 1，吕晓江 1，周大永 1,2，刘卫国 1,2
收稿日期 / Received ： 2013-06-03 基金项目 / Supported by ： 浙江省汽车安全技术研究重点实验室建设项目 （2009E10013） 第一作者 / First author ： 吕铖玮（1987—） ，男 （满） ，河北，工程师。E-mail: lvchengweixuying1@163.com
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汽车安全与节能学报
2013 年 第 Leabharlann Baidu 卷 第 3 期
此车型小腿碰撞点共 13 个，碰撞区域如图 2 所示。
图 2 Flex PLI-GTR 腿型
2.3
结果分析
通过 CAE 分析，此状态下车型的小腿碰撞结果标
示如图 4 所示，总分为 3.1 分。此车型前组合灯与前保 险杠 X 向空间较大，故前组合灯造成的影响很小。
1.2
评分方法
每个碰撞点评分方法： MCL 高标准 19 mm，低标
； 准 22 mm ； ACL 和 PCL 标准 10 mm （无高、低标准） 胫骨弯矩高标准 282 Nm，低标准 340 Nm。每个指标 小于等于高标准限值得 0.5 分，大于等于低标准限值得 0 分。总分 C 为 A （韧带伸长量得分） 与 B( 胫骨弯矩得 分 ) 的和，满分 1 分。另： 得分为 1 分标示绿色； 得分为 0.750~0.999 标示黄色； 得分为 0.500~0.750 标示橙色； 得分为 0.250~0.500 标示棕色； 得分小于 0.250 标示红色 [11]。 N 代表碰撞点总数， 若令 CX 代表每个碰撞点得分， 小腿碰撞满分为 6 分，则总分为 [11] ：
2 初始分析
2.1 模型建立
图 1 为所建立的车辆前端模型。模型网格尺寸为 7 mm，前横梁吸能装置和下支撑均采用钣金件，其中吸 能装置材料为 DC04，厚度为 0.7 mm，下支撑材料为 DC01，厚度为 1.2 mm。 分析中应用的柔性小腿是由 FTSS 公司开发的 v2.0 版本的 Flex PLI-GTR 腿型，如图 2 所示。模型由 471 个部件组成，总质量为 13.04 kg，共有 30 个传感器 [12]。