胡 偉，呂北京，馮第瑤

(重慶車輛檢測研究院有限公司國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122)

當(dāng)前國內(nèi)對于轎車基于行人碰撞保護(hù)的前部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)做了很多研發(fā)工作，然而關(guān)于輕型客車行人碰撞保護(hù)的前部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)鮮有研究。為降低道路事故中輕型客車對行人的傷害，本文依據(jù)GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護(hù)》［1］建立行人下肢—輕型客車碰撞有限元模型并進(jìn)行改進(jìn):在輕型客車橫梁前端增加薄壁吸能板結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后的模型仿真結(jié)果表明:薄壁吸能板結(jié)構(gòu)可有效提高該輕型客車的行人碰撞保護(hù)性能。另外，由于國外推出了仿真程度更高的柔性腿型模型，本文還采用柔性腿型對改進(jìn)后的客車模型進(jìn)行仿真分析，并對比分析柔性腿型與剛性腿型的差異和對車輛前部結(jié)構(gòu)要求的異同。

1 剛性行人下肢—輕型客車仿真模型的建立

我國在2009年參考 GTR9法規(guī)制定了 GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護(hù)》。該標(biāo)準(zhǔn)要求剛性腿型試驗(yàn)時膝部最大動態(tài)彎曲角度不大于19°，膝部最大動態(tài)剪切位移不大于6.0 mm，小腿上端加速度應(yīng)不大于170g。本文采用的腿型為TRL生產(chǎn)的TRL－LFL剛性腿型CAE模型。該腿型的總長度為926 mm，總質(zhì)量為13.4 kg［2］。該模型包含 27 409個節(jié)點(diǎn)，23 664個實(shí)體單元，1 160個殼單元和若干梁單元。模型通過EEVCWG17規(guī)定的靜態(tài)、動態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)和臺架試驗(yàn)。

由于碰撞速度比較低，行人下肢—輕型客車碰撞過程中一般不涉及金屬材料的大變形與大轉(zhuǎn)角［3－4］。特別是對于前部結(jié)構(gòu)剛性更大的輕型客車，腿型在侵入過程中只接觸客車前部的蒙皮、吸能盒等結(jié)構(gòu)，客車第一立柱之后的部件在腿型侵入過程中基本不會發(fā)生變形。為降低計(jì)算時間，在仿真過程中車輛的模型只截取車體的前部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析［5－6］。同時在腿型侵入客車前部結(jié)構(gòu)的過程中，輪胎變形對仿真結(jié)果的影響基本可以忽略，因此忽略了輪胎而只考慮了輪轂的建模。輕型客車建模主要選取其蒙皮、橫梁、橫梁加強(qiáng)板、前縱梁、冷凝器及支架、翼子板等前部結(jié)構(gòu)。去除第一立柱之后的結(jié)構(gòu)并計(jì)算去除部分的質(zhì)量及質(zhì)心點(diǎn)的坐標(biāo)，使用RBE2剛性連接單元以集中質(zhì)量的方式與簡化模型前端進(jìn)行完全約束連接。

根據(jù) GB/T 24550—2009［1］的試驗(yàn)工況建立行人下肢—輕型客車碰撞有限元模型。該標(biāo)準(zhǔn)中要求腿型沖擊速度為11.1 m/s±0.2 m/s;在第一接觸時刻腿型的底部應(yīng)在地面基準(zhǔn)平面以上25 mm，偏差在10 mm范圍內(nèi)。車輛與腿型之間的仿真接觸設(shè)置對于模型仿真的可靠性特別重要，車輛和下肢沖擊器之間設(shè)為自動面面接觸，并且腿型沖擊器模型本身設(shè)置為自動面面接觸，其余部分設(shè)為自動自身接觸［7］。最終建立的行人下肢及簡化后的輕型客車碰撞有限元模型如圖1所示。

圖1 行人下肢—輕型客車碰撞仿真模型

2 輕型客車下肢碰撞仿真分析

2.1 碰撞能量分析

由于車輛左右對稱，因此選取車輛中間點(diǎn)(LL2碰撞位置點(diǎn))以及保險杠與右側(cè)縱梁延展方向交匯點(diǎn)(LL3碰撞位置點(diǎn))進(jìn)行分析。通過求解器計(jì)算圖1模型，查看系統(tǒng)總能量、動能、內(nèi)能、滑移界面能、沙漏能5條能量變化曲線。從曲線可以看到，系統(tǒng)動能逐步轉(zhuǎn)化為內(nèi)能并在30 ms左右趨于平衡，系統(tǒng)能量是守恒的。各曲線光滑過渡且滑移界面能和沙漏能均未超過系統(tǒng)總能量的5%，說明該模型是可靠的。

2.2 原始客車模型碰撞變形分析

LL2位置的行人下肢—車輛的碰撞時序圖如圖2所示，腿型在時間2 ms的時候開始接觸客車前部蒙皮，隨著腿型進(jìn)一步侵入，客車的蒙皮不斷受擠壓變形。腿型在9 ms的時候接觸到橫梁鋼板，小腿的膝關(guān)節(jié)彎曲角度逐漸變大，并在21 ms左右的時候彎曲角度達(dá)到最大;同樣通過查看 LL3位置的行人下肢—車輛的碰撞的時序圖可知，由于車型前部造型需要LL3位置處的蒙皮凹陷，腿型在5 ms的時候開始接觸蒙皮，隨著腿型進(jìn)一步侵入，在11 ms的時候開始接觸橫梁，膝關(guān)節(jié)開始彎曲，并在23 ms左右的時候彎曲角度達(dá)到最大。

圖2 LL2位置碰撞時序圖

2.3 保護(hù)性分析

通過Hyperwiew后處理功能讀取脛骨加速度曲線、膝部彎曲角度曲線和膝部剪切位移曲線，如圖3中改進(jìn)前部分曲線。在模型LL2位置處，腿型脛骨最大加速度為197g，膝部最大彎曲角度為17.7°，膝部最大剪切位移為5.1 mm;在LL3位置處的脛骨最大加速度為246g，膝部最大彎曲角度為16.2°，膝部最大剪切位移為 4.7 mm。與 GB/T 24550—2009［1］中剛性腿型損傷限值進(jìn)行對比分析，LL2位置的小腿上端加速度超過標(biāo)準(zhǔn)限值，膝部最大動態(tài)彎曲角度、膝部最大剪切位移雖未超過但已接近標(biāo)準(zhǔn)限值;LL3位置的小腿上端加速度遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)限值，膝部最大彎曲角度雖未超過但已接近標(biāo)準(zhǔn)限值。出現(xiàn)上述情況的主要原因可能為:LL3位置處的蒙皮到吸能盒及后面縱梁的距離較近，在腿型的侵入過程中蒙皮的變形范圍相對有限，腿型能量衰減有限，導(dǎo)致腿型接觸到剛性比較大的縱梁;LL2位置優(yōu)于車輛前部造型的原因是蒙皮距離橫梁較遠(yuǎn)，碰撞的過程中蒙皮變形范圍較大，腿型能量衰減效果相對更有效。

3 輕型客車前部結(jié)構(gòu)改進(jìn)

行人碰撞保護(hù)設(shè)計(jì)的核心之一是車輛前部結(jié)構(gòu)吸能空間的布置設(shè)計(jì)［8－9］。該輕型客車在最初設(shè)計(jì)時并未將行人保護(hù)納入考慮范圍。為了工藝和裝配的方便，廠家在車輛蒙皮和橫梁之間未布置任何緩沖結(jié)構(gòu)來吸收碰撞過程中的能量以降低對行人腿部的傷害。該款輕型客車前部蒙皮離橫梁結(jié)構(gòu)有一定的距離，這為車輛前部結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了空間基礎(chǔ)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，能夠滿足脛骨加速度峰值和膝部彎曲角度峰值要求的車輛前部結(jié)構(gòu)一般都能滿足膝部剪切位移峰值的要求［10－11］。在盡可能控制改進(jìn)成本、不改變車輛設(shè)計(jì)的情況下，在蒙皮和橫梁之間添加可壓潰縮的薄壁吸能板結(jié)構(gòu)來吸收腿型侵入過程中的一部分能量以減小下肢損傷。

方案采用鋁合金薄壁吸能結(jié)構(gòu)，后部通過焊接的方式與水箱下橫梁底部實(shí)現(xiàn)固定。薄壁吸能結(jié)構(gòu)寬度與橫梁一致，寬度為剛性腿型直徑的兩倍。薄壁結(jié)構(gòu)厚度以0.1 mm為等差，從0.5 mm到3 mm進(jìn)行變量分析，對添加薄壁吸能結(jié)構(gòu)的車輛模型進(jìn)行仿真分析，得到薄壁吸能結(jié)構(gòu)在0.7 mm厚度時車輛對腿型的保護(hù)為最優(yōu)。

圖3給出了改進(jìn)前后的腿部損傷結(jié)果對比曲線，改進(jìn)前后峰值結(jié)果對比見表1。在LL2位置，脛骨加速度峰值減小了44.2%，膝部最大彎曲角度減小了53.7%，膝部最大剪切位移減小33.3%;在LL3位置，脛骨加速度峰值減小67.9%，膝部最大彎曲角度減小56.8%，膝部最大剪切位移減小51.1%。

圖3 腿部損傷結(jié)果改進(jìn)前/后對比曲線圖

表1 改進(jìn)前后峰值結(jié)果對比

4 柔性腿型對比分析

LSTC－LFI柔性腿型沖擊器由2個外覆泡沫的剛性件組成，分別代表大腿和小腿，由可變形的模擬關(guān)節(jié)相連接。沖擊器的總長應(yīng)是928 mm，試驗(yàn)質(zhì)量13.4 kg。有限元模型是基于歐洲委員會 (EC)No．631/2009中對行人腿部保護(hù)要求建立的，并通過了 EC No．631/2009 試驗(yàn)驗(yàn)證要求［12］。該沖擊器有限元模型包含47 409個節(jié)點(diǎn)，33 664個實(shí)體單元，2 960個薄殼單元和2個梁單元，除此之外模型中還設(shè)置了傳感器和彈簧單元用于測量腿部傷害值。

采用LSTC－LFI柔性腿型沖擊器與改進(jìn)后的車輛模型建立行人下肢—車輛有限元碰撞模型后通過LS－DYNA求解計(jì)算。圖4給出了柔性腿型在LL2、LL3位置的彎矩和韌帶拉長量損傷曲線。

圖4 LSTC－LFI柔性腿型仿真結(jié)果

數(shù)據(jù)處理后得到的柔性腿型脛骨最大彎矩和韌帶最大拉長量結(jié)果見表2。

表2 柔性腿型在LL2、LL3位置的損傷數(shù)據(jù)

柔性腿型碰撞單點(diǎn)評分分為兩部分:小腿的彎矩占0.5分，取4個彎矩值中最差的一個進(jìn)行評價，基于高、低性能限值通過線性差值法來計(jì)算得分;膝部韌帶的拉長量占0.5分，在ACL、PCL低于限值的前提下，基于MCL高、低性能限值通過線性差值法計(jì)算得出。所有碰撞點(diǎn)總分和除以碰撞點(diǎn)數(shù)量計(jì)算出得分百分比。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，腿型試驗(yàn)區(qū)域最高得分為3分，最低得分為0分。柔性腿型試驗(yàn)需分別對車輛前部左、中、右3處位置進(jìn)行考核，因此上面計(jì)算得出的百分比乘以3，即為該腿型試驗(yàn)最終得分［13］。柔性腿型脛骨彎矩?fù)p傷限值為340～282 N·m，對應(yīng)得分為0～0.5;膝部韌帶中內(nèi)側(cè)韌帶(MCL)損傷限值為22～19 mm，對應(yīng)得分為 0～0.5;前、后韌帶(ACL、PCL)損傷限值為10 mm，若拉長量超過10 mm，該部分得分為0。

根據(jù)計(jì)分規(guī)則計(jì)算發(fā)現(xiàn)，LL2和LL3位置的吸能效果不滿足柔性腿型某些指標(biāo)的要求，說明相較于剛性腿型，柔性腿型對車輛前部結(jié)構(gòu)的要求更為嚴(yán)格。

5 結(jié)束語

通過CAE分析可知，該輕型客車不符合法規(guī)GB/T 24550—2009［1］對行人保護(hù)的要求;通過在車輛前端添加鋁合金薄壁吸能結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以改善該輕型客車前部吸能特性，能夠有效地提高該輕型客車的行人保護(hù)性能?；诟倪M(jìn)的客車模型，再采用柔性腿型模型進(jìn)行仿真，對比分析了柔性腿型和剛性腿型性能評價指標(biāo)和對車輛前部吸能結(jié)構(gòu)要求的異同。