行人腿部保护汽车前部结构优化
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第7期
2015年7月
机械设计与制造
Machinery
Design&Manufacture
87
行人腿部保护汽车前部结构优化
乌秀春m,周
盼1,郑文强 ,鲁宏升。
(1.上海理工大学机械工程学院,上海200093;2.上海电机学院汽车学院,上海200245;3.上海恒士达科技有限公司,上海201203)
摘要:为减少人车碰撞事故中对行人的伤害,采用LS—DYNA软件模拟人车碰撞过程,分别模拟了刚性腿型和柔性腿型的碰撞情况,得到行人小腿的伤害规律。同时,针对柔性腿型的分析结果,对汽车前部结构从三个方面进行优化:改进泡沫刚度,行人腿部总得分值提高了10.01%;改变小腿支撑,行人腿部总得分值提高了10.37%;改进保险杠横梁,行人腿部总得分值提高了17.63%。通过改进汽车的前部结构,柔性小腿的碰撞性能得到了优化,为行人保护方面的汽车前部结构设计提供了参考。
关键词:行人腿部保护;碰撞模拟;结构优化;LS—DYNA中图分类号:THl6;U463
文献标识码:A
文章编号:1001—3997(2015)07—0087—04
AnOptimizationofVehicleFrontalStructureforPedestrianLegProtection
wuXiu—chunl”,ZHOUPanl,ZHENGWen-qian91,LUHong-shen93
(1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;
2.SchoolofAutomobile,ShanghaiDianjiUniversity,Shanghai200245,China;
3.ShanghaiHengstarTechnologyCompany,Shanghai201203,China)
Abstract:Inorder
to
reducethepedestrianinjuriesinthevehicle-pedestriancollisionaccidents.Thefiniteelementapplied
to
an面'csis
software
15一DYNAissimulate
theprocess
to
ofthevehicle-pedestriancollisions,respectivelysimulatedcrash
condhionsleg
ofr语d
legs
andflexible
to
legs,accordingtheanalysis
theresult
of
thecollision
an咖i+,obtained
of
thelaw
ofthe
pedestrian
injury.Meanwhile,accordingofflexible
total
score
legs,thefront
structure
theCal"hasbeenimproyedfrom
three
aspects.Byimprovingthestructure,thetotallegincreasedby
score
foam
stiffness,theofthepedestrianlegimproved10.01%;changing
score
calf
support
ofthepedestrianlegincreasedby10.37%;improvingbumperbeam,thetotal
thecar,crash
ofthe
pedestrian
been
17.63%.毋modifyingthe加眦structureof
referenceforautomobilefront
pe咖rmanceof
the
flexible
leghad
optimized.and
Key
couldprovidethe
structure
designin£凫epedestrianprotection
aspect.
Words:Leg
ProtectionforPedestrian;CrashSimulation;StructuralOptimization;LS-DYNA
1引言
行人保护研究作为汽车安全的新兴领域已经引起重视,并且成为新车评价体系的一部分,直接影响新车的得分情况以及星
2刚性小腿与柔性小腿评价指标
刚性小腿冲击器以及柔性小腿冲击器均可以测试交通事故中小腿部位的伤害值,并通过伤害指标来反映。两者在一定程度上均能反映事故中行人腿部的受伤情况,具有一定的真实有效性以及可参考性旧。
EEVC制定的刚性小腿伤害主要将胫骨加速度、膝关节剪切位移、膝关节弯曲角度三个方面作为评价指标161,如表I所示。
表1刚性小腿伤害评价指标
Tab.1
Rigid
Legs
级评定,然而,行人保护方面的得分睛况却不乐观,甚至有些车型没有得分一。通过对行人腿部的研究,发现刚性小腿可以有效地
模拟膝盖部分伤害情况,但并不能完全的反映行人腿部的受伤情况。美国HUMANETICS公司经过不断的改进,开发出了最新的易于弯曲的柔性腿型,改进后的下腿型冲击器被国际上许多国家认可并采纳。
从2014年开始,Euro—NCAP已经逐步采用柔性腿型来进行新车星级评定试验f4|。行人保护全球技术法规预计从2016年开始采用柔性腿型进行试验。现阶段属于过渡时期,汽车整车厂可以选择刚性小腿或柔性小腿进行碰撞试验分析。
来稿日期:2015—01—20
Injury
Evaluation
基金项目:上海电机学院学科基础建设项目(12XKJC02);上海市科技型中小企业技术创新基金项目(1301…38200)
作者简介:乌秀春,(1973一),女,辽宁朝阳人,博士研究生,教授,主要研究方向:汽车碰撞安全技术、车辆CAWCAM/CAE技术
周盼,(1990一),女,陕西渭南人,硕士研究生,主要研究方向:车辆CAD/CAM/CAE技术,现代汽车设计理论
88
乌秀春等:行人腿部保护汽车前部结构优化
柔性腿型冲击器的胫骨部位安装四个应变传感器,分别用
第7期
人体造成严重伤害;在8ms时,不同区域的膝关节剪切位移基本上达到最大值,从中间到边缘,剪切位移值也呈现下降趋势,都处于伤害指标值以下,比较容易得分。同时,可以发现,汽车前部结构的中间区域整体伤害值比较大,且容易超过法规标准值,得分情况乐观;从中间到边缘区域,膝关节弯曲角和剪切位移均逐渐较小:胫骨加速度和膝关节弯曲角均接近伤害指标的下限值.得分情况不稳定,但膝关节剪切位移伤害指标值均比较低,得分率较高.‘
20【M)(】0000
来测量上弯矩、巾上、中下弯矩和下弯矩,膝盖部位装有四个传感器,分别用来测量前后团带伸长量、内侧韧带伸长量和膝盖底部加速度,Euro—NCAP法规的伤害值指标,如表2所示。
表2柔性小腿伤害评价指标
Tab.2FlexibleLegsInjuryEvaluation
3刚性小腿与柔性小腿碰撞分析对比
3.1碰撞区域的选取
根据法规,将车身长度方向记为x方向,车身位置以l,平面对称,进行参考线画线,碰撞区域,如图1所示。
—2000040000
;一60000
三一80000
三一{()0000
—120
000
—140000一】60000一I80000
O
图l碰撞区域的选取
Fig.1
CollisionZone
将碰撞区域每隔lOOmm选取一个测试点,以保险杠中部为
准,由于汽车前部结构的对称性,故选择右边五个试验点以及中
间的试验点作为测试点,分别记为Lo,L。、L:、L,、L。、L,:行人保护小腿部分得分总分为6分。
3.2刚性小腿碰撞分析
刚性小腿冲击器的碰撞条件如下:在发生碰撞时.小腿冲击器底部与地面基准线之间距离为25ram(±10mm),小腿冲击器的冲击速度为11.1m/s(_-z0.2rds)m。将汽车前部结构的有限元模型以及刚性小腿冲击器的有限元模型导入LS—DYNA软件中,对小腿冲击器进行碰撞区域定位,设置好相应的定位参数以及碰撞条件,提交进行计算,得到不同时刻的碰撞变形图,如图2所示。
(},)膝关节弯曲角
(C)膝关节剪切位移
图2刚性小腿不同时刻碰撞变形过程
Fig.2
DifferentTimeCollisionDeformationofRigidLegs
Fig.3
图3不同区域伤害值
DamageValueoftheDifferentAreas
将获得的五个区域伤害指标值添加在同一图下进行比较,对比分析结果,如图3所示。对于该车型的碰撞分析,从上面的分析图可以看出,L。、厶、L:区域的胫骨加速度值逐渐减小,而£,区域又开始出现增加趋势,L。区域的胫骨加速度值达y-0了最大值,并且超过了伤害指标的上限值,L;区域又有所下降,但伤害值较高;在21ms左右时,不同区域的膝关节弯曲角度依次达到最大值,并且从中间到边缘区域,膝关节弯曲角逐渐减小,对人体的伤害也逐渐减弱,坦中间部分的伤害值超过了伤害指标值,容易对
3.3柔性小腿碰撞分析
柔性小腿的碰撞条件与刚性小腿基本一致,不同之处在于,在发生碰撞时,柔性小腿冲击器底部与地面参考线之间的距离为75ram。以选定区域进行碰撞模拟,得到柔性小腿不同时刻的碰撞变形图,如图4所示。对不同区域的伤害指标值进行横向比较,其中,丁l为上弯矩,疋为中上弯矩,乃为中下弯矩,兀为下弯矩,ACL为前韧带伸长量,PCI,为后韧带伸长量,MCL为内侧韧带伸长量,分析结果,如表3所示。
方万数据
No
No.7
90
机械设计与制造
表6改进保险杠横梁后的分析结果
Tab.6TheAnalysis
Resultsofthe
ChangedBumperBeam
July.2015
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on
theinjurysituationofinjured
通过减去保险杠横梁上的支架,碰撞中间区域的上弯矩和中上弯矩伤害值明显大幅度降低,但中下弯矩和下弯矩值却略有增加,但仍然在伤害指标值以下;韧带伸长量也有所降低,内侧韧带伸长量仍然不符合法规要求,得分较低,然而行人腿部总得分值提高了17.63%。
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5结论
这里详细介绍了刚性腿型与柔性腿型在碰撞过程中的伤害指标值,并建立相应的有限元模型进行了分析,总结该车型在人车碰撞过程中不同位置的伤害规律。针对柔性腿型的分析结果,对汽车前部结构提出了三个优化改进方案,结果显示:三个优化方案中行人腿部总得分均有所提高,其中改变保险杠横梁的方案使得行人腿部总得分值提高了17.63%,汽车保险杠中间区域的伤害值明显降低,达到了一定的优化效果。但内侧韧带伸长量的优化效果并不明显,仍然超过了伤害指标值,有待提出更好的改进方案。就总体而言,行人保护的总得分有所提高,优化结果可为汽车前部结构设计提供参考。
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