图1  保险杠蒙皮下基准线（LBR）

行人碰撞保护不久将成为一项全球化的通用要求。当发生行人碰撞事故时，汽车保险杠是直接影响行人小腿碰撞的主要部件之一。为此，汽车保险杠防撞系统的供应商正在积极研发新的能量吸能块来满足行人碰撞的相关标准。

 行人保护需求简介

据来自International Harmonized Research Activities（IHRA）组织的伤亡数据统计（见表1），交通事故中行人受伤及死亡的数量惊人。为此，人们已经提出多种测试方法及规则来评估汽车的行人保护措施，并致力于推进汽车前端造型的改善。目前，已有一项行人碰撞小腿保护的强制性法规具备了法律效力——ACEA DIR2003/102/EC。除此之外，亦有非强制性法规，如分别针对欧洲及日本市场的Euro NCAP（欧洲新车测评项目）和JNCAP（日本新车测评项目）。

全球许多评测机构都在力推统一的全球化标准，UNECE（欧洲联盟经济委员会）成立了一个全球性的协会，协调汽车法规并针对行人保护推出全球技术准则（GTR）。在一些汽车市场，全球技术标准GTR的实施将会要求各主机厂重新设计他们的保险杠系统，从而达到行人碰撞小腿保护的要求，这对于大多数主机厂和保险杠制造商来说都是全新的课题。本文将重点论述行人碰撞的小腿保护方案的开发工作。

图2 碰撞检测区域

行人碰撞的腿部测试方法

表2为具体的行人腿部碰撞要求。在碰撞区的保险杠蒙皮下基准线离地高度小于500mm时，就需要对腿部与保险杆碰撞进行测试（见图1）。测试主要定义为：机动车以40km/h的速度冲击腿部；机动车允许腿部以自由状态进行撞击；由蒙皮转角点向内延伸66mm之后的任何区域都属于腿部碰撞检测区域（见图2）；小腿碰撞检测内容为：小腿胫骨加速度，大腿与小腿间的转角，在膝关节处的剪切力。

对行人小腿的撞击是一个动态过程，即可变形的小腿模型以40km/h的速度撞击可变形的机动车的前端。一旦行人腿部与车相撞，腿部开始减速并在膝盖关节处形成弯曲。加速度在膝盖关节处可进行测量；转角可通过测量大腿与小腿在膝关节处形成的角度得到；剪切力是通过大腿与小腿之间的横向位移来进行测量的。测量数值越高，说明伤害程度越大。

行人碰撞小腿保护方案的研发

为了研发保护方案，就有必要对影响碰撞过程的保险杠系统的各种参数进行充分的理解与研究，同时，也有必要了解这些参数的作用效果及它们之间的相互作用关系。为此，以优化设计为基础的DOE（试验设计）得以采用。我们的研究结果表明，影响碰撞过程的关键保险杠参数包括：吸能块的厚度及硬度；吸能块的蜂窝尺寸；小腿捕捉板的位置（X方向）；小腿捕捉板的硬度；吸能块加强筋及表面弧度。

图3 压缩性能：50mm真空成型的HDPE吸能块与EPP泡沫

CAE参数模型是在DEP（底特律工程化产品）的基础上发展起来的。一系列的设计在HyperKrigging运算法则的运用下产生，并配与LS-Dyna。得出的结果（加速度、转角及剪切力的数值）经过提取，应用到HyperStudy，运用移动最小平方法可计算出各保险杠参数与反应之间的高阶方程式。此高阶方程式可被绘成一张反应界面图。

在反应界面图的帮助下，绘出的ANOVA图表可表明各保险杠参数对性能表现的影响。受吸能块蜂窝尺寸和加强筋影响的吸能块硬度是影响加速度的主要因素；受小腿捕捉板深度、厚度和表面弧度影响的硬度及其位置是影响转角的主要因素；单个参数的变化对碰撞的影响可通过对单独碰撞的参数调整来进行研究，当小腿捕捉板沿车辆方向适当前移时，转角也会随之减小。同样地，各种不同参数对碰撞的影响也可描绘出来。强有力的GUI工具可通过改变参数数值来呈现此变化对碰撞的影响，这一强大的工具亦可应用于早期汽车造型的大量开发工作当中。

在行人碰撞小腿保护中，吸能块的空间是很重要的影响因素之一，它在很大程度上影响车辆的造型风格。各主机厂希望通过利用尽可能小的吸能块空间来追求时尚的车辆造型并达到行人保护的要求。本文采用DOE方法，挑战50mm蜂窝深度注塑成型的吸能块的可行方案，并研究、理解各参数值对小腿保护的影响。保持吸能块蜂窝深度50mm不变，通过改变其余的各种参数，我们寻求到了满足行人碰撞小腿保护要求的技术方案。这样一个吸能块深度的极限值，可以为新车造型分析提供一些参考。

CAE与物理实验的相互关系

CAE分析与物理测试之间良好的相关度，对于能否有效地设计能满足要求的行人保护方案来说，是至关重要的。以下三种不同的行人碰撞小腿保护解决方案将被用于分析物理测试与CAE之间的关系。

第一个案例——深度为70mm的金属吸能块。金属吸能块的CAE分析与物理测试结果基本吻合，曲线图显示出很合理的相关性。对于剪切力与转角方面，曲线的坡度与峰值都非常接近；对于加速度方面，CAE显示出来的加速度值比物理测试所得值略高。

图4   同一设计方案的静态压缩试验：真空成型和注塑成型EA

第二个案例——由真空成型的蜂窝深度为85mm、厚度为2.5mm的高密度聚乙烯（HDPE）吸能块。 CAE分析与物理测试之间具有的良好相关性（相关度达到90%）, 绘出的曲线，峰值位置、坡度都很相似。此系统是在无小腿捕捉板时测试的，加速度和剪切力值达到欧洲NCAP phase II要求，转角值的相关性更为突出，其结果超过欧洲NCAP phase II目标值。如进一步进行设计更新或加小腿捕捉板，将有助于减小转角值。

第三个案例——带有注塑成型TPO小腿捕捉板的注塑成型的TPO吸能块，这是一个系统方案。小腿捕捉板在碰撞中有助于降低转角并减小加速度。吸能块蜂窝深度为125mm、厚2mm。

测试在两处进行：中心线 （Y=0）和最外边沿处（Y=509），相关性在两处测试位置均表现良好。在最边沿处是很难获得相关性的，因为碰撞后小腿模型往往沿保险杠蒙皮滑动并倾斜。尽管如此，曲线仍然表现出很好的相关度。本案例的CAE与物理测试的相关度高于90%。

行人碰撞小腿保护的吸能块生产工艺

为实现行人碰撞保护，保险杠制造商采用了多种生产工艺，包括：EPP泡沫 (发泡成型)、金属冲压成型、工程塑料的注塑成型和真空成型。通过综合考虑成本、性能、易开发性、多功能性、重量、工装成本、耗时、综合价值以及安装与维修等因素，对比后发现真空成型吸能块除在工装准备时间、成本及易开发性方面具有很大的优势，还具有成本低、性能好的特点。
 

行人碰撞小腿保护解决方案——50mm蜂窝深度的塑料吸能块

为了在最小的空间内开发吸能块，充分而高效地利用吸能块蜂窝深度而不产生堆积非常重要。用以下静态压缩实验来理解其压缩性能：50mm EPP泡沫（1.8和2.8pcf）和50mm真空成型的高密度聚乙烯吸能块。测试力为2.0kg，压力超过2.0kg时将认为会产生溃缩堆积。如图3所示，真空成型的高密度聚乙烯吸能块的压缩性能最高（90%），溃缩堆积厚度只来自于其壁厚的重叠堆积；2.8 pcf泡沫的压缩性能最差，只有40%，1.8pcf泡沫的压缩性能也只有60%。由此可知，真空成型的高密度聚乙烯吸能块是解决行人碰撞小腿保护的一个可行的发展方向。

如前文所述，我们用DOE来分析高密度聚乙烯吸能块的几何形状特性。一个50mm的吸能块有助于主机厂在不失其性能的前提下，保持其张扬、鲜明的前端造型。

我们制造出相同设计概念的注塑成型吸能块，并将其性能与真空成型吸能块进行比较。在进行行人碰撞物理测试以前，我们首先完成了两部件进行静态压缩试验以评估两个产品的承载特性。此做法不仅能辨别蜂窝深度为50mm吸能块的承载特性，还用以评估不同材料的坚实度和CAE与物理实验的相关度。
 
承载与变形曲线如图4所示；显示出不同材料及加工工艺之间静态压缩试验的良好相关性。

50mm行人碰撞吸能块试验的建立

接下来通过物理实验，我们来研究，基于相同设计概念的真空成型及注塑成型的吸能块具有相同的性能表现并能满足欧洲-NCAP phase II要求。可由两种方式生产、且满足行人碰撞要求的设计可以为主机厂的方案选择提供便利。一个美好的生产计划就是可以使用真空成型工装来制作快速手工样件，接下来用注塑成型批量生产。

在物理实验中，利用实际车辆重复进行行人碰撞试验是很困难的，因为每次测试中车辆都受到损坏。为测试不同材质及重复评估设计方案，每次测试后便更换一些部件是不现实的，因此，建立一个模拟真实试验测试的模型将使得测试更为简便。我们将吸能块安装在金属保险杠横梁上，并以40km/h的速度碰撞TRL小腿模型。行人碰撞吸能块可以以真实物理试验测量其加速度；小腿模型的加速度可由加速计追踪记录。两种方式生产的吸能块被分别用于试验。我们初步分析了在加速度与时间方面，真空成型与注塑成型吸能块之间的物理测试相关性。结果显示：注塑成型与真空成型吸能块之间只有低于10%的差异。用装有注塑成型吸能块的机动车进行真实的行人碰撞试验。CAE 分析结果显示增加小腿捕捉板将使转角在实际测试中明显降低。因为缺乏小腿捕捉板，试验是在没有小腿捕捉板的条件下进行的。50mm蜂窝深度的吸能块在实际车辆碰撞中，得出的相关性差异在5%内。转角值仍然超出目标值，然而，CAE表明可通过增加一个小腿捕捉板来降低转角进而达到要求。

结论

为了在尽可能小的空间内开发最好的行人碰撞小腿保护技术方案，充分理解具有良好性能表现的保险杠系统中各种参数之间的相互影响是十分重要的。DOE和RSM的基础性研究提供了一个非常重要的达到此目的工具。CAE和物理测试之间良好的相关性对于成功开发和设计行人碰撞小腿保护方案是至关重要的。DOE分析有助于在最小的空间内开发一个能满足欧洲NCAP phase II Euro要求的技术方案。

实验结果显示真空成型与注塑成型吸能快具有相似的性能表现。这就为各主机厂提供了多种选择方案。本设计亦证实50mm蜂窝深度的吸能块能够达到行人保护第二阶段的要求，这就使得主机厂可以在不影响汽车造型的前提下来满足性能要求。随着全球技术标准GTR对行人保护要求取得一致性的成果，满足需求的多种生产工艺已孕育而生。