第1章 引言
1.1 国内外人车碰撞事故现状
1.1.1 人车碰撞事故统计
道路交通伤害是一个重要的全球公共安全问题，全球每年约有 5000 万人发生道路交通事故，相当于全球五个最大城市人口总和[1]。世界有记载的第一起致死交通事故是车撞行人的事故（伦敦，1896）[2]。统计表明，行人碰撞事故死伤人数占总交通事故死伤人数的比率较高。欧洲每年约 7000 人死于人车碰撞事故，约几十万人在交通事故中受伤[3]。中国 2006 年有约 2.3 万行人死于交通事故[4]。世界卫生组织（WHO）2009 年的报告公布了世界各国行人死亡人数占交通事故总死亡人数的比例：中国 26%，日本 32%，韩国 37%，英国 21%，巴西 28%（2006、2007 年数据）[5]，并按地区和收入水平分别进行了统计（图 1.1）。尽管美国的行人与车碰撞事故致死比例不高，但平均每 6 分钟有一位行人受伤，平均每 107 分钟有一位行人死亡[6]。行人与车碰撞事故导致的人员伤亡给家庭和社会都带来了精神创伤和经济损失，开展行人碰撞安全研究具有重要意义。中国行人保护问题更加值得关注。道路交通事故统计年鉴显示，2004 年至 2007年间，行人死亡人数占事故总死亡人数的比例均在 25%左右[4]。这是因为我国人口众多，加上近年来中国汽车产销量和保有量都大幅增长，使得人车混行交通工况较多；此外，机动车驾驶员和行人遵守交通规则意识淡薄也是人车事故频发的原因之一[7]。因此，我国的行人碰撞安全事故频繁，进行行人碰撞被动安全研究的必要性更为突出。
1.1.2 行人受伤部位统计
在行人与车碰撞过程中，行人下肢首先与汽车保险杠碰撞，然后行人髋部、上身和头部依次与发动机罩盖和风挡玻璃碰撞，如图 1.2。行人与车碰撞后的落地过程也能导致损伤，但由于行人与地面碰撞（二次碰撞）损伤的影响因素太多，所以现有研究中涉及二次碰撞的较少[8, 9]。部分交通事故统计研究表明，人体在“二次碰撞”损伤比例和严重程度低于人体与车碰撞[10, 11]。由于通过改进车前端结构能够在一定程度上降低行人死伤人数[12]，因此现有研究主要考虑对车前端结构进行设计改进来保护行人。交通事故数据深度分析表明，头部损伤最容易导致行人死亡，而人体下肢是在碰撞中最容易受伤的部位。文献[13]统计了澳大利亚、德国、日本和美国的行人碰撞事故数据（表 1.1），下肢和头部受到中重度损伤的比例分别是 32.4%和 31.4%。文献[10]分析了 293 个人车碰撞事故发现，下肢和头部与车碰撞受伤比例分别是66.1%和 42.8%。行人下肢与汽车前端结构碰撞损伤主要包括胫骨骨折和膝关节受伤，虽然下肢损伤一般不会导致死亡，但膝关节受伤往往不可治愈[15]。因此，通过优化设计汽车前端结构来保护行人下肢有显著的意义。
1.2 行人保护评估方法的研究
为了评估汽车前端结构设计对行人保护的效果，现有研究主要借助于计算机模拟和试验[16]。近年来的研究致力于建立一套准确、高效的行人保护评估方法。尸体试验、行人假人和精确人体模型均用于研究人体组织结构的损伤机理，分析人体在碰撞中的响应。从试验重复性、易操作性的角度考虑，法规试验采用了模块试验方法来评估实车的行人保护性能。而尸体试验、行人假人试验和人体有限元模型作为行人模块试验方法的理论基础，为模块试验方法的提出和改进提供了支持。
第2章 行人下肢模块与车碰撞过程的分析
在下肢模块与汽车前端结构碰撞过程中，下肢模块自由飞行，由于膝关节可变形，下肢模块在碰撞过程中是一个多自由度刚体的无约束运动。当下肢模块与车前端结构的中央部位接触时，下肢模块的运动可假设为刚体平面运动；当下肢模块与车前端结构的边缘部位接触时，下肢模块的运动还包含绕轴向旋转的运动，但碰撞过程“阶段 1”沿轴向旋转的角度较小，仍可假设为刚体平面运动。本章通过分析下肢模块在与车碰撞过程中的运动规律，建立了下肢模块在碰撞力作用下动力学模型的近似解析解，直观反映了车前端结构参数对下肢模块损伤指标的影响敏感性。基于解析解，讨论了下肢模块碰撞损伤参数的控制策略。
2.1 汽车前端结构特征分析和局部刚度概念
2.1.1 汽车前端结构几何特征分析
与行人下肢模块碰撞相关的汽车前端结构主要包含保险杠外罩、保险杠和副保险杠吸能结构、保险杠横梁、进气格栅和发动机罩盖前缘（简称“机罩前缘”）等。由于进气格栅的刚度较低，所以行人下肢与车碰撞时，主要受到保险杠、副保险杠和机罩前缘三个区域的碰撞力作用。汽车前端结构特征随车型不同而不同，而汽车前端结构几何参数对行人下肢碰撞损伤参数有直接的影响。文献[13]对 33 辆轿车、16 辆越野车和 8 辆面包车的前端形状进行了统计分析。将汽车前端结构几何轮廓通过以下特征参数来表征（图 2.1）：保险杠中心高度Zm，机罩前缘高度 Zu，副保险杠高度 Zl，机罩前缘偏置 Xu，副保险杠呢偏置 Xl。各车型的几何特征参数的取值范围如表 2.1 所示。
2.1.2 汽车前端结构的局部刚度概念
在参数敏感性研究中，汽车前端结构通常简化为三部分吸能结构：机罩前缘、保险杠和副保险杠区域，通过测量实车前端结构三部分的局部刚度能够全面反映汽车前端结构的刚度特性，从而预测与行人下肢模块碰撞时下肢模块损伤参数的响应。局部刚度概念的提出旨在将车前端结构进行解耦处理，从而为概念设计阶段的参数化研究提供刚度数据信息。本论文定义局部刚度为：车前端结构与行人下肢模块碰撞过程中，局部区域的碰撞力和侵入位移曲线。局部刚度概念已经出现在一些研究文献中。零部件设计公司 FAURECIA 在行人保护研究中通过台架试验测量了保险杠区域的刚度曲线[93]，如图 2.2 所示。通过加速一个质量为 7kg 的圆柱碰撞块与车前端局部结构碰撞，通过测量圆柱碰撞块上的加速度获得侵入位移和碰撞力，从而得到了前端结构的局部刚度曲线；其中保险杠结构等效为三个串联弹簧，如图 2.3 所示，保险杠外罩的变形刚度等效为 K1，泡沫吸能结构的刚度等效为 K2，保险杠横梁的刚度等效为 K3。通过局部刚度测量发现，保险杠外罩的刚度对整体刚度的影响较小，吸能泡沫的刚度适中，保险杠横梁刚度较大，容易使加速度峰值超标。
第 3 章 基于能量分析的吸能空间........48
3.1 下肢模块与车前端碰撞过程的能量分析..... 48
3.1.1 下肢模块与车碰撞有限元模型的建立....... 48
3.1.2 试验设计与结果分析....... 52
3.2 应用能量分析对车前端结构吸能空间的估计...57
3.3 小结.... 66
第 4 章 汽车前端结构参数化模型的建立...67
4.1 车前端结构局部刚度曲线的确定...... 67
4.1.1 下肢模块与车前端碰撞的接触特性..... 67
4.1.2 实车前端结构的碰撞接触特性的测量....... 68
4.2 车前端结构参数化模型的建立.....72
4.3 小结与讨论... 80
第 5 章 考虑行人下肢碰撞保护.......81
5.1 结构优化算法的原理和应用... 81
5.2 通过响应面优化方法对车前端结.... 90
5.2.1 基于参数化车前端结构的优化模型建立...90
5.2.2 对四区域参数化结构的优化结果与分析...93
5.3 通过空间映射方法对车前端结...96
5.4 小结........ 115
结论
行人与车碰撞保护研究是近年来汽车被动安全研究的方向之一。随着行人保护法规的实施，国内外在汽车开发过程中积累了一定的行人下肢保护设计经验，提出了降低下肢模块损伤指标的设计方案。然而，行人与车碰撞保护设计仍具有相当的技术挑战，在汽车工业界的车型设计开发实践中，面向下肢模块碰撞保护的车前端结构设计仍主要依赖于工程经验。本论文基于车前端结构设计参数对下肢模块损伤指标的影响机理的深入分析，建立了一个参数化分析模型，为车型前期设计中协调车前端结构的造型、部件布置以及预留碰撞吸能空间的竞争关系提供依据；通过引入并改进空间映射算法，为车型开发后期设计改进提供了高效的优化工具。本文的主要内容包括三个部分，一是理论框架，深入分析了下肢模块损伤指标受车前端结构参数影响的机理，估计了车前端结构预留吸能空间，为车型前端设计提供指导；二是优化平台，通过改进传统的三区域参数化模型，提高了参数化模型与实车精确模型相似程度，并引入空间映射优化算法对实车精确模型进行参数优化设计，提高了优化效率；三是概念设计，以梯形薄壁吸能结构为例，应用空间映射优化算法对薄壁吸能结构的截面形状进行了优化设计，满足了行人下肢模块的碰撞试验要求。
论文首先分析了车前端结构参数对下肢模块损伤指标的影响机理，对车前端结构的前期设计提供了指导。通过建立下肢模块刚体动力学模型，并对膝关节进行刚性简化，得到了下肢模块损伤指标的近似解析解，并借助有限元模拟验证了该近似解析解与下肢模块损伤指标的相关性。基于动力学方程的近似解析解，分析了下肢模块胫骨加速度峰值、膝关节弯曲角度和剪切位移峰值的控制策略。要降低下肢模块胫骨加速度峰值，应侧重分析碰撞“阶段 1”，降低车前端各个区域对下肢模块的碰撞力；要降低膝关节弯曲角度峰值，应侧重分析碰撞“阶段 2”，综合考虑下肢模块受到的惯性力和保险杠碰撞力；要降低膝关节剪切位移，应降低保险杠吸能结构的刚度。论文基于下肢模块与车前端结构的有限元模型，对车前端吸能空间进行了更准确的估计，为前期设计中吸能空间值的确定提供了理论支持。能量分析的结果表明，下肢模块初始动能仅有约三分之一被车前端结构吸收，下肢模块膝关节变形能够吸收约 10.1%的初值动能，下肢模块外敷材料变形能吸收约 16.9%的初值动能。在能量分析的基础上，论文引入了能量转化率，吸能效率和有效质量系数三个参数，改进了现有吸能空间估计方法。通过试验设计统计了以上三个参数的取值，计算得到了更合理的吸能空间估计值。
车前端结构的参数化模型被广泛用于行人下肢模块碰撞保护的参数分析研究中，然而传统的三区域参数化模型不能反映其与实车结构的碰撞响应。论文提出了四区域模型，将保险杠区域的吸能结构分为两部分模拟，准确反映了实车对下肢模块膝关节区域碰撞力的作用点。本文建立的参数化模型中采用非线性弹簧代替实车吸能结构，采用碰撞块与实车前端结构的碰撞试验方法来测量车前端结构的局部刚度，反映了下肢模块与车碰撞的局部变形特性。通过插值方法获得的动态刚度曲线反映了实车吸能结构的率相关特性。为了提高优化设计效率，论文将空间映射算法引入到车前端结构参数优化设计中。在进行下肢模块碰撞保护设计时，精度较高的实车前端有限元模型往往计算效率较低。空间映射优化算法允许设计者通过精度较低、计算效率高的粗糙模型作为辅助设计工具，对精细模型进行优化设计。和传统的响应面优化方法相比，空间映射优化算法对精细模型的计算次数显著减少，所以优化效率高于基于响应面的直接优化方法。
参考文献
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