基于Euro－NCAP評價規(guī)程的行人頭部碰撞安全性能評估與優(yōu)化①

楊安志， 劉衛(wèi)國，2

(1.同濟大學，上海201804;2.浙江省汽車安全技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州311228)

隨著乘用車銷量的逐年增加，與行人發(fā)生碰撞的交通事故也日益增多，行人安全問題越來越受到人們的重視［1］.根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在道路交通中弱勢道路使用者占總死亡人數(shù)50%，其中行人占總死亡人數(shù)22%［2］.根據(jù)2010年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在中國行人死亡占所有交通死亡人數(shù)25%，共計689996人［3］.在行人所受傷害中，頭部損傷是最為常見的損傷類型之一，是造成重傷或者死亡的主要原因，車輛前端的造型、布置、結(jié)構(gòu)等都會影響到頭部碰撞安全性能［4～6］.研究頭部損傷防護技術(shù)對降低行人所受主要傷害具有重要意義.

本文以《歐洲新車評價規(guī)程》(Euro－New car Assessment Program，Euro － NCAP)為基礎［7］，利用CAE與試驗方法，對乘用車行人頭部碰撞安全性能進行評估并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化.

圖1 頭部碰撞網(wǎng)格點示意圖

圖2 行人保護CAE模型示意圖

1 行人頭部碰撞安全性能評估

1.1 頭部碰撞網(wǎng)格點確定

根據(jù)Euro－NCAP行人保護評價規(guī)程［8］，基于前端造型分析，最終得到184個碰撞點如圖1所示.

1.2 仿真模型建立及對標

1.2.1 仿真模型建立

行人保護CAE模型基本單元尺寸為5mm.建模時應考慮局部結(jié)構(gòu)，由于局部結(jié)構(gòu)對行人保護有限元計算影響較大，例如大燈、保險杠蒙皮、螺栓、凸焊螺母等局部硬點都要詳細劃分網(wǎng)格［9］，建好的行人保護CAE模型如下圖2所示.

1.2.2 仿真模型對標

根據(jù)試驗情況，選擇 C，0，0、C4，－ 8、C5，3、C7，6、A9，2、A11，4 點進行對標.對標結(jié)果如圖 3及表1所示.

圖3 頭部加速度曲線對標結(jié)果

表1 頭部碰撞傷害值對標結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)對標結(jié)果可知，HIC15誤差率控制在±5%以內(nèi)，頭部加速度曲線波形趨勢一致，說明該頭部碰撞仿真模型能夠很好反映車輛前端特征，可用于行人保護評估與結(jié)構(gòu)優(yōu)化.

1.3 行人頭部碰撞安全性能評估

根據(jù)Euro－NCAP相關(guān)規(guī)定，頭部碰撞傷害值按照不同的區(qū)間劃分分別以不同的顏色顯示，如下表 2 所示［5］.

表2 頭部碰撞傷害值性能標準

根據(jù)1.1節(jié)提供的頭部碰撞點坐標，將頭部模型沖擊方向?qū)逝鲎颤c，并利用1.2節(jié)對標后仿真模型經(jīng)LS－DYNA仿真計算得出的結(jié)果如下圖4所示.

圖4 仿真預測結(jié)果示意圖

其中點 A，11，8、A，11，－8、A，12，8、A，12，－8、A，13，8、A，13，－8 由于在 A 柱上，默認為紅色點.共184個碰撞點仿真預測得分為102.5分.根據(jù)頭部碰撞試驗的步驟，本例中隨機選取了兒童頭部碰撞6個點、成人頭部碰撞4個點進行測試.10個隨機選取點的編號及試驗結(jié)果如下表3所示.

表3 預測點與測試點結(jié)果

根據(jù)式(1)經(jīng)計算本例中修正因子等于1.考慮到修正因子的總得分為102.5分.根據(jù)式(2)最終頭部碰撞得分為13.368分.

該車型開發(fā)要求為Euro－NCAP行人保護五星，行人保護總分需要達到36×65%=23.4分.由于該車型大腿碰撞已經(jīng)得到1.5分，小腿碰撞已經(jīng)得到6分，頭部碰撞需要得分至少達到15.9分，因此通過以上分析該車型頭部碰撞得分未達到要求.

2 行人頭部碰撞安全性能優(yōu)化

2.1 原車型存在問題

(1)翼子板結(jié)構(gòu)剛度較大，根據(jù)評估結(jié)果在碰撞區(qū)域兩側(cè)位置得分率較低.

(2)發(fā)動機艙內(nèi)變形吸能空間不足，由于發(fā)動機艙內(nèi)為了美觀要求，安裝了機艙裝飾板及發(fā)動機裝飾板，影響了頭部碰撞吸能空間.

餌料一般由魚粉、豆餅粉、玉米粉、麥麩、米糠、畜禽加工下腳料等組成，或者使用專用泥鰍飼料，當水溫在25℃以上時，動植物飼料組成比例為7∶3，水溫25℃以下時，飼料組成比例為1∶1。鰍種放養(yǎng)7天后，按照泥鰍重量3%～5%的飼料量，加水捏成團投喂，間隔3～4天喂1次。首次投喂餌料全田撒，然后逐漸縮小范圍至撒在魚溝內(nèi)。30天后，泥鰍正常取食時，每天上午（占比40%）、下午（占比60%）各喂1 次。

(3)前組合燈安裝橫梁位置剛度較大，該位置安裝有前組合燈、前橫梁緩沖塊，在實際碰撞過程中不易變形吸能.

(4)發(fā)動機罩總成整體剛度較大.

(5)發(fā)動機罩氣彈簧布置位置不利，該氣彈簧布置在機艙中間位置，影響了頭部模型下移空間.

(6)前圍上部總成剛度過大，影響成人頭部碰撞成績.

(7)雨刮電機安裝結(jié)構(gòu)剛度過大，碰撞過程中雨刮電機不易下沉.

圖5 優(yōu)化前后對比

圖6 優(yōu)化前后對比

2.2 優(yōu)化方案及優(yōu)化后評估結(jié)果

考慮到該車型模具費用及生產(chǎn)狀態(tài)，頭部碰撞優(yōu)化總的原則基于發(fā)動機艙內(nèi)相關(guān)零部件布置不變，發(fā)動機罩總成基本結(jié)構(gòu)不變，主要優(yōu)化方案如下:

(1)翼子板翻邊上移10mm，并去除安裝點外其他翻邊，對應翼子板安裝支架整體上移10mm.

(3)更改前組合燈安裝橫梁結(jié)構(gòu)，將前組合燈安裝點與機罩緩沖塊安裝位置分開.

圖7 優(yōu)化前后對比

(4)發(fā)動機罩氣彈簧布置位置移動到發(fā)動機罩鉸鏈附近.

圖8 優(yōu)化前后對比

(5)前圍上部安裝支架結(jié)構(gòu)調(diào)整.

圖9 優(yōu)化前后對比

(6)雨刮電機安裝支架改為可壓潰結(jié)構(gòu)形式.

圖10 優(yōu)化前后對比

最終采用以上所有優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)與布置方案，經(jīng)計算后得分合計:128.5分，如圖9.假設修正因子為1，按照2.3節(jié)計算方法得出優(yōu)化后評估得分為16.76分，滿足開發(fā)需求.

圖11 優(yōu)化后仿真評估結(jié)果

3 結(jié)論

本文基于Euro－NCAP行人保護評估程序，建立了車輛前端有限元分析模型，并與試驗結(jié)果進行對標分析與Euro－NCAP得分評估.通過分析原車型存在的問題，對前艙關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)、布置進行改進設計與優(yōu)化，仿真計算結(jié)果表明，優(yōu)化方案提高了行人頭部碰撞安全性能，使得行人保護總得分達到了Euro－NCAP五星水平.

［1］張金換，杜匯良，馬春生，等.汽車碰撞安全性設計［M］.北京:清華大學出版社，2010:279－283.

［2］World Health Organization.Global Status Report on Road Safety 2013:Supporting a Decade of Action［R］.Switzerland:World Health Organization，2013.

［3］World Health Organization.Estimated Road Traffic Death Rate 2010［E］.(2013－7－18).

［4］呂曉江，王純，劉衛(wèi)國，等.基于行人保護的乘用車前部造型設計優(yōu)化［J］.汽車安全與節(jié)能學報，2011，2(3):206－211.

［5］呂曉江，劉衛(wèi)國，周大永，等.基于行人保護的SUV車型前端造型設計研究［J］.汽車技術(shù)，2013，(3):37－41.

［6］邢艷云，于波，呂曉江，等.基于EuroNCAP行人頭部保護的某SUV車型建模與優(yōu)化［J］.汽車技術(shù)，2013，(4):38－41.

［7］European New Car Assessment Program.Pedestrian Test Protocol［E］.http://www.euroncap.com/Content－ Web － Page/fb5e236e－b11b－4598－8e20－3eced15ce74e/protocols.aspx;2012.

［8］European New Car Assessment Program.Pedestrian Protection Assessment Protocol［E］.http://www.euroncap.com/Content－Web－Page/fb5e236e－b11b－4598－8e20－3eced15ce74e/protocols.aspx;2012.

［9］胡遠志，曾必強，謝書港.基于LS－DYNA和Hyperworks的汽車安全仿真與分析［M］.北京:清華大學出版社，2011:180－187.