基于行人頭部保護(hù)的車輛吸能空間

譚冰花 趙正 李博

摘要：對(duì)2018版C-NCAP行人保護(hù)的頭部保護(hù)法規(guī)進(jìn)行研究，針對(duì)某現(xiàn)有車型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩不同的位置進(jìn)行區(qū)域劃分，結(jié)合仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不同區(qū)域的典型頭部碰撞加速度曲線。以此為依據(jù)仿真計(jì)算滿足行人頭部保護(hù)要求的吸能空間，可在整車開發(fā)的預(yù)研階段對(duì)總體布置提出更準(zhǔn)確的空間要求，為新車型行人保護(hù)的開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：頭部碰撞；發(fā)動(dòng)機(jī)罩；空間布置；碰撞試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U461.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

世界衛(wèi)生組織的一份報(bào)告指出，全球每年約有120萬人死于道路交通事故，約5 000萬人受到不同程度的傷害，其中包括行人、騎自行車人等在內(nèi)的“道路交通弱勢群體”構(gòu)成上述交通事故死亡的主體。在行人與車輛的碰撞過程中，行人頭部受到傷害的概率在所有行人身體傷害事故中約占31.4%，在受到嚴(yán)重傷害和致命傷害的行人當(dāng)中，這一比例更是高達(dá)80%，是行人受傷概率和致死概率最高的區(qū)域。行人頭部損傷保護(hù)在行人保護(hù)中已經(jīng)成為最迫切卻是難度最大的問題之一。發(fā)動(dòng)機(jī)罩是碰撞事故中行人頭部接觸的主要區(qū)域之一。在碰撞過程中，行人頭部首先接觸發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板，外板變形并帶動(dòng)內(nèi)板一起變形向下運(yùn)動(dòng)，吸收碰撞能量。若發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前艙硬點(diǎn)間的吸能空間不足，行人頭部則會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部零件發(fā)生二次碰撞，造成更為嚴(yán)重的傷害。因此，為達(dá)到保護(hù)行人頭部的目的，發(fā)動(dòng)機(jī)罩下方碰撞吸能空間的大小至關(guān)重要。

本文結(jié)合2018版C-NCAP行人保護(hù)的要求，對(duì)整個(gè)頭部碰撞區(qū)域進(jìn)行五星得分規(guī)劃，針對(duì)不同區(qū)域的得分要求，利用有限元仿真方法獲得準(zhǔn)確的頭部碰撞吸能空間，對(duì)汽車總布置提出更加精確的空間要求。

1 C-NCAP行人頭部保護(hù)法規(guī)和得分規(guī)劃

2018版C-NCAP行人保護(hù)評(píng)價(jià)由頭部和腿部2部分組成[1]，見圖1。

根據(jù)2018版C-NCAP規(guī)定，為獲得五星等級(jí)，對(duì)行人保護(hù)模塊的頭部與腿部得分進(jìn)行目標(biāo)設(shè)定，見表1。

根據(jù)行人保護(hù)的目標(biāo)要求，以某車型為例，對(duì)C-NCAP頭部碰撞各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的得分情況進(jìn)行分配，見圖2，此車型行人保護(hù)頭部得分為7.3分。從圖2中不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩中間位置HIC值較小，越靠近發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣HIC值越大。因此，根據(jù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)罩位置對(duì)應(yīng)的不同的HIC值要求，分別確定頭部碰撞吸能空間。

2 頭部碰撞吸能空間

2.1 頭部碰撞空間區(qū)域劃分

根據(jù)得分規(guī)劃，行人頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩碰撞區(qū)域

大致可分為3個(gè)區(qū)域：A區(qū)域?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)罩中間區(qū)域、B區(qū)域?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣區(qū)域、C區(qū)域?yàn)榭拷l(fā)動(dòng)機(jī)罩與其他部件（如翼子板、前保蒙皮、前大燈等）分縫線的區(qū)域，見圖3。

2.2 幾種典型的頭部碰撞加速度曲線

對(duì)多個(gè)試驗(yàn)碰撞點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同碰撞位置的頭部加速度波形有所差異，對(duì)應(yīng)3種不同區(qū)域，會(huì)有3種典型的加速度曲線（見圖4）[2]：A區(qū)域?yàn)榍案吆蟮偷牟ㄐ危珺區(qū)域?yàn)轭愃朴诜讲ǖ牟ㄐ?，C區(qū)域?yàn)榍暗秃蟾叩牟ㄐ?。結(jié)合圖3可知，發(fā)動(dòng)機(jī)罩中間區(qū)域主要是前高后低的波形，發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣區(qū)域主要是類似于方波的波形，而靠近發(fā)動(dòng)機(jī)罩與其他部件分縫線的區(qū)域主要是前低后高的波形。[3-4]

前高后低的波形主要出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)罩中間區(qū)域。此區(qū)域距離邊界支撐相對(duì)較遠(yuǎn)，頭部碰撞加速度由發(fā)動(dòng)機(jī)罩本身的結(jié)構(gòu)剛度和發(fā)動(dòng)機(jī)罩下部的變形空間主導(dǎo)。在頭部接觸發(fā)動(dòng)機(jī)罩后的3～5 ms產(chǎn)生較高加速度峰值，由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩下部有充足的變形吸能空間，隨著碰撞繼續(xù)進(jìn)行，頭部能量逐漸被吸收，頭部加速度呈現(xiàn)衰減趨勢，逐步減小。

類似于方波的波形主要出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣區(qū)域。此區(qū)域距離發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖鉤、發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈、前端緩沖塊和前大燈等邊界支撐較近，且發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板之間截面變小。在頭部碰撞過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板截面變小，外板變形后內(nèi)板也迅速變形，頭部加速度迅速產(chǎn)生較高的峰值。同時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩下部變形空間不足，隨著碰撞進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣區(qū)域開始受到其他邊界部件的支撐。由于邊界支撐結(jié)構(gòu)剛度較大，變形困難，因此出現(xiàn)持續(xù)較長時(shí)間過高的加速度峰值。

前低后高的波形主要出現(xiàn)在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)罩與其他部件（如翼子板、前保蒙皮和前大燈等）分縫線的區(qū)域。受發(fā)動(dòng)機(jī)罩造型和發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)、外板特殊包邊結(jié)構(gòu)的影響，這些區(qū)域發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)、外板之間的截面非常小。同時(shí)，這些碰撞位置的下部直接與發(fā)動(dòng)機(jī)罩的周邊支撐重疊，并且有一些特殊的結(jié)構(gòu)，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩緩沖塊、發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖、發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈等不可變形的硬點(diǎn)。在頭部碰撞過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板在頭型沖擊器碰撞作用下迅速變形，發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板來不及變形就隨著發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成直接接觸到下部支撐，加上受到某些特殊硬點(diǎn)的影響，加速度峰值會(huì)持續(xù)升高，形成前低后高的波形。

行人頭部加速度波形在不同碰撞區(qū)域各不相同，所以不同碰撞區(qū)域?qū)ξ芸臻g的要求也隨之變化。以某在研車型的發(fā)動(dòng)機(jī)硬點(diǎn)位置為例，準(zhǔn)確計(jì)算所需要的吸能空間，歸納總結(jié)整車前艙硬點(diǎn)所需要的行人保護(hù)吸能空間要求。

3 計(jì)算頭部碰撞吸能空間

3.1 仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

在計(jì)算行人頭部保護(hù)吸能空間之前，要對(duì)所用到的有限元模型進(jìn)行對(duì)標(biāo)。C-NCAP于2018年開始進(jìn)行考察，而之前公司的大部分車型是按照ECER127法規(guī)開發(fā)的，所以行人保護(hù)中的頭部試驗(yàn)較少。此次選用ECER127法規(guī)認(rèn)證的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，頭部碰撞試驗(yàn)點(diǎn)位置示意見圖5，對(duì)標(biāo)后行人保護(hù)頭部HIC值與頭部加速度曲線[5]對(duì)比結(jié)果見表2和圖6。

由對(duì)標(biāo)結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果波形趨勢一致，HIC值誤差小于10%，因此該有限元模型可以作為頭部碰撞空間計(jì)算的基礎(chǔ)模型。以下均基于對(duì)標(biāo)后的模型進(jìn)行仿真分析，通過計(jì)算得到的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

3.2 前艙硬點(diǎn)頭部碰撞吸能空間的確定