基于兒童頭部碰撞保護(hù)要求的后退式前燈設(shè)計(jì)

李祥兵，王春才，王 坦，王全保，嚴(yán)永攀

(1.神龍汽車有限公司技術(shù)中心, 湖北 武漢 430050；2.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430050)

引言

汽車在給人們生活帶來便利的同時(shí)，也給人類的安全帶來嚴(yán)重的威脅。多年來，因?yàn)榉ㄒ?guī)的驅(qū)使以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，汽車安全方面的研究主要集中在保護(hù)駕駛員和乘客安全。隨著人們安全意識(shí)的增強(qiáng)，行人保護(hù)變得日趨重要。在行人和車相撞的過程中，行人頭部是傷害最多的部位之一。因此，研究人的頭部在不同形式碰撞中的傷害機(jī)理、傷害極限、碰撞的機(jī)械響應(yīng)特性對(duì)行人保護(hù)具有重要意義。汽車前大燈作為一種照明和信號(hào)工具，在行車安全中對(duì)保護(hù)駕駛員和行人也具有重要作用。在行人保護(hù)方面，目前的焦點(diǎn)集中在保險(xiǎn)杠和機(jī)罩的研究，且已有非常成熟的設(shè)計(jì)規(guī)則和驗(yàn)證方法，但對(duì)燈具而言，目前還完全處于起步階段。在一些主機(jī)廠的相關(guān)設(shè)計(jì)法規(guī)中[1]，對(duì)于前大燈的行人保護(hù)，也只是規(guī)定了在某一方向作用力下燈具應(yīng)在多大的位移量范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng),但對(duì)其設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)沒有過多描述。本文基于以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，提出基于行人保護(hù)的后退式前大燈設(shè)計(jì)，用于滿足出口法規(guī)的需求。

1 汽車行人保護(hù)法規(guī)演變

近年來，汽車的行車安全一直強(qiáng)化行人保護(hù)方面的性能要求，歐標(biāo)的行人保護(hù)已經(jīng)成為中國(guó)的國(guó)標(biāo)，并且在2010年實(shí)施。而GTR的要求和歐洲第一階段的行人保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)相同。歐盟2003 年頒布了2003/102/EC行人碰撞法規(guī)，該法規(guī)分兩階段執(zhí)行。第一階段由2005年10月1 日開始，第二階段開始于2010年9月1日，歐盟成員國(guó)所有新生產(chǎn)的乘用車都要配備行人保護(hù)系統(tǒng)。兩個(gè)階段都包括頭部試驗(yàn)、大腿試驗(yàn)和小腿試驗(yàn)，其中第一階段頭部對(duì)擋風(fēng)玻璃的碰撞及大腿試驗(yàn)屬監(jiān)測(cè)范圍，非強(qiáng)制執(zhí)行[2]。

據(jù)歐洲委員會(huì)(EC)指令2003/102/EC稱，從2005年10月1日開始的第一階段中，所有在歐盟銷售的新車必須符合新的行人碰撞法規(guī)，如圖1所示。

圖1 歐洲行人保護(hù)第一階段圖和第二階段要求圖Fig.1 Pedestrian protection requirement for phase 1 and phase 2 in Europe

在2010年開始的第二階段，歐標(biāo)要求根據(jù)碰撞嚴(yán)重程度完成5種試驗(yàn)，其中2項(xiàng)試驗(yàn)覆蓋頭部傷害，另外3項(xiàng)則重點(diǎn)關(guān)注腿部和骨盆傷害，有關(guān)成年人與兒童的標(biāo)準(zhǔn)也必須滿足要求，如表1所示。在行人保護(hù)中，頭部碰撞的具體要求用HIC(頭部傷害指標(biāo)：head injury criterion)值表示。HIC的計(jì)算公式如下：

(1)

其中，a為碰撞過程中的加速度。如果t2和t1的間隔大于15 ms，可忽略HIC值。歐盟關(guān)于行人保護(hù)定義了不同階段的不同要求，如表1所示。

而GB/T 24550—2009借用GTR9《關(guān)于機(jī)動(dòng)車碰撞時(shí)對(duì)行人及弱勢(shì)道路使用者加強(qiáng)保護(hù)和減輕嚴(yán)重傷害的統(tǒng)一規(guī)定》[3，4]，目前仍為推薦性法規(guī)，它只規(guī)定了汽車發(fā)生碰撞時(shí)，對(duì)行人保護(hù)方面的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法，并沒有說明為滿足行人保護(hù)要求，具體的零件如車燈應(yīng)該如何設(shè)計(jì)。

表1 歐洲行人保護(hù)的頭部碰撞性能要求

2 碰撞過程中車燈的影響區(qū)域界定

如圖2所示，行人保護(hù)一般分為成人頭部碰撞、兒童頭部碰撞、大腿碰撞和小腿碰撞。各個(gè)碰撞區(qū)域的碰撞角度，碰撞速度和加速度如圖2所示[5，6]。對(duì)前大燈而言，在車輛與行人發(fā)生碰撞時(shí)，根據(jù)具體車輛的高度和碰撞角度，核實(shí)前大燈是否在上述四種碰撞區(qū)域內(nèi)，然后在整車上完成相關(guān)的數(shù)字驗(yàn)證和物理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。一般而言，影響前大燈性能的頭部碰撞主要關(guān)注兒童頭部碰撞(影響最大)以及大腿碰撞(影響相對(duì)較小)對(duì)燈具的影響,如圖3所示。

圖2 行人保護(hù)的碰撞區(qū)域界定Fig.2 Crash area definition on pedestrian protection

圖3 兒童頭部碰撞區(qū)和大腿碰撞區(qū)Fig.3 Crash area for child head and upper leg

3 后退式前大燈設(shè)計(jì)

由于造型需求以及國(guó)標(biāo)對(duì)前大燈的法規(guī)要求，前大燈部分位于行人保護(hù)的頭部碰撞區(qū)域，尤其是法規(guī)規(guī)定的兒童頭部碰撞區(qū)域。根據(jù)前文所述的HIC影響因子，為了滿足行人保護(hù)的法規(guī)要求，減少行人頭部碰撞的損傷值，必須減小碰撞時(shí)的加速度。當(dāng)兒童頭部與前大燈發(fā)生碰撞的時(shí)候，車燈燈體發(fā)生潰縮，形成頭部和前大燈一起往X負(fù)方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。適當(dāng)延長(zhǎng)頭部和前大燈碰撞距離，減少碰撞時(shí)候的頭部加速度，在一定程度上可以減少頭部的損傷值。

要盡可能減小碰撞過程中的加速度，設(shè)計(jì)方案需要滿足如下要求：

1)前大燈安裝固定支架必須弱化，以便在兒童頭部碰撞瞬間車燈能發(fā)生變形和潰縮。

2)前大燈變形和潰縮要有足夠空間，因此燈殼后部必須留有充分的空余空間，這樣可達(dá)到吸收沖擊能量的目的。

3)前大燈在發(fā)生碰撞后的后退運(yùn)動(dòng)過程中，不應(yīng)該有剛性較大的零件與前大燈運(yùn)動(dòng)包絡(luò)干涉或阻礙，以便碰撞后前大燈能更好的運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。

4)前大燈外透鏡表面不應(yīng)有凸出物或比較鋒利的棱角，防止在碰撞過程中對(duì)人體造成致命傷害。

5)采用輕量化設(shè)計(jì)前大燈，減少前大燈碰撞過程中的慣性沖擊力。

為了實(shí)現(xiàn)在碰撞過程中前大燈整體向后運(yùn)動(dòng)，前大燈的固定點(diǎn)需要設(shè)計(jì)成一種特殊的支架結(jié)構(gòu)，即可修復(fù)性行人保護(hù)支架，以滿足安裝支架的弱化要求。在車燈與行人發(fā)生碰撞的時(shí)候，支架首先斷裂，然后整個(gè)燈體沿著X負(fù)方向一起潰縮或者與保險(xiǎn)杠一起發(fā)生X負(fù)向運(yùn)動(dòng)。為保證前大燈在發(fā)生潰縮后有足夠的運(yùn)動(dòng)空間，要求前大燈后部(如后蓋，電調(diào)等區(qū)域)保持120 mm的運(yùn)動(dòng)空間(即前大燈后部與周圍環(huán)境件之間的距離至少為120 mm)。此外，為減少前大燈與翼子板、機(jī)罩和前保之間所形成的銳角區(qū)域，減少前大燈和引擎蓋的重合區(qū)域，避免碰撞時(shí)的剛性接觸，盡可能減少大燈與周圍零件(機(jī)罩、翼子板、保險(xiǎn)杠和格柵等)之間的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)干涉和造型銳角區(qū)域。此外，為滿足前大燈的可變形要求，在滿足前大燈自身關(guān)鍵性能(配光，耐熱，密封，振動(dòng)等)的情況下，需要采用一系列輕量化的策略來盡量減少大燈的重量,如減少前大燈面罩殼體的厚度，采用重量更輕的光源模組，或采用PC 材料,以滿足耐熱方面的設(shè)計(jì)要求。另外，對(duì)于采用雙色注塑的車燈零件，應(yīng)盡可能降低單層的注塑厚度，以減少大燈的重量，使得大燈在碰撞過程中的慣性沖擊力盡可能降低，更好地實(shí)現(xiàn)燈具在碰撞過程中的完全變形和潰縮，如圖4所示(帶行人保護(hù)支架)。

圖4 某款車型的行人保護(hù)支架Fig.4 Pedestrian protection bracket

設(shè)計(jì)值材料數(shù)目位置燈殼厚度3 mmPP+30%GF——透鏡厚度2.2 mmPC——行人保護(hù)支架——1個(gè)翼子板上支架區(qū)域后蓋與環(huán)境件距離125 mm———透鏡外輪廓銳角區(qū)域——1翼子板區(qū)域

4 仿真分析

為了驗(yàn)證上述優(yōu)化方案在車輛發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)兒童頭部的影響，采用模擬器對(duì)其進(jìn)行模擬。通常而言，用于EEVC NCAP實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)兒童頭型沖擊器為鋁制、均質(zhì)結(jié)構(gòu)，球形。直徑為(165±1) mm；質(zhì)量為(3.5±0.07)kg。相對(duì)于過質(zhì)心且垂直于沖擊方向軸的慣性矩應(yīng)在(0.008～0.012) kg/m2范圍內(nèi)。兒童頭部沖擊器由后段支撐盤、模型本體、模型蒙皮、安裝于基座上的加速度傳感器構(gòu)成。包括儀器的頭型沖擊器的質(zhì)心應(yīng)位于球的幾何中心，偏差在(±2) mm 內(nèi)。球體用(14±0.5) mm 厚的合成皮膚覆蓋，覆蓋面積至少為球體的一半[5]，模型如圖5所示。

圖5 兒童頭部模型Fig.5 Child head model

根據(jù)NCAP頭部模型有效性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)建立頭部沖擊器的有限元模型從376 mm的高度自由下落撞擊剛性平面時(shí)，加速度峰值必須介于(225～275) g 之間，這樣才能符合NCAP的設(shè)計(jì)要求。采用UG三維實(shí)體建模技術(shù)，將頭部簡(jiǎn)化為包括粘接在一起的模型本體和蒙皮兩層材料的實(shí)體模型，兩者之間沒有相對(duì)滑動(dòng)。本體(實(shí)心球體)采用剛性材料，蒙皮為乙烯基非線性費(fèi)彈性材料。具體參數(shù)如表3所示。

表3 兒童頭部碰撞模型材料參數(shù)

頭型沖擊器在跌落時(shí)沖擊器后表面與垂直方向夾角，對(duì)于兒童頭部應(yīng)在車輛縱向垂直平面內(nèi)，相對(duì)于水平面的試驗(yàn)沖擊角度為50°，沖擊速度大小為9.7 m/s(NCAP標(biāo)準(zhǔn))。對(duì)球體采用實(shí)體單元，前大燈需要?dú)んw單元。在劃分網(wǎng)格單元時(shí)，對(duì)球體采用了經(jīng)緯式網(wǎng)格劃分方法，對(duì)前大燈采用了規(guī)則影射網(wǎng)格劃分法，以便節(jié)點(diǎn)分布更加符合力的傳遞和分布規(guī)律，力求結(jié)果的準(zhǔn)確。經(jīng)過網(wǎng)格劃分，頭部模型和前大燈模型分別有6 346個(gè)節(jié)點(diǎn)和7 843個(gè)節(jié)點(diǎn)。前大燈的具體材料參數(shù)，如表2所示。

在UG界面中，通過建立前大燈結(jié)構(gòu)有限元模型和兒童頭部有限元模擬模型，開展碰撞分析。首先需要確認(rèn)前大燈的回退式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。運(yùn)用有限元Anasys軟件分析，記錄碰撞各階段前大燈安裝腳的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。在分析的過程中，在前大燈的安裝支架斷面上標(biāo)識(shí)了6個(gè)位置，通過碰撞模擬，測(cè)試各時(shí)間段每一處測(cè)量斷面位置上的應(yīng)力，如圖6所示。兩個(gè)支架承受大部分載荷，在頭部加速度出現(xiàn)峰值時(shí)，此時(shí)行人保護(hù)支架發(fā)生斷裂，以保證頭部傷害值滿足相關(guān)法規(guī)要求，要滿足此要求，應(yīng)考慮此處的行人支架結(jié)構(gòu)弱化。

圖6 前大燈支架6個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力圖Fig.6 Stress for 6 points on headlamp bracket

基于上述后退式前大燈支架結(jié)構(gòu)模型，分析在碰撞過程中兒童頭部受力情況，頭部加速度，頭部損傷值和頭部位移。從圖7可以大致看出，t≈8 ms，頭部的最大受力為2.17 kN，頭部的最大加速度為119g(其中g(shù)為重力加速度，g=9.8 m/s2)。

圖7 頭部應(yīng)力和加速度曲線Fig.7 Curve for stress and accelerator

根據(jù)圖7分析可以看出，頭部位移的最大值為45 mm。頭部損傷最大值HIC為1 735。綜合上面的分析，后退式結(jié)構(gòu)前大燈有利于在碰撞過程中保護(hù)兒童頭部，并且基本滿足EECV NCAP的標(biāo)準(zhǔn)。通過大量的數(shù)據(jù)看出，至少一半的兒童頭型試驗(yàn)區(qū)域，HIC 值不大于1 000；至少三分之二的成人頭型和兒童頭型合計(jì)的試驗(yàn)區(qū)域，HIC 值不大于1 000，剩余區(qū)域的HIC 值不大于1 750。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于歐洲關(guān)于行人保護(hù)的法規(guī)要求和現(xiàn)有的車型項(xiàng)目， 分析了行人保護(hù)在車燈方面的法規(guī)要求，提出了滿足基本歐洲行人保護(hù)要求的設(shè)計(jì)規(guī)則，基于模擬驗(yàn)證了行人保護(hù)方面車燈相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，并得出了以下結(jié)論：

1)行人保護(hù)中最重要的控制參數(shù)是加速度，優(yōu)化碰撞加速度可以作為優(yōu)化行人保護(hù)設(shè)計(jì)的重要突破口。

2)通過設(shè)計(jì)和模擬分析，得出采用后退式前大燈設(shè)計(jì)方案有利于減少頭部損傷值，并基本滿足歐洲法規(guī)。