行人保護(hù)頭碰加速度波形分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

嚴(yán)杰 夏湯忠 李徑亮

摘要：研究了行人頭部與機(jī)罩撞擊過程中頭部加速度波峰的形成機(jī)理，將已有頭部加速度波形由四段式波形修正為三段式波形。通過試驗(yàn)與仿真，驗(yàn)證了三段式波形理論的準(zhǔn)確性，并依據(jù)該波形理論對(duì)機(jī)罩前端鎖扣區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，在保證機(jī)罩行駛安全強(qiáng)度性能的條件下有效地降低了該區(qū)域的頭部傷害值。

關(guān)鍵詞：行人保護(hù);頭部加速度波形;頭部傷害值;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

數(shù)據(jù)表明，在交通事故傷害者中，行人占比約為65%，主要的受傷部位為頭部和腿部，其中頭部傷害的致死率非常高。近年來，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，行人保護(hù)受到的關(guān)注也越來越多，各國相繼制訂和實(shí)施了行人保護(hù)的技術(shù)法規(guī)和評(píng)價(jià)體系，我國最新的CNAP2018也首次加入行人保護(hù)性能的考察項(xiàng)。同時(shí)，國內(nèi)外的各大汽車廠商、研究機(jī)構(gòu)都對(duì)行人保護(hù)展開了大量的研究。

Streeter^[1]等通過假人試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)仿真，最早開始了行人保護(hù)頭碰的損傷機(jī)理和生物力學(xué)的研究。劉奇^[2]等研究了機(jī)罩結(jié)構(gòu)如內(nèi)外板材料、形狀以及減震膠的布置等對(duì)行人保護(hù)頭碰傷害的影響。在2007年，Wu^[3]首先提出了最優(yōu)波形的概念，其后朱西產(chǎn)^[4-6]等人也對(duì)頭部加速度波形及其形成機(jī)理進(jìn)行了深入研究。

本文針對(duì)行人保護(hù)頭碰，通過試驗(yàn)與仿真中頭部加速度波形，以及相應(yīng)的波形理論，將目前常用的四段式波形^[7]修正為三段式波形。根據(jù)三段波形與傷害指數(shù)的相關(guān)性，依據(jù)分析結(jié)果對(duì)機(jī)罩鎖扣區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地降低了該區(qū)域的行人頭部傷害值，從而保證了該車型行人保護(hù)安全性能目標(biāo)的達(dá)成。

1 頭碰試驗(yàn)與評(píng)分

本文的試驗(yàn)與仿真均是基于汽車安全法規(guī)CNCAP2018中所采用試驗(yàn)方法，來評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋各區(qū)域?qū)π腥祟^部的保護(hù)性能。兒童頭部模型重3.5kg，撞擊速度40km/h，撞擊角度50度;成人頭部模型重4.5kg，撞擊速度40km/h，撞擊角度65度。

在行人頭部碰撞中，評(píng)價(jià)頭部傷害的指標(biāo)為HIC值，表達(dá)式如下所示，

其中g(shù)是重力加速度，a為頭部沖擊器質(zhì)心位置的合成加速度，t₀-t₁≤15ms。根據(jù)頭部加速度曲線，可以得到每個(gè)點(diǎn)位的HIC值大小，并根據(jù)HIC值大小與得分對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終得到每個(gè)點(diǎn)位相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。其中每個(gè)點(diǎn)位滿分為1分，最低為0分，總體得分為傘部點(diǎn)位得分之和。

2 碰撞過程與頭部加速度波形分析

已經(jīng)有研究^[7]表明頭部模型撞擊機(jī)罩過程的波形可以細(xì)化為四個(gè)階段，頭部模型接觸機(jī)罩后的整體運(yùn)動(dòng)過程、機(jī)罩自身變形過程、邊界介入過程、與發(fā)動(dòng)機(jī)再撞擊過程。當(dāng)頭部模型以一定角度和速度與機(jī)罩發(fā)生碰撞，沖擊波沿機(jī)罩表面向四周發(fā)散，使機(jī)罩發(fā)生變形的同時(shí)，帶動(dòng)機(jī)罩沿沖擊方向一起運(yùn)動(dòng)。機(jī)罩運(yùn)動(dòng)到邊界支撐處與之發(fā)生接觸，支反力的沖擊波會(huì)沿著機(jī)罩返回撞擊點(diǎn)。若整體動(dòng)能仍然沒有被吸收，頭部模型與機(jī)罩繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，若空間h不足，機(jī)罩內(nèi)板會(huì)與機(jī)艙剛性邊界發(fā)生二次撞擊。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程

由式3可以看出在碰撞過程中，頭部模型受到的反力主要是機(jī)罩的慣性力與變形反力導(dǎo)致的，影響頭部加速度峰值的是機(jī)罩自身質(zhì)量和剛度^[4]。在不同的時(shí)間段，慣性力與變形反力的大小不同，導(dǎo)致了頭部加速度波形的變化。

實(shí)際過程中，從頭部模型接觸機(jī)罩開始，到剛性邊界介入之前，因?yàn)閼T性力的存在，才使得機(jī)罩自身剛度產(chǎn)生作用，因此機(jī)罩自身的運(yùn)動(dòng)與變形必須是同時(shí)進(jìn)行的，而且從能量角度來看，機(jī)罩內(nèi)能和動(dòng)能也是同步增加，因此可以把這一時(shí)問段全部劃為第1階段。從邊界介入開始，到邊界介入結(jié)束，可以劃為第2階段。第3階段則是從邊界介入結(jié)束，到頭部模型反彈時(shí)結(jié)束，其中可能包括二次碰撞。

第1階段，撞擊開始后，機(jī)罩慣性力與變形反力同時(shí)增加。在機(jī)罩中心處，碰撞波以圓環(huán)形狀向四周擴(kuò)散，影響區(qū)域較大，慣性力相對(duì)較大;機(jī)罩邊界處，碰撞波傳播受阻，影響區(qū)域較小，慣性力相對(duì)較小。由于機(jī)罩自身剛度在不同位置基本保持一致，因此導(dǎo)致機(jī)罩中心位置的頭部加速度會(huì)比邊界位置的大。當(dāng)頭部加速度達(dá)到峰值后，機(jī)罩自身加速度開始減小，導(dǎo)致慣性力減小，頭部加速度也隨之下降。

第2階段，邊界支撐介入后，撞擊點(diǎn)剛度開始變大，變形反力隨之變大。在機(jī)罩中心處，由于撞擊點(diǎn)與邊界距離較遠(yuǎn)，邊界支撐對(duì)撞擊點(diǎn)剛度影響很小，而在機(jī)罩邊界處，由于距離很近，邊界支撐大大增加了撞擊點(diǎn)剛度。因此，在這一階段中，機(jī)罩中心位置由于受到影響較小，頭部加速度會(huì)繼續(xù)變小，而邊界位置，隨著邊界介入，頭部加速度會(huì)出現(xiàn)反彈并保持在高位，加速度峰值甚至可以超過第1階段。

第3階段，邊界支撐介入結(jié)束后，慣性力與變形反力均開始下降，頭部侵入量持續(xù)增加。此時(shí)，如果設(shè)計(jì)空間不夠，機(jī)罩內(nèi)板與下面硬點(diǎn)發(fā)生二次碰撞，碰撞反力將再次導(dǎo)致頭部加速度波峰的形成。

根據(jù)前面的分析，三段式的頭部加速度簡化波形如圖l（a）所示，根據(jù)實(shí)際情況不同階段的加速度值大小，三段式波形可以簡化為三角波、方波或者雙峰波。由于加速度的波形不同，HIC值的計(jì)算區(qū)間也隨之改變，有研究表明，在給定的頭部侵入量條件下，當(dāng)加速度波形如圖l（b）所示時(shí)，計(jì)算得出的HIC值最小^[3]。即保證第2階段不要有過大的邊界支撐介入，以及第3階段避免二次碰撞的發(fā)生，使得HIC值計(jì)算區(qū)間盡量落在第1階段。

3 仿真、試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析

為了研究頭部模型撞擊機(jī)罩不同區(qū)域的加速度波形以及傷害值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性，本文總共選取6個(gè)點(diǎn)來進(jìn)行相關(guān)性對(duì)標(biāo)分析，其中邊界區(qū)域點(diǎn)包括PI、P2和P3，中間區(qū)域點(diǎn)包括P4、P5和P6，如圖2所示：

圖3為上述六個(gè)點(diǎn)位的頭部加速度曲線，實(shí)線為仿真值，虛線為試驗(yàn)值。橫坐標(biāo)為時(shí)間，以秒為單元，縱坐標(biāo)為加速度，以重力加速度為單位。從圖3（a，b，c）可以看出，在邊界區(qū)域加速度曲線整體呈現(xiàn)方波形態(tài)，第2階段的加速度值偏高，與第1階段峰值達(dá)到同一水平。從圖3（d，e，f）中可以看到，中間區(qū)域的加這度曲線呈現(xiàn)三角波形態(tài)，第一階段加速度峰值比邊界區(qū)域大，第二階段加速度比邊界小，且第三階段又輕微二次碰撞。6個(gè)點(diǎn)位的加速度波形與理論吻合較好，且波形三個(gè)階段區(qū)分較明顯，其中第一階段大概在0到5ms，第二階段在5到15ms，第三階段在15ms之后。

總體來看，六個(gè)點(diǎn)位頭部加速度波形仿真值與試驗(yàn)值吻合較好，邊界區(qū)域的誤差相對(duì)偏大。在波形的第1階段，6個(gè)點(diǎn)位加速度峰值的仿真值均小于試驗(yàn)值，說明機(jī)罩的質(zhì)量和剛度相對(duì)于真實(shí)值可能偏小，考慮到實(shí)際中的厚度誤差、加工硬化或者材料參數(shù)，可以針對(duì)性的對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行修改。在波形的第2階段，Pl、P2點(diǎn)的加速度仿真值大于試驗(yàn)值，其中Pl點(diǎn)的誤差主要由機(jī)罩鎖剛度是引起，P2點(diǎn)誤差與墊塊和車燈剛度有關(guān)系。第3階段，各點(diǎn)位均沒有發(fā)生較惡劣的二次碰撞。

表l中列出了六個(gè)點(diǎn)位第一加速度峰值、HIC值和點(diǎn)位得分的仿真試驗(yàn)值。其中第一加速度峰值誤差均值在15.5%（除開Pl），HIC值誤差均值在20.6%，得分誤差控制比較好，總體得分修正系數(shù)為l。通過結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，仿真值的各項(xiàng)指標(biāo)基本都偏小，可能與材料曲線偏軟，或者配重質(zhì)量誤差有關(guān)系，后續(xù)可以繼續(xù)改進(jìn)仿真計(jì)算分析模型。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于Pl點(diǎn)的得分較低，我們需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)該點(diǎn)的頭部加速度波形，以及前文分析的波形理論，我們提出兩種降低其HIC值的理論方案。方案1是降低第1階段的峰值，即降低機(jī)罩結(jié)構(gòu)本身的剛度和質(zhì)量，使其波形形成一個(gè)加速度均值較低的方波。方案二是降低第2階段的加速度，即降低介入的邊界剛度，使其波形朝最優(yōu)波形發(fā)展。

在實(shí)際工程中，由于機(jī)罩鎖扣附近點(diǎn)位的邊界剛度主要是由前保險(xiǎn)杠蒙皮和骨架提供，而前保險(xiǎn)杠蒙皮和骨架的剛度對(duì)其它性能影響較大，所以我們最終選擇從方案1方面來考慮。即降低該區(qū)域機(jī)罩結(jié)構(gòu)本身的剛度或者質(zhì)量。由于該區(qū)域的剛度主要由機(jī)罩前端加強(qiáng)板提供，在保證機(jī)罩指壓剛度、過沖擊、模態(tài)、行駛安全等機(jī)罩性能的基礎(chǔ)下，本文對(duì)鎖扣加強(qiáng)板和機(jī)罩前段加強(qiáng)板做結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并從產(chǎn)晶QCDP優(yōu)化的角度將其合并為一個(gè)件，如圖4（a）所示：

圖4（b）為優(yōu)化前后Pl點(diǎn)位的頭部加速度波形對(duì)比，在階段1中，頭部加速度在達(dá)到峰值后出現(xiàn)明顯下降，和階段2形成比較明顯的分區(qū)。而階段2中，由于邊界剛度沒有變化，導(dǎo)致頭部加速度變化非常小。最終HIC值由1896下降至1254，得分由O分增加至0.5分，根據(jù)仿真與試驗(yàn)的誤差，實(shí)際的傷害值可能已經(jīng)進(jìn)入了650-1000分的區(qū)間，實(shí)際得分由0.25分變?yōu)?.75分。同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案由于簡化了零件數(shù)量和工藝，使得制造成本大大降低。

5 結(jié)論

（1）通過研究行人保護(hù)頭模與機(jī)罩撞擊的過程，以及頭部加速度波形的形成機(jī)理，將四段式波形簡化為三段式波形。通過試驗(yàn)與仿真對(duì)標(biāo)分析，驗(yàn)證了三段式波形理論和分析模型的準(zhǔn)確性。

（2）根據(jù)三段式波形理論，對(duì)機(jī)罩鎖扣區(qū)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，針對(duì)性的降低局部剛度，大大降低了該區(qū)域的HIC值，提高得分的同時(shí)成本也得到很大降低。

三段式波形理論能夠快速有效的為設(shè)計(jì)人員開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)指明方向，對(duì)機(jī)罩的設(shè)計(jì)與前艙的布置有重要的指導(dǎo)意義。

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