基于加速度波形優(yōu)化的行人頭部保護(hù)設(shè)計

周 俊 徐飛云 成艾國 陳 濤 趙 敏

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙，410082 2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州，545007

0 引言

人－車碰撞是一個十分復(fù)雜的過程，因為行人不同于車內(nèi)乘員，可以處于任何姿態(tài)，并且可以進(jìn)行任何方式的運動，也就是說碰撞過程具有很大的不確定性，這給研究工作帶來了很大的困難。研究發(fā)現(xiàn)，人－車碰撞中行人頭部和下肢是最容易受到傷害的部位［1－3］，其中頭部碰撞通常會帶來致命性傷害甚至致死，而腿部的碰撞往往會致傷。為了簡化研究過程，目前很多國家（包括我國）都采用以下三個部件試驗來評價車輛的行人保護(hù)性能：①下腿部（包括膝關(guān)節(jié)）與保險杠的碰撞；②上腿部與發(fā)動機(jī)罩前緣（BLE）的碰撞，其撞擊模擬器能量取決于車輛幾何形狀；③兒童和成人頭部與發(fā)動機(jī)罩的碰撞（使用半球形人頭模型［4］）。進(jìn)一步的研究表明，這種簡化的研究方式對車輛行人保護(hù)性能的評估是可行的。

國外的一些文獻(xiàn)介紹了如何通過合理地設(shè)計人—車碰撞時頭部的加速度曲線來降低頭部傷害程度，并摒棄了“矩形波”加速度曲線最優(yōu)的傳統(tǒng)理念［5－6］。本文正是在這些研究的基礎(chǔ)上，從“碰撞深度”的角度出發(fā)，通過定量比較幾種常見的加速度近似波形對頭部的不同傷害程度，從而尋求最優(yōu)的加速度波形曲線。分析結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)罩特定位置適當(dāng)“硬”一點，對頭部保護(hù)反而有好處。最后借助于有限元軟件，在實際案例中對該思想進(jìn)行了驗證，實現(xiàn)了頭部傷害的優(yōu)化。

1 頭部傷害評價標(biāo)準(zhǔn)及改善探討

1.1 頭部傷害的評定

目前很多國家采用頭部沖擊傷害標(biāo)準(zhǔn)（head injury criterion，HIC）值來評價頭部的受傷害程度。其具體定義如下：

式中，a為頭部質(zhì)心處的合成加速度，其值為重力加速度g的倍數(shù)；t1為頭部加速度波形上的任意時刻；t2為相對于t1時刻來說使得HIC值最大的時刻，并且滿足t2－t1≤15ms。

按照我國國家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于汽車對行人碰撞的規(guī)定，要求頭部碰撞區(qū)間內(nèi)至少2/3區(qū)域的碰撞點的HIC值不能超過1000，剩下區(qū)域的HIC值不能超過1700［7］。

1.2 頭部傷害改善方案探討

人－車碰撞的一般過程如圖1所示［8］。

圖1 人－車碰撞過程

試驗證明，頭部的傷害程度主要取決于車輛的行駛速度、車輛的前部造型、行人的體形尺寸及當(dāng)時的行走姿態(tài)等因素。然而當(dāng)頭部沖擊器按照法規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)（兒童頭部質(zhì)量為3.5kg，速度為35km/h，方向與水平面成50°；成人頭部質(zhì)量為4.5kg，速度為35km/h，方向與水平面成65°）碰撞車輛時，傷害值完全取決于車輛的外端造型。因此，合理的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計對行人保護(hù)是至關(guān)重要的。

研究表明，在很多碰撞區(qū)域（如發(fā)動機(jī)罩中央位置）致命性傷害往往不是由頭部第一次撞擊引起的，而是由于布置空間太小，吸能空間不足產(chǎn)生了二次撞擊，持續(xù)的大加速度導(dǎo)致頭部傷害HIC值過大，所以增大吸能空間能有效地降低頭部傷害程度。為此，國外一些高檔車裝備了發(fā)動機(jī)罩彈起機(jī)構(gòu)，碰撞發(fā)生時發(fā)動機(jī)罩提前彈起，保證了足夠的吸能空間，效果很明顯，然而成本的增加成為了其發(fā)展的制約因素，也有一些車型通過增大發(fā)動機(jī)罩的高度來增大吸能空間，但是駕駛員的視野和車輛的空氣動力性卻受到了影響。

2 頭部傷害的優(yōu)化

參照頭部傷害的評定標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)對頭部傷害的優(yōu)化，即是要盡可能地降低撞擊時的HIC值。由上述討論可知，HIC值過大往往是因為變形吸能空間不夠，但是受到造型要求及其他方面的限制，吸能空間很難進(jìn)一步增加，因此如何通過現(xiàn)有吸能空間盡可能地增加能量的吸收量具有重要的研究價值。

三種常見的加速度波形曲線是［5－6］：矩形加速度波形曲線、前三角形加速度波形曲線和后三角形加速度波形曲線。其定義如圖2所示。

圖2 三種加速度波形曲線

經(jīng)過對多個試驗碰撞點進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，行人頭部同車輛前端發(fā)生碰撞時，從有效碰撞時刻（即頭部開始接觸車輛第一撞擊點）開始，頭部質(zhì)心加速度可以近似簡化為以上三種波形。其中，矩形加速度波形代表碰撞位置處沿變形方向剛度均勻；前三角形加速度波形代表第一撞擊點處剛度較大，然后逐漸有一個緩沖空間；后三角形加速度波形則代表變形后期遇到了內(nèi)部“硬點”。

為了研究的方便，假定頭部碰撞過程中頭部質(zhì)心處加速度的趨勢正如圖2所示的三種波形，并且矩形波加速度為恒定值G0，加速歷程為t0；前三角形波形與后三角形波形加速度峰值均為Gp，加速時間均為tp（此處沒有考慮反彈過程）。

根據(jù)HIC值的定義可知（盡管此處并沒有特別指明計算過程中積分時間不應(yīng)超過15ms，但是通過筆者前期對多款車型、多個碰撞點的加速度曲線分析發(fā)現(xiàn)，HIC值計算中，積分區(qū)間通常比較短，往往少于15ms，因此下述幾種波形的積分區(qū)域一般不會受限于15ms的約束），矩形波加速度波形HIC值為

前三角形波加速度波形HIC值為

后三角形波加速度波形HIC值為

本文把頭部同車輛開始接觸直到其速度第一次降為零的過程中頭部質(zhì)心的位移量定義為碰撞深度。那么根據(jù)定義，矩形波加速度碰撞深度（假定初速度為v0）為

前三角形波加速度碰撞深度為

后三角形波加速度碰撞深度為

根據(jù)碰撞深度的定義可知：

同時為了確保三種加速度波形具有可比性，假設(shè)碰撞過程中三角形波加速度和矩形波加速度對應(yīng)的HIC值相等，即

聯(lián)立式（8）～ 式（10）得

并且可以把碰撞深度改寫為

從上式可以直觀地看出Sb＞Sr＞Sf，即當(dāng)頭部傷害HIC值相同時，加速度為前三角形波形的碰撞所需要的吸能空間是最小的。因此，在人－車碰撞過程中，如果吸能空間不足，可以通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)對加速度波形進(jìn)行優(yōu)化，使其盡可能趨向于前三角形波形加速度，從而減小HIC值。

3 實例應(yīng)用

以下介紹某款車型通過車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，優(yōu)化頭部質(zhì)心處加速度曲線波形從而降低HIC值，減小頭部傷害程度。

3.1 有限元模型的建立

頭部碰撞的傷害評價指標(biāo)是HIC值，根據(jù)其計算公式可以看出，它對加速度曲線是非常敏感的，因此要保證仿真的可靠性，必須確保加速度曲線具有足夠高的精度，即要求模型具有足夠高的精度。本文利用Hypermesh建模，建模過程中考慮到碰撞過程中車體后側(cè)部件基本不會發(fā)生運動，對頭部傷害甚微，可以忽略，并在后端約束其自由度；輪胎的存在會導(dǎo)致計算過程中能量不守恒，也應(yīng)當(dāng)予以忽略；一切可能直接與頭部發(fā)生接觸或者間接對頭部的傷害產(chǎn)生影響的零部件均需要精細(xì)建模，變形區(qū)域一般采用5～8mm的網(wǎng)格單元來建模，并采用16號全積分單元，設(shè)定合適的沙漏控制模式。按照行人保護(hù)建模要求建立的某車型兒童頭部碰撞發(fā)動機(jī)罩的模型如圖3所示。

圖3 兒童頭部碰撞模型

3.2 模型的精度驗證

為了保證仿真的可靠性，首先需對模型精度進(jìn)行評估。下面以發(fā)動機(jī)罩上某個撞擊點為例，對試驗時的頭部加速度曲線和仿真曲線進(jìn)行比較。圖4所示為該車的行人保護(hù)試驗照片。

圖4 兒童頭部碰撞試驗

頭部質(zhì)心處合成加速度曲線對比如圖5所示。

圖5 頭部質(zhì)心處合成加速度曲線

由圖5可以看出，仿真加速度曲線與試驗曲線的峰值、變化趨勢、變化歷程吻合得比較好，并且可以通過計算得出試驗HIC值與仿真HIC值分別為862.0和858.1。因此說明，仿真具有足夠高的可靠性，可以運用于對頭部碰撞傷害的評估。

3.3 碰撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

此處選擇其中一個碰撞點進(jìn)行優(yōu)化。原始車型中，該點所在的區(qū)域由于剛度沿變形方向分配均勻，導(dǎo)致碰撞過程中頭部質(zhì)心加速度在很長一段時間內(nèi)維持在一個較高的水平，近似上文所述的“矩形波”，因而HIC值很高。為了實現(xiàn)頭部保護(hù)，可以考慮在該區(qū)域發(fā)動機(jī)罩內(nèi)外板之間增加一個支架。該支架的大小及安裝位置需根據(jù)發(fā)動機(jī)罩的造型及需要來確定，其主要性能參數(shù)是支架的厚度和材料。若厚度太大或者材料太硬，會導(dǎo)致碰撞中頭部質(zhì)心加速度出現(xiàn)一個很大峰值，此時不僅不能起到保護(hù)作用，反而可能使碰撞更加嚴(yán)重；若支架厚度太小或者材料太軟，可能也不利于頭部保護(hù)，因為此時只會使頭部質(zhì)心加速度在剛接觸時略微增加，HIC值并不會降低。因此，需根據(jù)實際情況結(jié)合試驗或仿真結(jié)果對支架進(jìn)行設(shè)計，本文采用了一個高強(qiáng)度支架，支架的厚度為2.0mm，如圖6所示。

圖6 內(nèi)外板間增加支架結(jié)構(gòu)

3.4 優(yōu)化結(jié)果說明

優(yōu)化前后頭部質(zhì)心處加速度曲線經(jīng)頻率為1000Hz濾波通道濾波后如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后頭部質(zhì)心處加速度曲線

由圖7可以算出，優(yōu)化前后HIC值分別為1097.0和771.1，積分區(qū)間分別為0.8～14.1ms和0.9～14ms。由碰撞深度曲線（圖8）可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后碰撞深度也有所降低。對比兩條加速度曲線可以發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)外板之間增加支架結(jié)構(gòu)后，發(fā)動機(jī)罩結(jié)構(gòu)初始剛度增加，頭部質(zhì)心處第一加速度峰值相比初始狀態(tài)有較大幅度提高，在短時間內(nèi)下降并在一個低水平內(nèi)維持較長時間，即接近前三角形波形，雖然后續(xù)過程加速度又有所增加，但是HIC值還是降低了很多，因此改善效果很好。

4 結(jié)論

圖8 優(yōu)化前后碰撞深度曲線

本文從考察頭部傷害的評價指數(shù)HIC值的計算式入手，在理論上證實了三種加速度波形曲線——矩形波形、前三角形波形和后三角形波形在得到同等的HIC值時，前三角形波形加速度波形所需要的碰撞深度是最小的，因此在給定的布置空間時可以通過尋求最優(yōu)化的頭部質(zhì)心處加速度曲線來實現(xiàn)對頭部受傷程度的優(yōu)化。本文正是基于這一思想，在發(fā)動機(jī)罩內(nèi)外板間增加了剛性支架作為支撐來控制頭部加速度曲線，使得頭部碰撞第一峰值比較高，趨向于前三角形波形曲線，從而降低了HIC值，取得了很好的效果，對某些車型的特殊位置的行人保護(hù)設(shè)計具有指導(dǎo)作用。

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