某車型行人保護(hù)頭部對(duì)標(biāo)分析

常曉宇 范英華 喬鑫 曲曉慶

（華晨汽車工程研究院）

歐洲EC（phase2）法規(guī)和E-NCAP相關(guān)規(guī)程中均對(duì)車輛行人保護(hù)評(píng)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定。行人保護(hù)碰撞工況主要分為頭部碰撞、小腿部碰撞和大腿部碰撞3種，其中頭部碰撞是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T24550—2009[1]評(píng)測(cè)的主要碰撞工況之一。文章針對(duì)歐洲法規(guī)認(rèn)證過(guò)程中，頭部碰撞1/3區(qū)域和2/3區(qū)域劃分問(wèn)題進(jìn)行探討。通過(guò)準(zhǔn)確的對(duì)標(biāo)分析，合理地分布1/3傷害值區(qū)域可提升行人保護(hù)頭部整體安全性能和減少試驗(yàn)次數(shù)。

1 試驗(yàn)中的問(wèn)題

行人頭部碰撞試驗(yàn)，是采用模擬人類頭部的碰撞器以一定初速度沖擊車輛前端，如圖1所示。

由試驗(yàn)工程師劃分了試驗(yàn)區(qū)域后，由法規(guī)認(rèn)證方指定碰撞點(diǎn)位置[2]，如圖2所示。認(rèn)證工程師會(huì)選擇區(qū)域中比較危險(xiǎn)的碰撞點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。碰撞點(diǎn)選擇的基本原則是，在1/3和2/3區(qū)域交界位置，在碰撞區(qū)域邊緣或下端有較大剛度結(jié)構(gòu)的位置，最后在碰撞在機(jī)罩的均勻布置上做考慮，共選擇18個(gè)碰撞點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。GB/T 24550—2009中規(guī)定，1/3和2/3區(qū)域是指頭部碰撞區(qū)域在Z平面投影后平面面積中的1/3和2/3區(qū)域面積。該區(qū)域的劃分由汽車主機(jī)廠指定[2]，在1/3區(qū)域上的傷害值不可以超過(guò)1 700，在2/3的區(qū)域上傷害值不可以超過(guò)1 000。如果碰撞點(diǎn)選擇在2個(gè)區(qū)域的邊界上，則按照傷害值不可以超過(guò)1 000來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

頭部傷害值指標(biāo)（HIC）是由公式計(jì)算“加速度-時(shí)間”歷程的結(jié)果：

式中：a——測(cè)量出的合成加速度，g；

t0，te——沖擊過(guò)程中的記錄開始與記錄結(jié)束時(shí)刻，在該時(shí)間間隔內(nèi)（te-t0≤15 ms）HIC 取最大值，s；

t——碰撞的時(shí)間變量，s。

圖3示出頭部碰撞點(diǎn)試驗(yàn)傷害值分布圖。其中位于1/3和2/3區(qū)域交界位置的碰撞點(diǎn)傷害值達(dá)到了 1 022，超過(guò)法規(guī)限值（1 000），不滿足法規(guī)要求[1]。

2 對(duì)標(biāo)分析

通過(guò)參考試驗(yàn)的具體設(shè)定，調(diào)整碰撞點(diǎn)沖擊速度、緩沖塊材料剛度及機(jī)罩膠粘剛度[3]，細(xì)化大燈和雨刮結(jié)構(gòu)，按照實(shí)車調(diào)整機(jī)艙上護(hù)板與白車身連接，獲得行人頭部碰撞仿真結(jié)果，如圖4所示。

通過(guò)對(duì)比圖3和圖4可見，所有碰撞點(diǎn)的仿真?zhèn)χ递^試驗(yàn)傷害值結(jié)果誤差均可控制在15%以下，該仿真模型可認(rèn)為是有效的優(yōu)化模型或誤差較小的可作為仿真方案驗(yàn)證的基礎(chǔ)模型。在18個(gè)碰撞點(diǎn)中，比較關(guān)注的是5個(gè)傷害值處于1 000～1 700的碰撞點(diǎn)。通過(guò)對(duì)標(biāo)結(jié)果，來(lái)仔細(xì)分析這5個(gè)碰撞點(diǎn)（CH1，CH5，CH13，CH14，CH15）傷害值較高的具體原因。

圖5示出行人頭部碰撞試驗(yàn)CH1點(diǎn)剖面圖。CH1碰撞點(diǎn)位置，開始階段頭部碰撞器接觸機(jī)罩外板造成加速度開始上升，機(jī)罩外板壓潰吸能后出現(xiàn)第1個(gè)小平臺(tái)；緊接著頭部碰撞器擠壓著外板抵住了機(jī)罩鉸鏈螺母板和內(nèi)板，該位置結(jié)構(gòu)剛度較大，造成了加速度迅速攀升至最大值，該峰值出現(xiàn)時(shí)間在4.5 ms，如圖5a所示；緊接著頭部碰撞器向車后方旋轉(zhuǎn)擠壓后端鉸鏈及其安裝螺母位置造成了加速度第2波峰值（在9.2 ms），如圖5b所示。圖6示出CH1點(diǎn)頭部加速度和傷害值仿真與試驗(yàn)對(duì)比曲線。從圖6可以看出，仿真的加速度峰值和趨勢(shì)跟試驗(yàn)值是較一致的。CH15點(diǎn)的位置跟CH1點(diǎn)大致在機(jī)罩蓋上左右對(duì)稱，該碰撞點(diǎn)傷害值較高的原因與CH1點(diǎn)一致。這2個(gè)碰撞點(diǎn)均位于1/3區(qū)域內(nèi)，因此傷害值不大于1 700，滿足法規(guī)要求。圖7示出實(shí)車碰撞CH1點(diǎn)試驗(yàn)前后對(duì)比。

CH5碰撞點(diǎn)位于車輛前端緩沖塊上部，當(dāng)頭部碰撞器擠壓機(jī)罩外板直至內(nèi)板時(shí)，緩沖塊位置的剛度比周圍位置大，如圖8所示，造成了在6.9 ms時(shí)生成了加速度的最大值，隨后加速度曲線回落。圖9示出CH5點(diǎn)頭部加速度及傷害值試驗(yàn)和仿真對(duì)比曲線。從圖9可以看到，仿真中加速度趨勢(shì)及峰值位置與試驗(yàn)結(jié)果一致。CH13碰撞點(diǎn)也位于緩沖塊上端，造成加速度攀升，傷害值偏大。CH13點(diǎn)在1/3區(qū)域內(nèi)，只要傷害值不大于1 700就可滿足法規(guī)要求；但CH5點(diǎn)位于1/3區(qū)域和2/3區(qū)域的邊界位置，其傷害值需要不大于1 000才滿足法規(guī)要求。此處要通過(guò)法規(guī)認(rèn)證，從兩部分考慮，一是優(yōu)化該碰撞點(diǎn)位置傷害值，二是更合理地劃分1/3和2/3區(qū)域，充分利用1/3低要求區(qū)域。圖10示出CH5碰撞點(diǎn)試驗(yàn)前后的對(duì)比，從圖10可以看到，試驗(yàn)中CH5點(diǎn)位置在碰撞之后，鈑金件出現(xiàn)明顯的下凹趨勢(shì)。

CH14碰撞點(diǎn)位于頭部碰撞區(qū)域的后邊緣位置，該位置接近雨刮軸，這也是認(rèn)證公司會(huì)選擇該碰撞點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證的原因。圖11示出行人頭部碰撞試驗(yàn)CH14點(diǎn)剖面圖。圖12示出CH14點(diǎn)頭部加速度和傷害值仿真與試驗(yàn)對(duì)比曲線。從圖12可以看出，從撞擊時(shí)刻一直到抵住機(jī)罩內(nèi)板，加速度在4 ms時(shí)攀升至第1個(gè)峰值；碰撞器繼續(xù)向下沖擊，最后抵住機(jī)罩內(nèi)外板并擠壓通風(fēng)蓋板，在9 ms時(shí)造成了第2個(gè)峰值，整個(gè)碰撞過(guò)程沒(méi)有擠壓到雨刮軸機(jī)構(gòu)，因此沒(méi)有造成傷害值的急速攀升，傷害值不大于1 700，滿足法規(guī)要求。圖13示出CH14碰撞點(diǎn)試驗(yàn)前后的對(duì)比。

仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相一致后，對(duì)造成傷害值偏高的因素進(jìn)行總結(jié)，對(duì)于碰撞區(qū)域中傷害值的分布有了更明晰的認(rèn)識(shí)。在認(rèn)證試驗(yàn)中，1/3和2/3區(qū)域的指定對(duì)于任何一個(gè)想要通過(guò)法規(guī)認(rèn)證的車型來(lái)說(shuō)都是很重要的，需要對(duì)該區(qū)域指定的合理性進(jìn)行研究。

3 1/3和2/3區(qū)域的指定

經(jīng)過(guò)碰撞區(qū)域?qū)Ρ龋邢拊Ｐ秃驮囼?yàn)中的頭部碰撞區(qū)域劃分基本一致。確認(rèn)有限元模型中的區(qū)域可用于前期安全性能評(píng)估。

圖14示出某車型頭部碰撞區(qū)域在試驗(yàn)和仿真中的邊界劃分對(duì)比。前端邊界線由機(jī)罩前緣線向后偏移82.5 mm以及wrap1000線2根相交在一起，取靠后位置的曲線拼接而成；后端邊界線為機(jī)罩后緣參考線向前偏移82.5 mm，兩側(cè)邊界線均為側(cè)參考線向內(nèi)偏移82.5 mm，如圖14a所示。圖14b中，被虛線圈起來(lái)的區(qū)域?yàn)?/3區(qū)域。

對(duì)于本次試驗(yàn)車型，1/3，2/3區(qū)域的指定方式可根據(jù)結(jié)構(gòu)和下方硬點(diǎn)的布置進(jìn)行更合理的調(diào)整。

頭部碰撞區(qū)域中，1/3區(qū)域和2/3區(qū)域的指定，在設(shè)計(jì)初期可使用沿碰撞器沖擊方向偏移的方式來(lái)確認(rèn)機(jī)罩下端傷害值高的區(qū)域的大致范圍。該車型中僅有兒童頭部碰撞區(qū)域，兒童頭部碰撞器沖擊的方向與水平面的夾角為50°，由此確認(rèn)機(jī)罩外板偏移的方向，同時(shí)要求Z向降低80 mm來(lái)檢查干涉位置或者硬點(diǎn)位置。機(jī)罩外板偏移降低過(guò)后，可以直觀地看見與外板有穿透的硬點(diǎn)大致分布，依照邊緣位置同時(shí)參考1/3，2/3區(qū)域劃分的總區(qū)域大小，可以快速得到1/3，2/3區(qū)域的邊界位置，如圖15所示。該種得到區(qū)域邊界的方法，適用于設(shè)計(jì)前期；在后期有了完整的仿真結(jié)果和試驗(yàn)摸底結(jié)果后，做出的1/3和2/3區(qū)域邊界更有參考意義。

圖16示出汽車機(jī)艙硬點(diǎn)分布示意圖。由圖16可見，汽車機(jī)艙的常規(guī)硬點(diǎn)（發(fā)動(dòng)機(jī)、空濾、轉(zhuǎn)向儲(chǔ)油罐、蓄電池及保險(xiǎn)絲盒）均在Z向距離外板80 mm以上；碰撞區(qū)域的兩側(cè)邊緣，很好地避開了機(jī)罩翻邊位置；機(jī)罩棱線角度較大，對(duì)于行人保護(hù)性能有利；造型設(shè)計(jì)使得鉸鏈位置在碰撞區(qū)域之外；雨刮軸為內(nèi)藏式安裝，有利于行人保護(hù)性能?？傮w上該設(shè)計(jì)從行人保護(hù)性能角度出發(fā)，機(jī)艙硬點(diǎn)布置及造型設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

文章按照GB/T 24550—2009標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了行人保護(hù)頭部碰撞的試驗(yàn)對(duì)標(biāo)工作。在跟蹤試驗(yàn)對(duì)標(biāo)過(guò)程中，基于對(duì)傷害值影響因素的分析，總結(jié)出依據(jù)吸能空間主觀確認(rèn)1/3，2/3邊界的方法。另外明確了認(rèn)證機(jī)構(gòu)選擇碰撞點(diǎn)的原則，首先考慮碰撞區(qū)域包括1/3，2/3區(qū)域邊界上的危險(xiǎn)點(diǎn)，危險(xiǎn)點(diǎn)的確認(rèn)原則為靠近機(jī)艙硬點(diǎn)位置，其次考慮總體上面積均布。值得注意的是，在所有碰撞點(diǎn)的定位中，涉及邊界位置的碰撞點(diǎn)，會(huì)選擇第一接觸點(diǎn)進(jìn)行定位，而位于區(qū)域中間位置并且特征較平緩的點(diǎn)則定位為目標(biāo)點(diǎn)。對(duì)結(jié)合認(rèn)證試驗(yàn)的對(duì)標(biāo)工作的總結(jié)，對(duì)于準(zhǔn)備參加認(rèn)證試驗(yàn)的主機(jī)廠正確評(píng)估開發(fā)車型的行人保護(hù)頭部安全性能有很積極的意義?；?018版的C-NCAP的頭部碰撞試驗(yàn)規(guī)則已經(jīng)確定，全新的評(píng)價(jià)方法已經(jīng)出臺(tái)，C-NCAP星級(jí)評(píng)定的行人保護(hù)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法以及仿真評(píng)價(jià)方法是下一步研究的內(nèi)容。