汽車行人頭部保護(hù)方案開發(fā)

李志鵬，柴凱，徐曉春，于波

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汽車行人頭部保護(hù)方案開發(fā)

李志鵬，柴凱，徐曉春，于波

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

汽車的安全越來越受到重視，尤其是對(duì)車內(nèi)成員的保護(hù)，但車輛對(duì)行人的保護(hù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。隨著新法規(guī)的實(shí)施，行人保護(hù)也逐漸受到重視，文章從車輛的造型、鈑金結(jié)構(gòu)、CAE、試驗(yàn)幾個(gè)方面入手，論述了行人頭部保護(hù)方案的開發(fā)。

行人頭部碰撞；CAE仿真；鈑金；試驗(yàn)；C-NCAP

前言

近幾年，我國每年有上千萬的新車上路，保有量巨大。隨之而來的是汽車安全問題，在行人的事故中，有一類事故是可以通過對(duì)汽車的前期設(shè)計(jì)，達(dá)到降低傷害程度的目的，這就是汽車的行人保護(hù)技術(shù)，我國2018年的C-NCAP試驗(yàn)中增加了行人保護(hù)的試驗(yàn)，行人保護(hù)越來越受到重視。

行人保護(hù)試驗(yàn)中，包括：成人頭部碰撞試驗(yàn)、兒童頭部碰撞試驗(yàn)、大腿碰撞試驗(yàn)、小腿碰撞試驗(yàn)，其中頭部碰撞試驗(yàn)得分比重大，意味著實(shí)際事故中行人的頭部受到的傷害也是最大的。

因此，本文將對(duì)行人頭部保護(hù)方案的制定、CAE分析、試驗(yàn)等相關(guān)技術(shù)事項(xiàng)進(jìn)行闡述，如下文。

1 案開發(fā)流程

圖1 行人頭部保護(hù)開發(fā)流程

行人頭部保護(hù)方案開發(fā)流程如圖1所示。每個(gè)主機(jī)廠的流程都不盡相同，但主要的驗(yàn)證方式都是前期CAE仿真分析，后期實(shí)車頭部碰撞試驗(yàn)。頭部碰撞試驗(yàn)成本較高，CAE仿真分析成本較低，都是主流設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法。

2 行人頭部保護(hù)方案制定

（1）造型方案定義

行人保護(hù)頭部碰撞試驗(yàn)，需要在汽車前部根據(jù)規(guī)則劃出碰撞區(qū)域，該區(qū)域?yàn)榉忾]的區(qū)域，集中在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋和翼子板上部。此區(qū)域內(nèi)造型直接影響碰撞試驗(yàn)的得分，在實(shí)際的事故中影響著行人頭部傷害的程度。

在此區(qū)域的造型既要滿足美觀，又要降低對(duì)行人的傷害，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板不要設(shè)計(jì)有尖銳的棱角，即使有棱角也要弱化，如果出于造型的特殊需求，將尖銳的棱角設(shè)計(jì)在碰撞區(qū)域之外，這樣就不影響碰撞試驗(yàn)的得分情況。

圖2 頭部碰撞區(qū)域劃分

（2）結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)

1）發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在布置方面，如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板頭部碰撞區(qū)域內(nèi)下方80mm范圍內(nèi)（虛線下方），禁止布有不能壓潰變形的零部件，比如發(fā)動(dòng)機(jī)、電瓶等。在自身結(jié)構(gòu)方面，鈑金結(jié)構(gòu)的剛度要求降到最低，在頭部碰撞后鈑金結(jié)構(gòu)自身能變形壓潰，以吸收碰撞能量，從而降低對(duì)行人頭部的傷害。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋側(cè)向斷面

2）發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鉸鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鉸鏈為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的開關(guān)，設(shè)計(jì)上往往采用料厚較厚的材料，如果發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鉸鏈的位置處于頭部碰撞區(qū)域之內(nèi)，須對(duì)鉸鏈座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行弱化處理，目的還是減少對(duì)行人頭部的傷害。如圖4是未進(jìn)行弱化處理的鉸鏈，如圖5是進(jìn)行弱化處理的。

圖4 非壓潰結(jié)構(gòu)鉸鏈

圖5 壓潰結(jié)構(gòu)鉸鏈

（3）主動(dòng)行人保護(hù)的應(yīng)用

近些年，因?yàn)閭鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)上的行人保護(hù)設(shè)計(jì)，效果并不十分突出，所以各大車企顛覆了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用主動(dòng)保護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)行人頭部。常用的形式有：主動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鉸鏈，在傳感器感知到有行人碰撞到發(fā)動(dòng)機(jī)蓋時(shí)，鉸鏈彈起，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的吸能空間。如圖6。另外一種方案是在主動(dòng)鉸鏈的基礎(chǔ)上增加安全氣囊，在碰到行人時(shí)，氣囊彈出，對(duì)頭部起到緩沖的作用，這樣可以進(jìn)一步降低行人頭部受到的傷害。如圖7。

圖6 主動(dòng)式鉸鏈

圖7 主動(dòng)式氣囊

3 行人頭部保護(hù)方案CAE分析

圖8 CAE模擬分析

發(fā)動(dòng)機(jī)蓋設(shè)計(jì)完后并不急于投產(chǎn)，要經(jīng)過CAE仿真分析，將設(shè)計(jì)的3D數(shù)據(jù)和人頭部數(shù)學(xué)模型在CAE軟件中網(wǎng)格化，然后輸入力學(xué)環(huán)境，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果包括頭部傷害值，鈑金結(jié)構(gòu)變形量和頭部模型的加速度值。根據(jù)這些結(jié)果，分析行人保護(hù)的效果，對(duì)3D數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)指導(dǎo)，之后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，直到滿足CAE仿真分析的量化要求。

4 頭部碰撞試驗(yàn)

（1）頭部碰撞試驗(yàn)的種類

設(shè)計(jì)全面完成之后，緊接下來就是制造樣車。頭部碰撞試驗(yàn)可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的實(shí)際情況。在樣車上劃分出頭部碰撞區(qū)域，這里需要注意的是，區(qū)域要和CAE分析中的區(qū)域保持一致。碰撞區(qū)域分為兒童頭部碰撞區(qū)域和成人頭部碰撞區(qū)域。如圖9所示。

圖9 頭部碰撞試驗(yàn)示意圖

1）兒童頭部碰撞試驗(yàn)。兒童頭部碰撞器重3.5kg，以35km/h的速度沖擊車輛前端的兒童頭部碰撞區(qū)域。測(cè)量其中的物理量，計(jì)算HIC值，對(duì)比法規(guī)要求，判斷是否合格。

a為測(cè)量出的合成加速度，是g的倍數(shù)（1g=9.81m/s2）。t1和t2為碰撞過程中的兩個(gè)時(shí)刻（以s為單位），碰撞開始和結(jié)束之間的某一段時(shí)間區(qū)間，在該時(shí)間區(qū)間內(nèi)HIC取最大值。

2）成人頭部碰撞試驗(yàn)。成人頭部碰撞器重4.5kg，以35km/h的速度沖擊車輛前端的成人頭部碰撞區(qū)域。同樣計(jì)算HIC值，進(jìn)行判斷。

最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果再一次修改設(shè)計(jì)，直到得到滿意的結(jié)果為止。

5 總結(jié)

行人頭部保護(hù)在2018年C-CNAP中已成為必檢內(nèi)容，得分計(jì)入C-CNAP總分之中，可見其重要性，這已然是汽車安全性的一個(gè)風(fēng)向標(biāo)。

在這種背景下，行人頭部保護(hù)變得極為重要，這給主機(jī)廠帶來新的挑戰(zhàn)，可從車輛造型、鈑金結(jié)構(gòu)、CAE仿真分析、樣車試驗(yàn)幾個(gè)方面入手，經(jīng)過系統(tǒng)的控制，產(chǎn)品必然會(huì)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)理念。

行人頭部保護(hù)不是一勞永逸的，新技術(shù)新材料層出不窮，方案必須要緊跟設(shè)計(jì)前沿，這樣的方案才能更加有效、持久。

[1] 于波.汽車與行人碰撞頭部保護(hù)安全性能開發(fā).吉林大學(xué)[D].2017.

[2] 畢騰飛.汽車碰撞行人時(shí)對(duì)行人頭部保護(hù)的研究.武漢理工大學(xué)[D].2013.

[3] 龍騰蛟.基于行人保護(hù)的轎車前部造型特征研究湖南大學(xué)[D]. 2012.

[2] GB-T 24550-2009汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù).

[3] 2018版C-NACP管理規(guī)則.

ProjectDevelopmentOfPedestrian Proctection

Li Zhipeng, Chai Kai, Xu Xiaochun, Yu Bo

( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110141 )

More and more attention has been paid to the safety of cars, especially to the protection of the members of the car, but the protection pedestrian is far from enough. With the implementation of the new regulations, pedestrian protection has been paid more attention. This paper discusses the development of pedestrian head protection,scheme from the aspects ofshape, structure, CAE and test.

Pedestrian head impact; CAE simulation; sheet metal; test; C-NCAP

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.033

U467

A

1671-7988(2019)10-94-03

U467.1

A

1671-7988(2019)10-94-03

李志鵬，工程師，就職于華晨汽車工程研究院。