基于碰撞試驗(yàn)的行人頭部損傷與入侵空間關(guān)系研究

陳超，方銳，王龍亮，韓鵬鵬

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

0 引言

由于缺少有效的防護(hù)措施，與汽車碰撞過(guò)程中行人屬于最易損傷的群體。根據(jù)國(guó)際道路交通事故中心統(tǒng)計(jì)：所有造成致命傷害的交通事故中，行人致命事故占比美國(guó)為12.1%，法國(guó)為11.6%，德國(guó)為14.2%，英國(guó)為22.4%[1]。我國(guó)人車混行十分普遍，行人事故率較高，根據(jù)2009—2014年中國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)數(shù)據(jù)：我國(guó)發(fā)生致命傷害的各類型交通事故中，行人交通事故占比達(dá)25.34%[2]。實(shí)際的交通事故中，行人的身高、體型、步行姿態(tài)及人車撞擊速度和撞擊方向等都存在較大的隨機(jī)性，給研究工作帶來(lái)很大的不便。研究表明行人頭部損傷約占人體所有損傷的30%[3]，且70%～85%的行人-車輛碰撞為汽車前部結(jié)構(gòu)與行人的碰撞，而發(fā)動(dòng)機(jī)罩是車輛前部結(jié)構(gòu)最重要組成部分，是導(dǎo)致頭部損傷的主要構(gòu)件[4]。機(jī)罩外板造型、內(nèi)板結(jié)構(gòu)及機(jī)艙空間布置經(jīng)過(guò)合理的優(yōu)化改進(jìn)后，可有效降低頭部損傷程度，降低行人傷亡比例[5-6]。歐洲、日本等汽車發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)已將行人保護(hù)性能納入強(qiáng)制性法規(guī)[7-8]。為引導(dǎo)國(guó)內(nèi)整車廠商對(duì)行人安全的重視，提升車輛對(duì)行人的保護(hù)性能，我國(guó)在2009年頒布了《汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)》(GB/T 24550-2009)推薦性標(biāo)準(zhǔn)[9]，并于2019年3月更新了該標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估內(nèi)容，其中對(duì)中國(guó)行人道路交通事故特點(diǎn)、行人碰撞損傷研究進(jìn)行了分析總結(jié)[10]。中國(guó)新車型能評(píng)估體系(China New Car Assistant Program, CNCAP)從2018年7月開(kāi)始，對(duì)新上市車型行人保護(hù)性能作出單獨(dú)的星級(jí)評(píng)價(jià)要求[11]。

行人交通環(huán)境仍然十分嚴(yán)峻，現(xiàn)行法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、NCAP測(cè)試體系對(duì)行人頭部的防護(hù)性要求日趨嚴(yán)格，迫使整車廠商在新車開(kāi)發(fā)過(guò)程中更加重視行人頭部的安全防護(hù)設(shè)計(jì)。這需要對(duì)行人頭部的損傷機(jī)制、碰撞過(guò)程、空間布置等進(jìn)行系統(tǒng)的研究。清華大學(xué)聶冰冰等[12-13]對(duì)頭部與機(jī)罩撞擊過(guò)程、加速度波形進(jìn)行了系統(tǒng)的分析總結(jié)，結(jié)合工程實(shí)例提出了一種新型的夾層板機(jī)罩結(jié)構(gòu)，可有效降低頭部損傷。P DAPHAL和A MAHAPATRE[14]基于簡(jiǎn)化波形與理想積分時(shí)間從理論和試驗(yàn)方面討論了最小入侵空間及頭部損傷的關(guān)系等。湖南大學(xué)周俊等人[15]基于簡(jiǎn)化加速度波形討論了HIC值的簡(jiǎn)化計(jì)算方式，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)不同波形優(yōu)劣進(jìn)行了分析和改進(jìn)。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多以理想波形或理想積分時(shí)間為前提，少有基于大量試驗(yàn)結(jié)果討論頭部HIC值與入侵空間之間的分布及邊界關(guān)系。而實(shí)際碰撞試驗(yàn)中，頭部加速度曲線隨機(jī)波動(dòng)，無(wú)明顯的規(guī)則性，積分時(shí)間寬度也變化不一，通過(guò)理想化條件進(jìn)行預(yù)估和推導(dǎo)存在一定局限。本文作者旨在基于實(shí)車碰撞試驗(yàn)對(duì)行人頭部入侵空間與HIC值之間的邊界關(guān)系進(jìn)行研究。通過(guò)統(tǒng)計(jì)GB/T 24550-2009與CNCAP工況下行人頭部試驗(yàn)參數(shù)，分析得出兩種工況下兒童、成人頭部入侵空間與HIC值之間分別呈指數(shù)和對(duì)數(shù)分布，相關(guān)系數(shù)的平方均在0.90以上。討論了同一入侵空間下不同HIC值及同一HIC值下不同入侵空間對(duì)應(yīng)的加速度波形特點(diǎn)。這一研究將為新車型行人頭部碰撞安全性能開(kāi)發(fā)提供參考。

1 行人頭部測(cè)試方案

1.1 行人頭部測(cè)試方法及損傷定義

作者基于汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)(GB/T 24550-2009)及CNCAP測(cè)試規(guī)程中行人頭部碰撞進(jìn)行研究。行人頭部分為兒童頭部和成人頭部，測(cè)試方法及參數(shù)如圖1和表1所示。GB/T 24550-2009及CNCAP中均是以包絡(luò)線(Wrap Around Distance，WAD)1700作為兒童頭部和成人頭部分界線。上述法規(guī)及測(cè)試規(guī)程中頭部碰撞傷害通過(guò)頭部損傷指標(biāo)(Head Injury Criterion, HIC)進(jìn)行評(píng)價(jià)[10,12]，其定義為

(1)

式中：a為頭部沖擊器質(zhì)心處合成加速度，單位為9.8 m/s2；t1、t2分別為HIC達(dá)到最大時(shí)計(jì)算窗口的起、止時(shí)間，單位為ms，t2-t1≤15 ms。

對(duì)式(1)進(jìn)行變換可得：

(2)

式中:aaverage為t2-t1區(qū)間內(nèi)平均加速度，單位為9.8 m/s2。由式(2)可知，頭部HIC值與其平均加速度大小有關(guān)。

圖1 頭部測(cè)試方法示意

表1 GB/T 24550-2009與CNCAP頭部試驗(yàn)條件

1.2 行人頭部入侵空間

行人頭部試驗(yàn)時(shí)，頭型沖擊器以某一初始速度ν，沿一定的沖擊角度β與發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行碰撞，沿著沖擊方向頭型沖擊器入侵的距離即為頭部入侵空間。頭部碰撞入侵空間示意如圖2所示。碰撞發(fā)生后，機(jī)罩在沖擊作用下與頭型沖擊器共同運(yùn)動(dòng)，隨著機(jī)罩變形的增大，頭型沖擊器的入侵距離逐漸增大，若此時(shí)機(jī)艙空間預(yù)留不足，則很可能引起沖擊器與機(jī)艙硬點(diǎn)結(jié)構(gòu)(如蓄電池、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器等)發(fā)生二次撞擊，導(dǎo)致頭部加速度持續(xù)增加，最終造成頭部HIC值過(guò)大。

圖2 頭部碰撞入侵空間示意

由式(2)可知，為減小頭部損傷HIC值，需降低頭部平均加速度。在頭部碰撞區(qū)域內(nèi)預(yù)留合理的吸能潰縮空間，可緩沖頭部沖擊過(guò)程，減小頭部加速度，進(jìn)而降低頭部平均加速度。然而，不同的碰撞位置、不同的機(jī)罩剛結(jié)構(gòu)及不同的外板傾斜角度對(duì)應(yīng)的頭部加速度大小、波形各不相同，對(duì)入侵空間的需求也隨之波動(dòng)。在實(shí)際工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通常存在頭部吸能空間需求不足導(dǎo)致部分區(qū)域傷害值超標(biāo)、失分嚴(yán)重，或是采用“過(guò)設(shè)計(jì)”，預(yù)留足夠空間充分保證頭部入侵距離，但該方法可能對(duì)其他專業(yè)性能造成影響，而且空間預(yù)留也難以精確把握。因此，基于大量行人頭部實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果，借助統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究入侵空間與HIC傷害值之間實(shí)際的關(guān)系分布，對(duì)于新車型行人保護(hù)性能開(kāi)發(fā)及真實(shí)交通道路事故中行人頭部保護(hù)均有重要意義。

2 試驗(yàn)車型及其結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.1 試驗(yàn)車型說(shuō)明

為便于定性分析，本文作者統(tǒng)計(jì)了涵蓋A級(jí)車、B級(jí)車、緊湊SUV及中型SUV等近30款車型機(jī)罩材質(zhì)為鋼的行人頭部碰撞試驗(yàn)入侵空間及HIC值，鋁合金與塑料材質(zhì)機(jī)罩不在此次研究范圍。GB/T 24550-2009法規(guī)試驗(yàn)為10款車型，包括120個(gè)兒童頭部碰撞點(diǎn)、24個(gè)成人頭部碰撞點(diǎn)。CNCAP試驗(yàn)涉及19款車型，包括180個(gè)兒童頭部碰撞點(diǎn)、108個(gè)成人頭部碰撞點(diǎn)。試驗(yàn)車型及點(diǎn)數(shù)分布如表2所示。

表2 試驗(yàn)車型及點(diǎn)數(shù)分布

2.2 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.2.1 GB/T 24550-2009試驗(yàn)結(jié)果

GB/T 24550-2009試驗(yàn)頭部入侵空間與HIC值分布如圖3所示，圖中每一個(gè)點(diǎn)均代表一次試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可知：隨著入侵空間的增大，頭部HIC值呈下降趨勢(shì)，且同一個(gè)入侵空間下頭部HIC值存在一定的波動(dòng)，即對(duì)應(yīng)不同的HIC值。主要原因?yàn)殡m然頭部入侵空間相同，但對(duì)應(yīng)碰撞區(qū)域的機(jī)罩剛強(qiáng)度、機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)、造型角度、邊界約束條件均不同，上述因素會(huì)影響頭部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及緩沖吸能效率，導(dǎo)致頭部加速度波形存在較大差異，進(jìn)而影響頭部HIC值的大小。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：同一入侵空間下，頭部HIC值的波動(dòng)范圍有限。為得到入侵空間與對(duì)應(yīng)的HIC值上、下邊界值之間的準(zhǔn)確關(guān)系，分別提取了兒童頭部、成人頭部在入侵空間覆蓋范圍內(nèi)頭部HIC值上、下邊界值，然后進(jìn)行數(shù)值擬合，得到兒童頭部入侵空間與HIC值波動(dòng)上限滿足公式HIC=e6·L-1.65(式中：L為入侵空間，單位mm，以下如同)，二者之間相關(guān)系數(shù)R的平方為0.983，說(shuō)明兒童頭部入侵空間與HIC值波動(dòng)上限呈高度的指數(shù)相關(guān)性。基于同一方法，對(duì)兒童頭部入侵空間與HIC值波動(dòng)下限進(jìn)行擬合，得到關(guān)系式HIC=3e6·L-2.05，相關(guān)系數(shù)R的平方為0.981，說(shuō)明兒童頭部入侵空間與HIC值波動(dòng)下限也呈高度的指數(shù)相關(guān)性。同理，得到成人頭部入侵空間與HIC值波動(dòng)上限滿足關(guān)系HIC=-1 928·lnL+9 217，相關(guān)系數(shù)R的平方為0.949；成人頭部HIC值下限與入侵空間公式為HIC=-1 633·lnL+7 549，相關(guān)系數(shù)R的平方為0.931。分析結(jié)果表明，可以用上述公式表征GB/T 24550-2009工況下頭部入侵空間與對(duì)應(yīng)的HIC值波動(dòng)界限之間的關(guān)系。

圖3 GB/T 24550-2009頭部試驗(yàn)結(jié)果分布

2.2.2 CNCAP試驗(yàn)結(jié)果

CNCAP試驗(yàn)頭部入侵空間與HIC值分布如圖4所示。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，得到兒童頭部入侵空間與HIC值波動(dòng)上限關(guān)系式為HIC=67 935·L-1.43，相關(guān)系數(shù)R的平方為0.962；兒童頭部入侵空間與HIC值波動(dòng)下限關(guān)系式為HIC=e6·L-1.69，相關(guān)系數(shù)R的平方為0.957。成人頭部入侵空間與HIC值上限關(guān)系式為HIC=-2 396·lnL+12 155，相關(guān)系數(shù)R的平方為0.903；成人頭部入侵空間與HIC值波動(dòng)下限關(guān)系式為HIC=-2 001·lnL+9 563，相關(guān)系數(shù)R的平方為0.951。擬合結(jié)果表明：CNCAP試驗(yàn)工況下兒童頭部入侵空間與對(duì)應(yīng)的HIC值上限、HIC值下限呈高度相關(guān)的指數(shù)關(guān)系，成人頭部入侵空間與對(duì)應(yīng)的HIC值上限、HIC值下限呈較為嚴(yán)格的對(duì)數(shù)關(guān)系。需說(shuō)明的是，成人頭部碰撞區(qū)域在60～70 mm之間有局部試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏離，主要原因?yàn)樵摬糠峙鲎颤c(diǎn)大多分布在玻璃根部或風(fēng)窗橫梁區(qū)域，該區(qū)域剛強(qiáng)度較大，入侵空間有限，相同頭部入侵下頭部整體加速度大，通常導(dǎo)致更惡劣的頭部損傷，因而，成人頭部HIC值上限擬合公式局部出現(xiàn)一定偏離，但整體趨勢(shì)基本吻合。分析結(jié)果表明，可以用上述公式表征CNCAP工況下頭部入侵空間與對(duì)應(yīng)的HIC值上、下限之間的關(guān)系。

圖4 CNCAP頭部試驗(yàn)結(jié)果分布

3 結(jié)果對(duì)比及優(yōu)化

由圖3、圖4可知：兩種試驗(yàn)工況下同一頭部入侵空間對(duì)應(yīng)的HIC值存在較大的波動(dòng)，說(shuō)明頭部緩沖吸能空間利用率存在很大差異；同一HIC值對(duì)應(yīng)不同的入侵空間，說(shuō)明機(jī)罩及機(jī)艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不合理的區(qū)域。

3.1 同一入侵空間下頭部HIC值差異對(duì)比研究

以CNCAP工況兒童頭部入侵空間為80 mm的試驗(yàn)點(diǎn)為例，提取了80 mm入侵空間下頭部HIC值為623(波動(dòng)下限)、1 000(波動(dòng)中間區(qū)域)、1 255(波動(dòng)上限)的頭部加速度曲線，如圖5所示?？芍篐IC值為623對(duì)應(yīng)的加速度曲線為單峰，且碰撞初始加速度較大，在2 ms時(shí)即達(dá)到最大138g，然后加速度持續(xù)減小，此加速度波形為典型的“前三角形”波形[15]。該碰撞點(diǎn)分布在機(jī)罩中間區(qū)域。機(jī)罩中間區(qū)域頭部加速度主要與機(jī)罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形區(qū)域大小有關(guān)[13]。該區(qū)域遠(yuǎn)離機(jī)罩邊界支撐，邊界約束作用對(duì)變形影響不明顯，且機(jī)罩長(zhǎng)、寬方向幾何跨度較大，相比較機(jī)罩結(jié)構(gòu)更易潰縮變形。HIC值為1 000對(duì)應(yīng)的加速度曲線初始峰值較大，3 ms時(shí)達(dá)到最大102g，但明顯小于“前三角形”波形的初始峰值，隨后加速度出現(xiàn)局部下降，從5 ms開(kāi)始加速度緩慢上升，出現(xiàn)第二個(gè)峰值，前后加速度峰值波動(dòng)大概5g，且二峰值出現(xiàn)時(shí)刻均在HIC值計(jì)算窗口內(nèi)，此加速度波形可看作為“方波形”波形，即加速度維持在某一高度，波動(dòng)范圍相對(duì)較小。該類碰撞點(diǎn)接近機(jī)罩邊界約束區(qū)域但與機(jī)罩邊界約束還存在一定空間距離，主要分布在機(jī)罩中間靠近水箱橫梁、大燈安裝橫梁、通風(fēng)蓋板前部等區(qū)域，除受機(jī)罩鋼結(jié)構(gòu)影響外，還受邊界約束條件的影響。HIC值為1 255對(duì)應(yīng)的加速度曲線初始峰值不明顯，碰撞開(kāi)始后，頭部加速度持續(xù)上升，在9～11 ms時(shí)達(dá)到最大值141g，此加速度波形為典型的 “后三角形”波形。該類碰撞點(diǎn)為機(jī)罩邊界區(qū)域，該區(qū)域主要受邊界約束影響，從碰撞初始頭部即受到邊界約束條件的阻撓作用，導(dǎo)致加速度持續(xù)上升，另外該區(qū)域分布各類車身硬點(diǎn)結(jié)構(gòu)，碰撞后期還可能引起頭部加速度的二次提升，造成頭部加速度持續(xù)增大或者出現(xiàn)明顯的二次峰值。圖5中同一入侵空間下3種HIC值對(duì)應(yīng)的加速度波形說(shuō)明，“前三角形”加速度模式頭部入侵空間利用率最佳，“方波形”次之，“后三角形”的空間利用率最差，實(shí)車優(yōu)化時(shí)合理提高頭部碰撞加速度的初始峰值對(duì)降低HIC值有利。

圖5 兒童頭部入侵空間80 mm對(duì)應(yīng)3種加速度曲線

3.2 同一頭部HIC值下入侵空間差異對(duì)比研究

以CNCAP工況兒童頭部HIC值為995左右的試驗(yàn)點(diǎn)為例。分別提取HIC值為998、入侵空間為66 mm，HIC值為992、入侵空間為76 mm，HIC值為993、入侵空間為85 mm的3組頭部加速度曲線，如圖6所示。3組試驗(yàn)HIC值差值在3以內(nèi)，但入侵空間相差19 mm。入侵空間為66 mm的加速度在2 ms內(nèi)即達(dá)到最大175g，隨后加速度迅速減小，此類曲線為典型的“前三角形”波形，實(shí)現(xiàn)了較小的空間布置即可滿足一定的HIC值。入侵空間為76 mm的加速度曲線波峰較寬，整體加速度維持在100g上下，為“方波形”波形。入侵空間為85 mm的加速度在碰撞開(kāi)始后持續(xù)增大，曲線呈“后三角形”波形，此工況頭部入侵空間最大，但相比“前三角形”波形曲線，增加了近20 mm才能滿足同樣傷害值，其空間利用率最低。

圖6 兒童頭部HIC值約為995時(shí)對(duì)應(yīng)3種加速度曲線

分析可得，在機(jī)罩中間靠近邊界區(qū)域，即加速度曲線表現(xiàn)為“方形波”的頭部碰撞區(qū)域，可通過(guò)在機(jī)罩內(nèi)外板之間增加局部加強(qiáng)板、增加焊點(diǎn)等增大機(jī)罩剛強(qiáng)度，進(jìn)而提升機(jī)罩鋼結(jié)構(gòu)自身的吸能效率，以提高頭部碰撞初始加速度峰值，降低碰撞后期頭型加速度，更合理地利用頭部空間，降低頭部空間尺寸要求。在機(jī)罩邊界區(qū)域，機(jī)罩約束條件對(duì)頭部傷害起主導(dǎo)作用，概念設(shè)計(jì)時(shí)盡可能通過(guò)造型設(shè)計(jì)進(jìn)行區(qū)域點(diǎn)的規(guī)避，同時(shí)可適當(dāng)降低該區(qū)域內(nèi)機(jī)艙內(nèi)飾、安裝支架的剛強(qiáng)度，預(yù)留更多的吸能空間，降低“后三角形”加速度波形的加速度峰值，達(dá)到頭部保護(hù)目的。

4 總結(jié)

基于GB/T 24550-2009與CNCAP行人頭部碰撞試驗(yàn)結(jié)果，分析了頭部入侵空間與HIC值上、下限之間的邊界關(guān)系，討論了同一入侵空間下不同HIC值及同一HIC值下不同入侵空間對(duì)應(yīng)的加速度波形特點(diǎn)，得出結(jié)論如下：

(1)GB/T 24550-2009、CNCAP工況下，隨著入侵空間的增大，頭部HIC值整體上呈明顯下降趨勢(shì)。其中兒童頭部入侵空間與HIC值上、下限呈高度的指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)平方值均在0.95以上；成人頭部入侵空間與HIC值上、下限呈較嚴(yán)格的對(duì)數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)平方值均在0.90以上。實(shí)際車型開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，可利用文中擬合公式對(duì)機(jī)艙空間的最小值進(jìn)行預(yù)估，提供設(shè)計(jì)參考。

(2)同一入侵空間下頭部HIC值存在一定的波動(dòng)，“前三角形”加速度波形對(duì)頭部吸能空間的利用率最佳，“方波形”次之，“后三角形”加速度波形空間利用率最差，合理提高頭部碰撞加速度的初始峰值對(duì)降低HIC值有利。同一HIC值下對(duì)應(yīng)的入侵空間也存在較大差異，“前三角形”加速度模式在較小的入侵空間下即可滿足一定的HIC值，而“后三角形”加速度波形需要更多的入侵空間，空間利用率大大降低。

(3)機(jī)罩內(nèi)外板、車身結(jié)構(gòu)、機(jī)艙布置等優(yōu)化，需綜合考慮碰撞區(qū)域的約束條件。機(jī)罩中間靠近邊界約束區(qū)域，頭部加速度曲線呈現(xiàn)“方形波”，可通過(guò)增大機(jī)罩鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)提高頭部碰撞初始加速度峰值，合理利用吸能空間。機(jī)罩邊界區(qū)域，機(jī)罩約束條件對(duì)頭部傷害起主導(dǎo)作用，可通過(guò)造型規(guī)避區(qū)域，同時(shí)降低該區(qū)域機(jī)艙內(nèi)飾、安裝支架的剛強(qiáng)度，預(yù)留更大吸能空間，降低碰撞后期加速度峰值，達(dá)到行人保護(hù)性能要求。

(4)由于GB/T 24550-2009成人頭部試驗(yàn)結(jié)果采集樣本有限，頭部入侵空間與HIC值邊界關(guān)系可能存在一定誤差，今后需采集更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)二者對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行充分驗(yàn)證。同時(shí)還需統(tǒng)計(jì)鋁合金機(jī)罩、塑料機(jī)罩的頭部試驗(yàn)結(jié)果，研究總結(jié)不同機(jī)罩材質(zhì)下的入侵空間需求，為新車型開(kāi)發(fā)提供更詳細(xì)的參考。