某輕型客車行人頭型碰撞保護研究

張永春， 尚 勇， 覃禎員， 呂北京， 徐海瀾， 白芳華

(1.重慶車輛檢測研究院有限公司 國家客車質量監(jiān)督檢驗中心， 重慶 401122；2.南京金龍客車制造有限公司， 南京 211215)

根據對行人與機動車發(fā)生事故進行調查、統計得知，行人最容易受傷的部位為頭部、大腿和小腿，其中因頭部受傷致死的比例高達62%[1-2]。不同于乘用車，輕型客車具有載貨質量重、發(fā)動機罩的長度短且角度大等特點，因此輕型客車對行人的傷害會更嚴重。本文以某輕型客車為研究對象，采用仿真與試驗相結合的方法，研究出輕型車型對行人安全的影響因素，總結出輕型客車行人頭型保護設計前期車型開發(fā)時的結構設計要點以及現有車型的改進方法。

1 某輕型客車行人保護頭型仿真與試驗

1.1 頭型損傷評價方法

20世紀60年代，科學家們就開始對人類的損傷機理進行研究，例如美國韋恩州立大學的Lissner等人經過大量的尸體試驗對人體頭型的耐受度進行深入研究，得到了頭型耐受度曲線(WSTC)[3]。目前業(yè)內廣泛采用的是頭型損傷評價方式，即由Versace于1971年提出的頭型損傷評價標準HIC，并規(guī)定HIC1000為頭型損傷的耐受極限參考值[4-5]，且得到了Mizuno K[6-7]等人的證明。

(1)

式中：a為頭型撞擊加速度；t1和t2為頭型撞擊加速度的接觸時間點。

HIC值的大小可預測顱骨骨折、腦挫裂傷和腦膜外血腫等發(fā)生的可能性[8-9]。從式(1)可知，影響HIC值的主要參數為撞擊加速度和撞擊接觸時間。目前，各國行人保護法規(guī)及相關標準均采用HIC值評定試驗車輛對行人頭型的保護程度。

1.2 行人保護仿真分析

圖1 某輕型客車頭型碰撞區(qū)域

不同于整車碰撞工況，行人保護碰撞的能量較小，細小的幾何特征都會影響作用區(qū)域的動態(tài)響應，影響仿真結果。與行人碰撞直接相關的車輛前部結構，如發(fā)動機罩(特征線、包邊等)、刮水器、前風擋玻璃、翼子板、發(fā)動機罩兩側鉸鏈以及發(fā)動機罩前部罩鎖等，這些部件直接影響頭型的響應，不能簡化處理。但考慮到行人保護頭型碰撞區(qū)域內的頭部碰撞點較多，仿真模型的計算量較大,計算時間較長，故需對行人保護無影響或影響可忽略不計的部件模型進行簡化[9-11]。如車輛A柱之后的零部件的作用不予考慮。由于輪胎模型極易導致模型能量的波動，增加模型的計算時間且輪胎對結果影響忽略不計，故對輪胎的模型不予考慮。此模型中頭型模塊接觸處的網格目標尺寸為5 mm，并按照GTR法規(guī)[12]進行碰撞區(qū)域劃線，如圖1所示。

為確保模型的真實性與可靠性，所有模型在計算過程中沙漏能的比例小于5%，質量增加在5%以內，仿真模型的能量以及質量增加曲線如圖2所示,表明此簡化模型可代替整車模型進行仿真計算。

(a) 碰撞仿真能量曲線

(b) 質量增加曲線

本文所采用的兒童頭型沖擊器有限元模型主要由合成皮膚、底板、Null Shell接觸單元、球體以及加速度傳感器組成[5]。球體凹槽內設置加速度傳感器，輸出碰撞過程中如圖3所示，然后根據式(1)計算出頭型的傷害值。

(a) 碰撞點CH5處

(a) 碰撞點CH6處

1.3 行人保護頭型碰撞試驗

輕型客車具有發(fā)動機罩長度短且角度大的特點，按照GTR法規(guī)進行頭型劃線時，發(fā)現成人頭型的碰撞集中在風擋玻璃區(qū)域，而兒童頭型碰撞主要集中在發(fā)動機罩區(qū)域，由于此次不做風擋玻璃區(qū)域的研究，所以本文僅對兒童頭型的碰撞保護進行研究。選取兒童頭型碰撞區(qū)域內部分典型碰撞點進行試驗，測試點的準備情況如圖4所示，共6個碰撞測試點，頭部碰撞角度為50°，碰撞速度為35 km/h。

圖4 某輕型客車行人保護試驗準備情況

1.4 試驗與仿真結果對比

根據GTR法規(guī)選取車輛上對兒童頭型影響較大的潛在點進行試驗，考核兒童頭型沖擊器的合成加速度-時間曲線，同時對兒童頭型碰撞區(qū)域內的碰撞點CH5及CH6進行撞擊加速度-時間的數據對比，如圖3所示，從圖中可發(fā)現在相同的邊界條件下，輕型客車兒童頭型碰撞區(qū)域碰撞點的試驗結果與仿真結果在峰值和峰值時刻呈現出良好的重合度，間接證明了仿真模型的可靠性。

2 頭型碰撞區(qū)域改進及效果

2.1 原頭型碰撞區(qū)域存在的問題

不同于乘用車，輕型客車尤其是新能源輕型客車具有以下結構特點：發(fā)動機罩長度短，長度集中在340～570 mm之間; 發(fā)動機罩角度較大且發(fā)動機艙內部閑置空間大。

根據以往經驗及數據得知：由于發(fā)動機艙內部閑置空間大的特點，發(fā)動機罩中間區(qū)域的頭型HIC值都集中在800以下，均小于法規(guī)要求的限值；超過法規(guī)要求的HIC1000值的區(qū)域集中在發(fā)動機罩邊緣、上部兩側鉸鏈和前部罩鎖的位置。此次通過仿真得到兒童頭型沖擊器在發(fā)動機罩右側鉸鏈及前部罩鎖區(qū)域的Z向位移量分別為32.28 mm和39.25 mm，如圖5所示。對應的頭型HIC傷害值分別高達1 443.73，1 148.61?？梢妰和^型在發(fā)動機罩邊緣以及鉸鏈和罩鎖處的傷害值遠遠大于法規(guī)要求，因此這些區(qū)域需要進一步的優(yōu)化處理。

(a) 發(fā)動機罩右側鉸鏈處

(b) 發(fā)動機罩前部罩鎖處

圖5 沖擊器沖擊變形位移圖

2.2 頭型碰撞區(qū)域改進方案

在造型設計初期可通過微調造型的方式規(guī)避分縫線等危險區(qū)域，降低行人保護的頭型優(yōu)化難度。對造型的具體改進措施如圖6所示，通過造型的修改，使側面基準點的位置上移，避開分縫線及鉸鏈等區(qū)域，間接增加發(fā)動機罩與下端硬點的空間距離。當頭部沖擊器撞擊側面基準點區(qū)域時，頭型沖擊器會向側面滾動，有效降低了頭型的傷害值。

若車輛發(fā)動機罩外形不可更改，車輛前端布置很難將這些危險點布置在碰撞區(qū)域之外的情況下，在保證零部件正常使用功能的前提下可采用以下改進方案：方案1，發(fā)動機罩與翼子板銜接處采用軟性橡膠件進行鑲嵌過渡；方案2，減小發(fā)動機罩內外板的厚度，由原來的0.7 mm降到0.65 mm。同時對發(fā)動機罩上部兩側鉸鏈處以及發(fā)動機罩罩鎖處的連接件進行適當的弱化處理，保證鉸鏈及罩鎖的變形位移，以達到降低頭型傷害值的目的。

(a) 改進前 (b) 改進后

2.3 改進結果分析

為了滿足輕型客車行人保護的空間要求，考慮車輛駕乘人員的視野，將發(fā)動機罩整體抬升以增加前部變形空間的方式并不可取，因此在一定的空間條件下，需對特殊區(qū)域進行處理，弱化發(fā)動機罩與翼子板銜接處的連接剛度，增大發(fā)動機罩兩側鉸鏈安裝處的下端空間位置來減小兒童頭型的HIC值。

采取以上優(yōu)化措施，改進后的頭型碰撞點CH5與CH6處的頭型加速度-時間曲線如圖7所示，從圖中可知，改進后的峰值得到了有效降低。

采用方案1、方案2及方案1+2的組合得到的發(fā)動機罩邊緣與翼子板邊緣銜接處的頭型HIC值見表1。

(a) 碰撞點CH5處

(b) 碰撞點CH6處

發(fā)罩邊緣部分碰撞點HIC值改進前改進后(方案1)改進后(方案2)改進后(方案1+2)C_2_61 3821 321942940C_3_61 4311 405896889C_4_61 3311 332881863C_5_51 0191 019769783C_5_61 4431 425918901

采用方案2后發(fā)動機罩中間區(qū)域碰撞點頭型的HIC值與改進前對比見表2。

表2 發(fā)動機罩中間區(qū)域兒童頭型傷害值

通過上述表格中的數據可以發(fā)現，對于發(fā)動機罩邊緣處：

1) 方案1并不能有效降低發(fā)罩邊緣對兒童頭型的HIC值，經過仿真進一步分析可知，若增加軟性橡膠件，雖然能起到緩沖吸能的作用，但在邊緣處下方空間有限的情況下，變形到最大位置處若還未發(fā)生回彈，便會起到相反的作用，增大兒童頭型的HIC值。

2) 方案2，發(fā)動機罩右側鉸鏈安裝點和發(fā)動機罩罩鎖處的Z向位移分別為33.59 mm、40.67 mm，對應位置的頭型傷害值分別為901、932，相對于改進前分別降低了37.6%和18.9%，頭型傷害值均低于法規(guī)所要求的限值。

3) 綜合方案，即綜合采用方案1和方案2時也能有效降低兒童頭型的HIC值，但相對于單獨采用方案2，效果不明顯。

另外，對于輕型客車而言，發(fā)動機罩兩側的鉸鏈安裝點和發(fā)動機罩罩鎖處下端需預留不低于41 mm的變形空間，便于有效降低這兩個位置的頭型傷害值。

3 結 論

輕型客車行人保護優(yōu)化原則可從3個方面進行：

1) 在車輛造型設計初期，需要對造型進行評估與適當改進，控制側面基準點的位置，調整頭部碰撞區(qū)域以規(guī)避頭部碰撞區(qū)域邊緣的部分“硬點”，降低頭部受到傷害的風險。

2) 在車輛造型確定后，可適當改進發(fā)動機罩內外板的材料與屬性，同時留有足夠的緩沖空間，以增加緩沖吸能的作用，減小兒童頭型HIC值。

3) 對于發(fā)動機罩上部兩側鉸鏈安裝處和發(fā)動機罩罩鎖處，需保證足夠變形余量空間并弱化相關結構，以降低對兒童頭型的傷害作用。