周 俊 徐飛云 成艾國(guó) 陳 濤 趙 敏

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)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(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，因?yàn)樾腥瞬煌谲噧?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(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)碰撞過(guò)程具有很大的不確定性，這給研究工作帶來(lái)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(huì)帶來(lái)致命性傷害甚至致死，而腿部的碰撞往往會(huì)致傷。為了簡(jiǎn)化研究過(guò)程，目前很多國(guó)家（包括我國(guó)）都采用以下三個(gè)部件試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)車輛的行人保護(hù)性能：①下腿部（包括膝關(guān)節(jié)）與保險(xiǎn)杠的碰撞；②上腿部與發(fā)動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)化的研究方式對(duì)車輛行人保護(hù)性能的評(píng)估是可行的。

國(guó)外的一些文獻(xiàn)介紹了如何通過(guò)合理地設(shè)計(jì)人—車碰撞時(shí)頭部的加速度曲線來(lái)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(guò)定量比較幾種常見(jiàn)的加速度近似波形對(duì)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(dòng)機(jī)罩特定位置適當(dāng)“硬”一點(diǎn)，對(duì)頭部保護(hù)反而有好處。最后借助于有限元軟件，在實(shí)際案例中對(duì)該思想進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了頭部傷害的優(yōu)化。

1 頭部傷害評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及改善探討

1.1 頭部傷害的評(píng)定

目前很多國(guó)家采用頭部沖擊傷害標(biāo)準(zhǔn)（head injury criterion，HIC）值來(lái)評(píng)價(jià)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(shí)刻；t2為相對(duì)于t1時(shí)刻來(lái)說(shuō)使得HIC值最大的時(shí)刻，并且滿足t2－t1≤15ms。

按照我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于汽車對(duì)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(diǎn)的HIC值不能超過(guò)1000，剩下區(qū)域的HIC值不能超過(guò)1700［7］。

1.2 頭部傷害改善方案探討

人－車碰撞的一般過(guò)程如圖1所示［8］。

圖1 人－車碰撞過(guò)程

試驗(yàn)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(shí)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(shí)，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(jì)對(duì)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(dòng)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(guò)大，所以增大吸能空間能有效地降低頭部傷害程度。為此，國(guó)外一些高檔車裝備了發(fā)動(dòng)機(jī)罩彈起機(jī)構(gòu)，碰撞發(fā)生時(shí)發(fā)動(dòng)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(guò)增大發(fā)動(dòng)機(jī)罩的高度來(lái)增大吸能空間，但是駕駛員的視野和車輛的空氣動(dòng)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(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頭部傷害的優(yōu)化，即是要盡可能地降低撞擊時(shí)的HIC值。由上述討論可知，HIC值過(guò)大往往是因?yàn)樽冃挝芸臻g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(guò)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?jī)r(jià)值。

三種常見(jiàn)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(guò)對(duì)多個(gè)試驗(yàn)碰撞點(diǎn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，行人頭部同車輛前端發(fā)生碰撞時(shí)，從有效碰撞時(shí)刻（即頭部開(kāi)始接觸車輛第一撞擊點(diǎn)）開(kāi)始，頭部質(zhì)心加速度可以近似簡(jiǎn)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(diǎn)處剛度較大，然后逐漸有一個(gè)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(diǎn)”。

為了研究的方便，假定頭部碰撞過(guò)程中頭部質(zhì)心處加速度的趨勢(shì)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(shí)間均為tp（此處沒(méi)有考慮反彈過(guò)程）。

根據(jù)HIC值的定義可知（盡管此處并沒(méi)有特別指明計(jì)算過(guò)程中積分時(shí)間不應(yīng)超過(guò)15ms，但是通過(guò)筆者前期對(duì)多款車型、多個(gè)碰撞點(diǎn)的加速度曲線分析發(fā)現(xiàn)，HIC值計(jì)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(huì)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(kāi)始接觸直到其速度第一次降為零的過(guò)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(shí)為了確保三種加速度波形具有可比性，假設(shè)碰撞過(guò)程中三角形波加速度和矩形波加速度對(duì)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(xiě)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(shí)，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(guò)程中，如果吸能空間不足，可以通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí)例應(yīng)用

以下介紹某款車型通過(guò)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(píng)價(jià)指標(biāo)是HIC值，根據(jù)其計(jì)算公式可以看出，它對(duì)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(guò)程中考慮到碰撞過(guò)程中車體后側(cè)部件基本不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，對(duì)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(huì)導(dǎo)致計(jì)算過(guò)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(duì)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(lái)建模，并采用16號(hào)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(dòng)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(yàn)證

為了保證仿真的可靠性，首先需對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)估。下面以發(fā)動(dòng)機(jī)罩上某個(gè)撞擊點(diǎn)為例，對(duì)試驗(yàn)時(shí)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(yàn)照片。

圖4 兒童頭部碰撞試驗(yàn)

頭部質(zhì)心處合成加速度曲線對(duì)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(yàn)曲線的峰值、變化趨勢(shì)、變化歷程吻合得比較好，并且可以通過(guò)計(jì)算得出試驗(yàn)HIC值與仿真HIC值分別為862.0和858.1。因此說(shuō)明，仿真具有足夠高的可靠性，可以運(yùn)用于對(duì)頭部碰撞傷害的評(píng)估。

3.3 碰撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

此處選擇其中一個(gè)碰撞點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。原始車型中，該點(diǎn)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(guò)程中頭部質(zhì)心加速度在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)維持在一個(gè)較高的水平，近似上文所述的“矩形波”，因而HIC值很高。為了實(shí)現(xiàn)頭部保護(hù)，可以考慮在該區(qū)域發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板之間增加一個(gè)支架。該支架的大小及安裝位置需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的造型及需要來(lái)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(huì)導(dǎo)致碰撞中頭部質(zhì)心加速度出現(xiàn)一個(gè)很大峰值，此時(shí)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?yàn)榇藭r(shí)只會(huì)使頭部質(zhì)心加速度在剛接觸時(shí)略微增加，HIC值并不會(huì)降低。因此，需根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合試驗(yàn)或仿真結(jié)果對(duì)支架進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文采用了一個(gè)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(shuō)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(guò)優(yōu)化后碰撞深度也有所降低。對(duì)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(dòng)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(shí)間內(nèi)下降并在一個(gè)低水平內(nèi)維持較長(zhǎng)時(shí)間，即接近前三角形波形，雖然后續(xù)過(guò)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(píng)價(jià)指數(shù)HIC值的計(jì)算式入手，在理論上證實(shí)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(shí)，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(shí)可以通過(guò)尋求最優(yōu)化的頭部質(zhì)心處加速度曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)頭部受傷程度的優(yōu)化。本文正是基于這一思想，在發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板間增加了剛性支架作為支撐來(lái)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(duì)某些車型的特殊位置的行人保護(hù)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

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