袁俊彪

上海修源網(wǎng)絡(luò)科技有限公司 上海市 201114

1 引言

隨著我國汽車保有量的不斷增加，交通事故發(fā)生事故的概率也在不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，我國每年在道路交通事故中死亡的人數(shù)最近幾年一直維持在六萬人左右，交通事故中行人往往是最大受害群體。在行人與汽車的碰撞事故中，造成行人損傷級別達(dá)到AIS2-6的主要接觸部位是汽車前保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前風(fēng)擋玻璃。其中大部分致命傷害是導(dǎo)致頭骨骨折或大腦損傷，其致死率高達(dá)80%。因此我國在C-NCAP管理規(guī)則2018版中，將行人保護(hù)納入評價(jià)規(guī)程，評分權(quán)重達(dá)到15%。

目前我國C-NCAP對于行人頭部碰撞的要求如圖1所示。

圖1 C-NCAP行人頭部碰撞示意圖

本文主要針對兒童頭部碰撞發(fā)動(dòng)機(jī)罩造成的傷害進(jìn)行研究[2]，闡述通過對標(biāo)分析，快速、有效降低頭部傷害值的發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。

2 基于行人保護(hù)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

基于行人保護(hù)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 基于行人保護(hù)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

3 基于行人保護(hù)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在新車設(shè)計(jì)時(shí)，通過造型設(shè)計(jì)、總布置設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)三個(gè)方面對車身前部進(jìn)行設(shè)計(jì)約束，以降低行人頭部碰撞的傷害值，提升行人保護(hù)的性能。設(shè)計(jì)約束通常會從以下三方面進(jìn)行約束：

（1）造型設(shè)計(jì)：通過對發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板、翼子板、前保總成等零部件的造型面設(shè)計(jì)，將發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈、發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖、翼子板邊緣等碰撞硬點(diǎn)規(guī)避到碰撞區(qū)域之外；

（2）總布置設(shè)計(jì)：布置機(jī)艙內(nèi)部零件時(shí)需要機(jī)艙零件到發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的間隙要預(yù)留充足，以便在碰撞時(shí)有足夠的變形吸能空間；

（3）工程設(shè)計(jì)：對于無法布置到碰撞區(qū)域之外的設(shè)計(jì)硬點(diǎn)，需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加吸能壓潰結(jié)構(gòu)從而降低頭部傷害值。

遵循以上原則，可以規(guī)避掉大部分影響頭部碰撞的危險(xiǎn)區(qū)域，減少后期因傷害值過高而需要修改設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的工作量。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成行人碰撞區(qū)域劃分

根據(jù)行人保護(hù)碰撞法規(guī)GB/T24550-2009《汽車對行人的碰撞保護(hù)》[3]中的相關(guān)要求對發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成進(jìn)行的行人保護(hù)碰撞區(qū)域劃線，如圖3所示。由劃線可知，某車型無成人頭部碰撞區(qū)域，僅有兒童頭部碰撞區(qū)域。

圖3 頭部碰撞區(qū)域圖

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖布置

在造型前期需要充分考慮鎖體布置對頭部碰撞傷害值的影響，造型時(shí)盡可能使發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣參考線或WAD1000線相對靠后，鎖體布置在發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣參考線或WAD1000線的前方。如果造型限制，則要求發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖扣正對位置距離發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的間隙至少大于65mm。如圖4所示，某車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖扣正對位置距離發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的間隙的間隙為91mm。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈布置

發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈對頭部碰撞傷害值的影響較大，造型時(shí)盡可能使側(cè)面基準(zhǔn)線線相對靠后，鉸鏈布置在側(cè)面基準(zhǔn)線外側(cè)。如果造型限制，則要求鉸鏈下座頂端到機(jī)罩外表面的間隙大于65mm，如圖5所示鉸鏈固定板距離外板的間隙72mm。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖布置圖

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈布置圖

3.4 前大燈設(shè)計(jì)布置

前大燈區(qū)域是頭部碰撞傷害值的重點(diǎn)區(qū)域，造型時(shí)盡可能使前大燈本體到頭部碰撞區(qū)域的發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成外表面垂直距離在65mm以上。如圖6所示某車型前大燈本體到發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成外表面的垂直距離為69mm。

圖6 前大燈結(jié)構(gòu)間隙圖

3.5 雨刮布置

在當(dāng)雨刮布置在頭部碰撞區(qū)域內(nèi)時(shí)，需要將雨刮設(shè)計(jì)成壓潰式雨刮，如果雨刮設(shè)計(jì)成非壓潰式時(shí)，則需要將雨刮軸頂端到發(fā)動(dòng)機(jī)罩外表面的間隙保證在65mm以上，如圖7所示間隙67mm。

圖7 雨刮結(jié)構(gòu)間隙圖

3.6 翼子板安裝支架設(shè)計(jì)布置

在造型設(shè)計(jì)時(shí)盡量讓翼子板邊緣避開行人頭部碰撞區(qū)域，當(dāng)翼子板邊緣無法避讓開行人頭部碰撞區(qū)域時(shí)，需要將翼子板安裝支架設(shè)計(jì)成可壓潰式，可壓潰空間應(yīng)不小于40mm。如圖8所示某設(shè)計(jì)車型翼子板不在碰撞區(qū)域內(nèi)，但可作為以后設(shè)計(jì)車約束使用。

3.7 機(jī)艙總成設(shè)計(jì)布置

在總布置布置機(jī)艙零件時(shí)，需要機(jī)艙零件到發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的間隙要預(yù)留充足，以便在碰撞時(shí)有足夠的變形吸能空間。某設(shè)計(jì)車型的具體吸能空間要求及實(shí)際測量值見表1所示。

表1 機(jī)艙吸能空間要求及實(shí)際測量值

圖8 翼子板支架結(jié)構(gòu)間隙圖

4 發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成結(jié)構(gòu)性能仿真分析

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成行人頭部碰撞傷害值評價(jià)前首先需要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成自身結(jié)構(gòu)的性能分析及評價(jià)。本文分析了發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度、后角剛度、安裝點(diǎn)剛度、約束模態(tài)等結(jié)構(gòu)性能，并以此為約束條件，作為某車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成行人頭部碰撞傷害值分析的前提條件[4]。

某設(shè)計(jì)車型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)性能分析如表2所示。從匯總的數(shù)據(jù)表2所示，各項(xiàng)分析均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 兒童頭型撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩的仿真

根據(jù)C-NCAP管理規(guī)則2018版中的相關(guān)要求，頭型試驗(yàn)區(qū)域最高得分12分，頭部評價(jià)指標(biāo)為HIC15，根據(jù)頭部評價(jià)指標(biāo)HIC15值設(shè)定5 個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間對應(yīng)不同點(diǎn)數(shù)分，并以不同顏色來表示，見表3。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使碰撞區(qū)域內(nèi)的HIC15＜1000。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成結(jié)構(gòu)性能分析結(jié)果

表3 頭型試驗(yàn)區(qū)域預(yù)測結(jié)構(gòu)評定條件

HIC15計(jì)算公式如下所示：

a為測量出的合成加速度，以g為單位

t1和t2為在沖擊過程中的兩個(gè)時(shí)刻，以s為單位。

5.1 兒童頭部碰撞器建立及驗(yàn)證

整個(gè)模型的總質(zhì)量為3.5kg。動(dòng)態(tài)標(biāo)定中，碰撞器模型撞擊剛性平面由速度得出V=2.72m/s，如圖9所示兒童頭部碰撞器模型[5][6]標(biāo)定的加速度峰值為262g，滿足要求。

圖9 兒童頭型及標(biāo)定加速度曲線

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5.2 前車身總成模型建立

兒童頭部碰撞分析模型主要包括車身鈑金、內(nèi)裝飾板、保險(xiǎn)杠、動(dòng)力總成、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、蓄電池、車身電器等零部件。

通過對前車身總成中各個(gè)沖壓鈑金件的幾何清理和網(wǎng)格劃分，并通過連接單元將前車身有限元模型連接成一個(gè)整體，最終得到行人保護(hù)兒童頭部碰撞分析用的前車身有限元模型節(jié)點(diǎn)共232971個(gè)，單元219883個(gè)、焊點(diǎn)1305個(gè)。如圖10所示。

圖10 行人保護(hù)兒童頭部碰撞分析模型圖

5.3 發(fā)動(dòng)機(jī)罩行人保護(hù)碰撞點(diǎn)選擇及分析

兒童頭型碰撞區(qū)域選取碰撞測試點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般選取的位置如下：

◆發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈

◆雨刮器轉(zhuǎn)軸

◆雨刮器

◆翼子板邊緣或發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣

◆較高的艙壁

◆發(fā)動(dòng)機(jī)罩前邊緣

◆發(fā)動(dòng)機(jī)罩前角點(diǎn)

◆離發(fā)動(dòng)機(jī)罩距離較小的部件，例如懸架安裝點(diǎn)、電池、進(jìn)氣部件或其它發(fā)動(dòng)機(jī)附件

◆發(fā)動(dòng)機(jī)罩骨架

◆發(fā)動(dòng)機(jī)罩上表面存在支撐或離支撐最近的點(diǎn)

根據(jù)上述選點(diǎn)位置，在兒童頭型碰撞區(qū)域選取9個(gè)碰撞測試點(diǎn)，如圖11所示。

圖11 碰撞點(diǎn)分布圖

根據(jù)選取碰撞點(diǎn)的坐標(biāo)值，定義兒童頭部碰撞速度為40km/h，碰撞角度為50°，仿真得出HIC15傷害值。表4.4為某設(shè)計(jì)車型行人頭部碰撞HIC15分析結(jié)果。

表4 行人頭部碰撞HIC15分析結(jié)果表

表5 材料性能對比表

其中C3-3的HIC15傷害值為1008，超出設(shè)計(jì)要求。圖12為C3-3處兒童頭部碰撞點(diǎn)的加速度曲線圖。

圖12 兒童頭部碰撞點(diǎn)的加速度曲線圖

5.4 發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成結(jié)構(gòu)改進(jìn)

基于上述分析結(jié)果得知，位于發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈位置處的C3-3碰撞點(diǎn)HIC15傷害值不滿足設(shè)計(jì)要求，需要對發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)[7]。

影響頭部碰撞傷害值的主要因素是碰撞點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)剛性過強(qiáng)。而零部件結(jié)構(gòu)剛性主要受以下三個(gè)方面影響：（1）零部件材料及厚度；（2）零部件結(jié)構(gòu)；（3）碰撞緩沖空間。

5.4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩材料及厚度分析

對標(biāo)車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板常用材料為DC05、DC06、B180H1等，材料化學(xué)成分及性能對比如表5所示，從材料對比來看DC06是屈服強(qiáng)度最低的材料；同時(shí)Benchmark對標(biāo)車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈常用材料為SAPH440。而設(shè)計(jì)車發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成內(nèi)外板的材質(zhì)為DC06，發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈材料為SAPH440，因此某設(shè)計(jì)車零件的選材，符合設(shè)計(jì)要求。

設(shè)計(jì)車發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板料厚為0.65mm，內(nèi)板料厚為0.7mm，鉸鏈料厚3.0mm。對比以往量產(chǎn)車型及競品車料厚，對比表見表6。從對比結(jié)果來看設(shè)計(jì)車發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板及鉸鏈料厚選擇合理。

5.4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈結(jié)構(gòu)分析

因位于發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈位置處的C3-3碰撞點(diǎn)HIC15傷害值不滿足設(shè)計(jì)要求，故重點(diǎn)對其分析。由于設(shè)計(jì)車發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈?zhǔn)茄赜眉?，無壓潰結(jié)構(gòu)，剛性支撐發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成，初步判斷為不滿足設(shè)計(jì)要求的原因之一。與之對應(yīng)的是壓潰式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈，發(fā)生碰撞時(shí)，鉸鏈可被壓潰變形，使頭型獲得較大的變形空間，從而能有效地降低行人頭部碰撞傷害指標(biāo)HIC15值。圖13為參考對標(biāo)車型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，更改前后對比。

5.4.3 碰撞緩沖空間分析

對于影響傷害值的原因之一的緩沖空間，某車型在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)已考慮頭部碰撞的緩沖空間，并將鉸鏈下座頂端到機(jī)罩外表面的間隙值設(shè)計(jì)成大于65mm。因此某設(shè)計(jì)車的碰撞緩沖空間設(shè)計(jì)合理。

綜合以上所示，造成碰撞點(diǎn)C3-3傷害值不滿足要求的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。將更改后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈結(jié)構(gòu)重新分析碰撞點(diǎn)C3-3處的行人頭部碰撞的HIC15傷害值，更改前后的兒童頭部碰撞點(diǎn)的加速度曲線對比圖，如圖14所示碰撞點(diǎn)C3-3修改后的傷害值為846.4，滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板料厚對比表

圖13 設(shè)計(jì)車發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈更改前后對比

圖14 更改前后C3-3的加速度曲線對比圖

圖15 C3-3點(diǎn)處仿真與試驗(yàn)的加速度曲線對比

6 發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成試驗(yàn)驗(yàn)證

將兒童頭型碰撞發(fā)動(dòng)機(jī)罩傷害值HIC15進(jìn)行匯總，并與有限元分析數(shù)值進(jìn)行對比，驗(yàn)證了理論模型的正確性。從表7匯總的數(shù)據(jù)來看，試驗(yàn)測量的兒童頭型碰撞發(fā)動(dòng)機(jī)罩傷害值HIC15＜1000，滿足設(shè)計(jì)要求。其中C3-3處有限元分析與試驗(yàn)測量的試驗(yàn)點(diǎn)加速度曲線對比圖如圖15所示。

表7 有限元分析值與試驗(yàn)值對比表

7 結(jié)語

（1）造型設(shè)計(jì)階段根據(jù)行人保護(hù)要求的設(shè)計(jì)約束條件，并展開結(jié)構(gòu)及碰撞區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)布置，規(guī)避行人頭部碰撞中的設(shè)計(jì)硬點(diǎn)，可以有效降低碰撞中兒童頭部的傷害值，減少后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化的工作量。

（2）利用Benchmark設(shè)計(jì)對標(biāo)方法可以快速有效分析頭部碰撞傷害值不滿足設(shè)計(jì)要求的區(qū)域，有針對性的進(jìn)行改進(jìn)。

（3）加強(qiáng)正面碰撞和疲勞強(qiáng)度為約束條件的闡述，提升發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成結(jié)構(gòu)安全性和可靠性是下一步研究的方向。