張永春， 尚 勇， 覃禎員， 呂北京， 徐海瀾， 白芳華

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

根據(jù)對(duì)行人與機(jī)動(dòng)車發(fā)生事故進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)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(dá)62%[1-2]。不同于乘用車，輕型客車具有載貨質(zhì)量重、發(fā)動(dòng)機(jī)罩的長度短且角度大等特點(diǎn)，因此輕型客車對(duì)行人的傷害會(huì)更嚴(yán)重。本文以某輕型客車為研究對(duì)象，采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究出輕型車型對(duì)行人安全的影響因素，總結(jié)出輕型客車行人頭型保護(hù)設(shè)計(jì)前期車型開發(fā)時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及現(xiàn)有車型的改進(jìn)方法。

1 某輕型客車行人保護(hù)頭型仿真與試驗(yàn)

1.1 頭型損傷評(píng)價(jià)方法

20世紀(jì)60年代，科學(xué)家們就開始對(duì)人類的損傷機(jī)理進(jìn)行研究，例如美國韋恩州立大學(xué)的Lissner等人經(jīng)過大量的尸體試驗(yàn)對(duì)人體頭型的耐受度進(jìn)行深入研究，得到了頭型耐受度曲線(WSTC)[3]。目前業(yè)內(nèi)廣泛采用的是頭型損傷評(píng)價(jià)方式，即由Versace于1971年提出的頭型損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間點(diǎn)。

HIC值的大小可預(yù)測(cè)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(shù)為撞擊加速度和撞擊接觸時(shí)間。目前，各國行人保護(hù)法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均采用HIC值評(píng)定試驗(yàn)車輛對(duì)行人頭型的保護(hù)程度。

1.2 行人保護(hù)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(hù)碰撞的能量較小，細(xì)小的幾何特征都會(huì)影響作用區(qū)域的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，影響仿真結(jié)果。與行人碰撞直接相關(guān)的車輛前部結(jié)構(gòu)，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩(特征線、包邊等)、刮水器、前風(fēng)擋玻璃、翼子板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩兩側(cè)鉸鏈以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩前部罩鎖等，這些部件直接影響頭型的響應(yīng)，不能簡(jiǎn)化處理。但考慮到行人保護(hù)頭型碰撞區(qū)域內(nèi)的頭部碰撞點(diǎn)較多，仿真模型的計(jì)算量較大,計(jì)算時(shí)間較長，故需對(duì)行人保護(hù)無影響或影響可忽略不計(jì)的部件模型進(jìn)行簡(jiǎn)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(dǎo)致模型能量的波動(dòng)，增加模型的計(jì)算時(shí)間且輪胎對(duì)結(jié)果影響忽略不計(jì)，故對(duì)輪胎的模型不予考慮。此模型中頭型模塊接觸處的網(wǎng)格目標(biāo)尺寸為5 mm，并按照GTR法規(guī)[12]進(jìn)行碰撞區(qū)域劃線，如圖1所示。

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

(a) 碰撞仿真能量曲線

(b) 質(zhì)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(nèi)設(shè)置加速度傳感器，輸出碰撞過程中如圖3所示，然后根據(jù)式(1)計(jì)算出頭型的傷害值。

(a) 碰撞點(diǎn)CH5處

(a) 碰撞點(diǎn)CH6處

1.3 行人保護(hù)頭型碰撞試驗(yàn)

輕型客車具有發(fā)動(dòng)機(jī)罩長度短且角度大的特點(diǎn)，按照GTR法規(guī)進(jìn)行頭型劃線時(shí)，發(fā)現(xiàn)成人頭型的碰撞集中在風(fēng)擋玻璃區(qū)域，而兒童頭型碰撞主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)罩區(qū)域，由于此次不做風(fēng)擋玻璃區(qū)域的研究，所以本文僅對(duì)兒童頭型的碰撞保護(hù)進(jìn)行研究。選取兒童頭型碰撞區(qū)域內(nèi)部分典型碰撞點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試點(diǎn)的準(zhǔn)備情況如圖4所示，共6個(gè)碰撞測(cè)試點(diǎn)，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(hù)試驗(yàn)準(zhǔn)備情況

1.4 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

根據(jù)GTR法規(guī)選取車輛上對(duì)兒童頭型影響較大的潛在點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，考核兒童頭型沖擊器的合成加速度-時(shí)間曲線，同時(shí)對(duì)兒童頭型碰撞區(qū)域內(nèi)的碰撞點(diǎn)CH5及CH6進(jìn)行撞擊加速度-時(shí)間的數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖3所示，從圖中可發(fā)現(xiàn)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(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果在峰值和峰值時(shí)刻呈現(xiàn)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(jìn)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)罩長度短，長度集中在340～570 mm之間; 發(fā)動(dòng)機(jī)罩角度較大且發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部閑置空間大。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)得知：由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部閑置空間大的特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)罩邊緣、上部兩側(cè)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(dòng)機(jī)罩右側(cè)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(duì)應(yīng)的頭型HIC傷害值分別高達(dá)1 443.73，1 148.61?？梢妰和^型在發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣以及鉸鏈和罩鎖處的傷害值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于法規(guī)要求，因此這些區(qū)域需要進(jìn)一步的優(yōu)化處理。

(a) 發(fā)動(dòng)機(jī)罩右側(cè)鉸鏈處

(b) 發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)方案

在造型設(shè)計(jì)初期可通過微調(diào)造型的方式規(guī)避分縫線等危險(xiǎn)區(qū)域，降低行人保護(hù)的頭型優(yōu)化難度。對(duì)造型的具體改進(jìn)措施如圖6所示，通過造型的修改，使側(cè)面基準(zhǔn)點(diǎn)的位置上移，避開分縫線及鉸鏈等區(qū)域，間接增加發(fā)動(dòng)機(jī)罩與下端硬點(diǎn)的空間距離。當(dāng)頭部沖擊器撞擊側(cè)面基準(zhǔn)點(diǎn)區(qū)域時(shí)，頭型沖擊器會(huì)向側(cè)面滾動(dòng)，有效降低了頭型的傷害值。

若車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩外形不可更改，車輛前端布置很難將這些危險(xiǎn)點(diǎn)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(jìn)方案：方案1，發(fā)動(dòng)機(jī)罩與翼子板銜接處采用軟性橡膠件進(jìn)行鑲嵌過渡；方案2，減小發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板的厚度，由原來的0.7 mm降到0.65 mm。同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩上部兩側(cè)鉸鏈處以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩罩鎖處的連接件進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜趸幚恚ＷC鉸鏈及罩鎖的變形位移，以達(dá)到降低頭型傷害值的目的。

(a) 改進(jìn)前 (b) 改進(jìn)后

2.3 改進(jìn)結(jié)果分析

為了滿足輕型客車行人保護(hù)的空間要求，考慮車輛駕乘人員的視野，將發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)特殊區(qū)域進(jìn)行處理，弱化發(fā)動(dòng)機(jī)罩與翼子板銜接處的連接剛度，增大發(fā)動(dòng)機(jī)罩兩側(cè)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(jìn)后的頭型碰撞點(diǎn)CH5與CH6處的頭型加速度-時(shí)間曲線如圖7所示，從圖中可知，改進(jìn)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(dòng)機(jī)罩邊緣與翼子板邊緣銜接處的頭型HIC值見表1。

(a) 碰撞點(diǎn)CH5處

(b) 碰撞點(diǎn)CH6處

發(fā)罩邊緣部分碰撞點(diǎn)HIC值改進(jìn)前改進(jìn)后(方案1)改進(jìn)后(方案2)改進(jìn)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(dòng)機(jī)罩中間區(qū)域碰撞點(diǎn)頭型的HIC值與改進(jìn)前對(duì)比見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩中間區(qū)域兒童頭型傷害值

通過上述表格中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣處：

1) 方案1并不能有效降低發(fā)罩邊緣對(duì)兒童頭型的HIC值，經(jīng)過仿真進(jìn)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(huì)起到相反的作用，增大兒童頭型的HIC值。

2) 方案2，發(fā)動(dòng)機(jī)罩右側(cè)鉸鏈安裝點(diǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)罩罩鎖處的Z向位移分別為33.59 mm、40.67 mm，對(duì)應(yīng)位置的頭型傷害值分別為901、932，相對(duì)于改進(jìn)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(shí)也能有效降低兒童頭型的HIC值，但相對(duì)于單獨(dú)采用方案2，效果不明顯。

另外，對(duì)于輕型客車而言，發(fā)動(dòng)機(jī)罩兩側(cè)的鉸鏈安裝點(diǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)罩罩鎖處下端需預(yù)留不低于41 mm的變形空間，便于有效降低這兩個(gè)位置的頭型傷害值。

3 結(jié) 論

輕型客車行人保護(hù)優(yōu)化原則可從3個(gè)方面進(jìn)行：

1) 在車輛造型設(shè)計(jì)初期，需要對(duì)造型進(jìn)行評(píng)估與適當(dāng)改進(jìn)，控制側(cè)面基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，調(diào)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(diǎn)”，降低頭部受到傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

2) 在車輛造型確定后，可適當(dāng)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板的材料與屬性，同時(shí)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(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)罩上部兩側(cè)鉸鏈安裝處和發(fā)動(dòng)機(jī)罩罩鎖處，需保證足夠變形余量空間并弱化相關(guān)結(jié)構(gòu)，以降低對(duì)兒童頭型的傷害作用。