李俊杰 楊平平 丁佐鑫 許威 邱娟 王睿

（1. 中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司 北京 100024；2. 國家安全玻璃及石英玻璃質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 北京 100024）

0 引言

汽車前風(fēng)窗玻璃指汽車前部為駕駛員提供清晰視野的安全玻璃。不僅能夠?yàn)轳{駛員提供清晰視野，保護(hù)車內(nèi)乘員安全，兼顧擋風(fēng)、隔音、隔熱性能，同時還具備盡可能不對行人造成傷害的功能。伴隨著世界各國對行人保護(hù)安全意識的不斷提升，行業(yè)對汽車前風(fēng)窗玻璃提出了更高的安全性能要求［1］。

關(guān)于汽車行人保護(hù)評價規(guī)則，2009年我國發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護(hù)》，對汽車行人保護(hù)所涉及的行人頭部、兒童頭部、大腿及小腿保護(hù)進(jìn)行了詳細(xì)的評價方法以及評價指標(biāo)的規(guī)定［2］。該標(biāo)準(zhǔn)與歐盟ECE R127相近，修改采用了2008年發(fā)布的全球技術(shù)法規(guī)Global technical regulation No. 9 pedestrian safety（簡稱GTR9），該評價體系并未涉及汽車前風(fēng)窗玻璃［3,4］。但對于汽車-行人碰撞的事故分析可以發(fā)現(xiàn)前風(fēng)窗玻璃區(qū)域在實(shí)際車輛-行人事故傷害量中所占的比例相當(dāng)大；其次，為適應(yīng)節(jié)能環(huán)保的號召，現(xiàn)在轎車前臉結(jié)構(gòu)的設(shè)計有縮短趨勢，這也直接導(dǎo)致行人碰撞前風(fēng)窗玻璃事故的增加；此外，由于我國的廂式車保有量增加顯著，平直廂式車前臉縮短了行人繞轉(zhuǎn)距離，也增加了頭部碰撞前風(fēng)窗玻璃的可能［5］。因此應(yīng)對前風(fēng)窗玻璃區(qū)域的行人頭部碰撞評價給予足夠的重視。

1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)評價體系

關(guān)于對汽車前風(fēng)窗玻璃行人保護(hù)性能的評價，首次由歐盟在2003年頒布的2003/102/EC 法規(guī)中提出，要求對所有的新車型必須通過行人保護(hù)試驗(yàn)來評價其對行人保護(hù)的程度，規(guī)定汽車前風(fēng)窗玻璃行人成人頭部沖擊HIC值應(yīng)小于1000。為了對汽車行人保護(hù)性能進(jìn)行更加詳細(xì)的量化分析，歐盟發(fā)布了Euro-NCAP，我國也于2018年8月出臺了C-NCAP管理規(guī)則，要求對新設(shè)計生產(chǎn)的車輛進(jìn)行行人保護(hù)性能進(jìn)行評分［6］?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范中關(guān)于行人保護(hù)中頭型沖擊器的規(guī)定見表1。

C-NCAP管理規(guī)則中對汽車行人保護(hù)安全性能評價區(qū)域劃分如圖1所示。

結(jié)合圖示的評價區(qū)域可知，在人車正面碰撞事故中，人頭部沖擊傷害區(qū)域的包絡(luò)線WAD1700～WAD2100范圍內(nèi)前風(fēng)窗玻璃占據(jù)了絕大部分區(qū)域，因此對汽車前風(fēng)窗玻璃行人保護(hù)性能的研究十分重要。

表1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范中關(guān)于行人保護(hù)中頭型沖擊器的規(guī)定

頭部傷害指標(biāo)HIC（Head injury criterion）作為評價行人保護(hù)試驗(yàn)頭部傷害程度的判定指標(biāo)，

可對行人保護(hù)性能進(jìn)行參數(shù)化限定。如表2所示，C-NCAP管理規(guī)則中將HIC15（在沖擊時刻15 ms時間間隔內(nèi)HIC的最大值）值劃分成5個不同的等級，每個等級對應(yīng)不同的評價得分。根據(jù)該評價體系即可對行人保護(hù)頭部沖擊區(qū)域內(nèi)的不同點(diǎn)進(jìn)行安全評判。圖2中列出某款汽車的頭型試驗(yàn)不同區(qū)域得分情況，從圖中可以看出，汽車前風(fēng)窗玻璃區(qū)域的頭部傷害指標(biāo)值較大。

為了降低汽車前風(fēng)窗玻璃頭部傷害指標(biāo)，行業(yè)內(nèi)希望通過模擬試驗(yàn)或者仿真的形式對汽車前風(fēng)窗玻璃的行人保護(hù)性能進(jìn)行預(yù)判，并以此作為指導(dǎo)前風(fēng)窗玻璃的玻璃厚度、結(jié)構(gòu)類型、玻璃種類、膠片類型、工藝參數(shù)等設(shè)計的一個重要輸入。

表2 頭型試驗(yàn)區(qū)域預(yù)測結(jié)果判定條件

目前，汽車前風(fēng)窗玻璃行人保護(hù)性能的研究方法可分為以下三種：

（1）行人模型實(shí)車撞擊法

早在20世紀(jì)90年代，日本、歐洲、美國等國家建立了汽車碰撞實(shí)驗(yàn)室，采用試驗(yàn)汽車，模擬汽車撞人的環(huán)境，以法規(guī)中規(guī)定的行駛速度，對安裝了多種力學(xué)傳感器的行人模型進(jìn)行撞擊試驗(yàn)（圖3），然后分析傳感器里的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而可以評價汽車的前風(fēng)窗玻璃的頭部傷害指數(shù)HIC性能。該方法對于評價汽車安全性能方面具有很好的準(zhǔn)確性優(yōu)勢，為世界各國的行人保護(hù)的法規(guī)提供了重要的參數(shù)條件。但是該試驗(yàn)成本較高，試驗(yàn)周期較長，且試驗(yàn)中采用實(shí)車實(shí)驗(yàn)，當(dāng)對整車所有的評價區(qū)域點(diǎn)進(jìn)行沖擊分析，試驗(yàn)成本極高［7,8］。

（2）計算機(jī)仿真模型模擬法

隨著計算機(jī)計算性能不斷提升以及仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步，借助計算機(jī)仿真技術(shù)輔助試驗(yàn)的方法應(yīng)運(yùn)而生。該方法借助計算機(jī)仿真軟件，根據(jù)相關(guān)法規(guī)中對頭部沖擊傷害試驗(yàn)中涉及的因素和邊界條件進(jìn)行限定，然后將玻璃按照設(shè)計類型進(jìn)行有限元分析，當(dāng)對玻璃進(jìn)行軟件仿真沖擊后，對玻璃不同區(qū)域的傷害指數(shù)進(jìn)行判定。通過對仿真模擬性能的測試結(jié)果與實(shí)車碰撞結(jié)果進(jìn)行對比，進(jìn)而優(yōu)化完善該模型的邊界限定條件，最終可實(shí)現(xiàn)對前風(fēng)窗玻璃行人保護(hù)安全性能的探究。相對于方法1中的實(shí)車碰撞試驗(yàn)，該方法使用較為方便，幾乎沒有試驗(yàn)耗材消耗，但其技術(shù)門檻較高，且邊界條件限定不同也不利于行業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)對比，一般汽車玻璃制造商難以普及使用該技術(shù)［9,11］。前風(fēng)窗玻璃頭型沖擊仿真模擬技術(shù)示意圖4。

（3）頭型沖擊器實(shí)車沖擊法

隨著世界各國汽車法規(guī)的不斷成熟，采用頭型沖擊器對實(shí)車進(jìn)行沖擊已成為了行業(yè)內(nèi)評價汽車安全性能的主要手段。該方法運(yùn)用彈射頭型沖擊器可以對汽車前風(fēng)窗玻璃性能沖擊，通過分析沖擊器內(nèi)部的三軸力學(xué)傳感器對前風(fēng)窗玻璃進(jìn)行HIC數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而可以評價汽車前風(fēng)窗玻璃安全性能。但是要實(shí)現(xiàn)對前風(fēng)窗玻璃不同評價區(qū)域的判定、不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的實(shí)驗(yàn)需要大量的實(shí)車或者車架。試驗(yàn)難度和成本也相當(dāng)高，一般汽車玻璃企業(yè)施行難度較大［12］。圖5為頭型沖擊器沖擊實(shí)車示意圖。

對于汽車玻璃制造廠來說，要實(shí)現(xiàn)以上行人保護(hù)方面的研究，研發(fā)投資十分昂貴。越來越多企業(yè)希望采用一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計來提升前風(fēng)窗玻璃在行人保護(hù)方面的作用，但往往受到多種技術(shù)因素的限制。本文結(jié)合以上行業(yè)難題，率先采用自由落體沖擊模型結(jié)構(gòu)，探索豎直沖擊對汽車前風(fēng)窗玻璃安全性能評價的新途徑。

2 垂直沖擊模型的建立以及理論分析

該方法中將前風(fēng)窗玻璃固定在與之配套的結(jié)構(gòu)架上，采用自由落體法實(shí)現(xiàn)頭型沖擊器沖擊玻璃前風(fēng)窗玻璃，通過控制支架角度調(diào)整試驗(yàn)沖擊角度，根據(jù)能量守恒定律可以控制試驗(yàn)沖擊速度，圖6為垂直沖擊模型結(jié)構(gòu)示意圖。

式中：m——頭型沖擊器質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，9.8m/s2；

h——沖擊高度，m；

v——沖擊速度，m/s。

3 頭型沖擊器的設(shè)計與制作

參照CNCAP管理規(guī)則對成人頭型沖擊器進(jìn)行了設(shè)計，主要采用鋁合金材質(zhì)的結(jié)構(gòu)主體，內(nèi)部置入三軸力學(xué)傳感器，外部使用橡膠材料模擬人造頭皮，最終實(shí)現(xiàn)頭型沖擊器質(zhì)量（4.5±0.1）kg的要求。成人頭型沖擊器示意見圖7。

頭型沖擊器制作完畢后應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，如圖8所示。CNCAP對頭型沖擊器標(biāo)定試驗(yàn)中的三軸傳感器重力加速度合成值（標(biāo)定值）進(jìn)行了范圍限定，為（225～275）g。為了實(shí)現(xiàn)該指標(biāo)要求，設(shè)計了5種不同硬度的橡膠層材料，分別進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。

從圖8中也可以看出，不同硬度對標(biāo)定值的影響較大。隨著橡膠層硬度的提升，沖擊器在標(biāo)定條件下的標(biāo)定值逐漸提升，當(dāng)橡膠硬度為80HRC時能夠滿足要求。這說明了沖擊器的傳感器的敏感程度與沖擊器沖擊接觸層的剛性有關(guān)，即沖擊接觸的剛性越大，傳感器沖擊時的合成加速度越大。

4 數(shù)據(jù)分析

通過對豎直沖擊法對汽車前風(fēng)窗玻璃進(jìn)行頭型沖擊器沖擊后，即可獲得沖擊器傳感器沖擊玻璃時其重力加速度合成值曲線，如圖10所示。

從圖10中可以看出，沖擊器的重力加速度合志值曲線基本符合沖擊試驗(yàn)的設(shè)計規(guī)律，能夠較好地對沖擊器在沖擊前風(fēng)窗玻璃過程中的力學(xué)進(jìn)行分析比較，也說明了豎直沖擊法也能作為一種全新的方法對前風(fēng)窗玻璃行人保護(hù)試驗(yàn)進(jìn)行的可能性。

5 結(jié)論

結(jié)合汽車玻璃前風(fēng)窗玻璃行人保護(hù)性能評價方法，分析了國內(nèi)外頭型沖擊試驗(yàn)，如行人模型實(shí)車撞擊法、計算機(jī)仿真模型模擬法、頭型沖擊器實(shí)車沖擊法的可操作性現(xiàn)狀，創(chuàng)新地提出了一種新型的前風(fēng)窗玻璃行人保護(hù)安全性能的簡易模型。通過試驗(yàn)的探究摸索得出以下結(jié)論：

（1）成人頭型沖擊器外層橡膠的硬度值越大，標(biāo)定值越高，當(dāng)橡膠硬度為80HRC時，頭型沖擊器滿足CNCAP法規(guī)要求。

（2）采用豎直沖擊法對汽車前風(fēng)窗玻璃進(jìn)行行人保護(hù)性能評價，能夠完整記錄沖擊器在沖擊狀態(tài)下力學(xué)參數(shù)，這說明了該方法具有一定可行性。

（3）豎直沖擊法原理簡單，試驗(yàn)裝置搭建相對容易，能夠較好地適用于汽車前風(fēng)窗玻璃力學(xué)性能評價的開發(fā)與推廣應(yīng)用。