基于加速度波形优化的行人头部保护设计

周 俊 徐飞云 成艾国 陈 涛 赵 敏

1.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082 2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州，545007

0 引言

人－车碰撞是一个十分复杂的过程，因为行人不同于车内乘员，可以处于任何姿态，并且可以进行任何方式的运动，也就是说碰撞过程具有很大的不确定性，这给研究工作带来了很大的困难。研究发现，人－车碰撞中行人头部和下肢是最容易受到伤害的部位［1－3］，其中头部碰撞通常会带来致命性伤害甚至致死，而腿部的碰撞往往会致伤。为了简化研究过程，目前很多国家（包括我国）都采用以下三个部件试验来评价车辆的行人保护性能：①下腿部（包括膝关节）与保险杠的碰撞；②上腿部与发动机罩前缘（BLE）的碰撞，其撞击模拟器能量取决于车辆几何形状；③儿童和成人头部与发动机罩的碰撞（使用半球形人头模型［4］）。进一步的研究表明，这种简化的研究方式对车辆行人保护性能的评估是可行的。

国外的一些文献介绍了如何通过合理地设计人—车碰撞时头部的加速度曲线来降低头部伤害程度，并摒弃了“矩形波”加速度曲线最优的传统理念［5－6］。本文正是在这些研究的基础上，从“碰撞深度”的角度出发，通过定量比较几种常见的加速度近似波形对头部的不同伤害程度，从而寻求最优的加速度波形曲线。分析结果表明，发动机罩特定位置适当“硬”一点，对头部保护反而有好处。最后借助于有限元软件，在实际案例中对该思想进行了验证，实现了头部伤害的优化。

1 头部伤害评价标准及改善探讨

1.1 头部伤害的评定

目前很多国家采用头部冲击伤害标准（head injury criterion，HIC）值来评价头部的受伤害程度。其具体定义如下：

式中，a为头部质心处的合成加速度，其值为重力加速度g的倍数；t1为头部加速度波形上的任意时刻；t2为相对于t1时刻来说使得HIC值最大的时刻，并且满足t2－t1≤15ms。

按照我国国家标准中关于汽车对行人碰撞的规定，要求头部碰撞区间内至少2/3区域的碰撞点的HIC值不能超过1000，剩下区域的HIC值不能超过1700［7］。

1.2 头部伤害改善方案探讨

人－车碰撞的一般过程如图1所示［8］。

图1 人－车碰撞过程

试验证明，头部的伤害程度主要取决于车辆的行驶速度、车辆的前部造型、行人的体形尺寸及当时的行走姿态等因素。然而当头部冲击器按照法规的标准（儿童头部质量为3.5kg，速度为35km/h，方向与水平面成50°；成人头部质量为4.5kg，速度为35km/h，方向与水平面成65°）碰撞车辆时，伤害值完全取决于车辆的外端造型。因此，合理的车身结构设计对行人保护是至关重要的。

研究表明，在很多碰撞区域（如发动机罩中央位置）致命性伤害往往不是由头部第一次撞击引起的，而是由于布置空间太小，吸能空间不足产生了二次撞击，持续的大加速度导致头部伤害HIC值过大，所以增大吸能空间能有效地降低头部伤害程度。为此，国外一些高档车装备了发动机罩弹起机构，碰撞发生时发动机罩提前弹起，保证了足够的吸能空间，效果很明显，然而成本的增加成为了其发展的制约因素，也有一些车型通过增大发动机罩的高度来增大吸能空间，但是驾驶员的视野和车辆的空气动力性却受到了影响。

2 头部伤害的优化

参照头部伤害的评定标准，实现对头部伤害的优化，即是要尽可能地降低撞击时的HIC值。由上述讨论可知，HIC值过大往往是因为变形吸能空间不够，但是受到造型要求及其他方面的限制，吸能空间很难进一步增加，因此如何通过现有吸能空间尽可能地增加能量的吸收量具有重要的研究价值。

三种常见的加速度波形曲线是［5－6］：矩形加速度波形曲线、前三角形加速度波形曲线和后三角形加速度波形曲线。其定义如图2所示。

图2 三种加速度波形曲线

经过对多个试验碰撞点进行分析发现，行人头部同车辆前端发生碰撞时，从有效碰撞时刻（即头部开始接触车辆第一撞击点）开始，头部质心加速度可以近似简化为以上三种波形。其中，矩形加速度波形代表碰撞位置处沿变形方向刚度均匀；前三角形加速度波形代表第一撞击点处刚度较大，然后逐渐有一个缓冲空间；后三角形加速度波形则代表变形后期遇到了内部“硬点”。

为了研究的方便，假定头部碰撞过程中头部质心处加速度的趋势正如图2所示的三种波形，并且矩形波加速度为恒定值G0，加速历程为t0；前三角形波形与后三角形波形加速度峰值均为Gp，加速时间均为tp（此处没有考虑反弹过程）。

根据HIC值的定义可知（尽管此处并没有特别指明计算过程中积分时间不应超过15ms，但是通过笔者前期对多款车型、多个碰撞点的加速度曲线分析发现，HIC值计算中，积分区间通常比较短，往往少于15ms，因此下述几种波形的积分区域一般不会受限于15ms的约束），矩形波加速度波形HIC值为

前三角形波加速度波形HIC值为

后三角形波加速度波形HIC值为

本文把头部同车辆开始接触直到其速度第一次降为零的过程中头部质心的位移量定义为碰撞深度。那么根据定义，矩形波加速度碰撞深度（假定初速度为v0）为

前三角形波加速度碰撞深度为

后三角形波加速度碰撞深度为

根据碰撞深度的定义可知：

同时为了确保三种加速度波形具有可比性，假设碰撞过程中三角形波加速度和矩形波加速度对应的HIC值相等，即

联立式（8）～ 式（10）得

并且可以把碰撞深度改写为

从上式可以直观地看出Sb＞Sr＞Sf，即当头部伤害HIC值相同时，加速度为前三角形波形的碰撞所需要的吸能空间是最小的。因此，在人－车碰撞过程中，如果吸能空间不足，可以通过改进结构对加速度波形进行优化，使其尽可能趋向于前三角形波形加速度，从而减小HIC值。

3 实例应用

以下介绍某款车型通过车身结构的改进，优化头部质心处加速度曲线波形从而降低HIC值，减小头部伤害程度。

3.1 有限元模型的建立

头部碰撞的伤害评价指标是HIC值，根据其计算公式可以看出，它对加速度曲线是非常敏感的，因此要保证仿真的可靠性，必须确保加速度曲线具有足够高的精度，即要求模型具有足够高的精度。本文利用Hypermesh建模，建模过程中考虑到碰撞过程中车体后侧部件基本不会发生运动，对头部伤害甚微，可以忽略，并在后端约束其自由度；轮胎的存在会导致计算过程中能量不守恒，也应当予以忽略；一切可能直接与头部发生接触或者间接对头部的伤害产生影响的零部件均需要精细建模，变形区域一般采用5～8mm的网格单元来建模，并采用16号全积分单元，设定合适的沙漏控制模式。按照行人保护建模要求建立的某车型儿童头部碰撞发动机罩的模型如图3所示。

图3 儿童头部碰撞模型

3.2 模型的精度验证

为了保证仿真的可靠性，首先需对模型精度进行评估。下面以发动机罩上某个撞击点为例，对试验时的头部加速度曲线和仿真曲线进行比较。图4所示为该车的行人保护试验照片。

图4 儿童头部碰撞试验

头部质心处合成加速度曲线对比如图5所示。

图5 头部质心处合成加速度曲线

由图5可以看出，仿真加速度曲线与试验曲线的峰值、变化趋势、变化历程吻合得比较好，并且可以通过计算得出试验HIC值与仿真HIC值分别为862.0和858.1。因此说明，仿真具有足够高的可靠性，可以运用于对头部碰撞伤害的评估。

3.3 碰撞区域的结构优化

此处选择其中一个碰撞点进行优化。原始车型中，该点所在的区域由于刚度沿变形方向分配均匀，导致碰撞过程中头部质心加速度在很长一段时间内维持在一个较高的水平，近似上文所述的“矩形波”，因而HIC值很高。为了实现头部保护，可以考虑在该区域发动机罩内外板之间增加一个支架。该支架的大小及安装位置需根据发动机罩的造型及需要来确定，其主要性能参数是支架的厚度和材料。若厚度太大或者材料太硬，会导致碰撞中头部质心加速度出现一个很大峰值，此时不仅不能起到保护作用，反而可能使碰撞更加严重；若支架厚度太小或者材料太软，可能也不利于头部保护，因为此时只会使头部质心加速度在刚接触时略微增加，HIC值并不会降低。因此，需根据实际情况结合试验或仿真结果对支架进行设计，本文采用了一个高强度支架，支架的厚度为2.0mm，如图6所示。

图6 内外板间增加支架结构

3.4 优化结果说明

优化前后头部质心处加速度曲线经频率为1000Hz滤波通道滤波后如图7所示。

图7 优化前后头部质心处加速度曲线

由图7可以算出，优化前后HIC值分别为1097.0和771.1，积分区间分别为0.8～14.1ms和0.9～14ms。由碰撞深度曲线（图8）可以看出，经过优化后碰撞深度也有所降低。对比两条加速度曲线可以发现，在内外板之间增加支架结构后，发动机罩结构初始刚度增加，头部质心处第一加速度峰值相比初始状态有较大幅度提高，在短时间内下降并在一个低水平内维持较长时间，即接近前三角形波形，虽然后续过程加速度又有所增加，但是HIC值还是降低了很多，因此改善效果很好。

4 结论

图8 优化前后碰撞深度曲线

本文从考察头部伤害的评价指数HIC值的计算式入手，在理论上证实了三种加速度波形曲线——矩形波形、前三角形波形和后三角形波形在得到同等的HIC值时，前三角形波形加速度波形所需要的碰撞深度是最小的，因此在给定的布置空间时可以通过寻求最优化的头部质心处加速度曲线来实现对头部受伤程度的优化。本文正是基于这一思想，在发动机罩内外板间增加了刚性支架作为支撑来控制头部加速度曲线，使得头部碰撞第一峰值比较高，趋向于前三角形波形曲线，从而降低了HIC值，取得了很好的效果，对某些车型的特殊位置的行人保护设计具有指导作用。

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［7］中国汽车技术研究中心.GB/T 24550－2009汽车对行人的碰撞保护［S］.北京：中国标准出版社，2009.

［8］赵继峰.总布置设计对行人保护的重要影响［J］.汽车工程师，2009（2）：24－26.