某车型行人保护头部对标分析

常晓宇 范英华 乔鑫 曲晓庆

（华晨汽车工程研究院）

欧洲EC（phase2）法规和E-NCAP相关规程中均对车辆行人保护评测内容进行了规定。行人保护碰撞工况主要分为头部碰撞、小腿部碰撞和大腿部碰撞3种，其中头部碰撞是中国标准GB/T24550—2009[1]评测的主要碰撞工况之一。文章针对欧洲法规认证过程中，头部碰撞1/3区域和2/3区域划分问题进行探讨。通过准确的对标分析，合理地分布1/3伤害值区域可提升行人保护头部整体安全性能和减少试验次数。

1 试验中的问题

行人头部碰撞试验，是采用模拟人类头部的碰撞器以一定初速度冲击车辆前端，如图1所示。

由试验工程师划分了试验区域后，由法规认证方指定碰撞点位置[2]，如图2所示。认证工程师会选择区域中比较危险的碰撞点进行试验。碰撞点选择的基本原则是，在1/3和2/3区域交界位置，在碰撞区域边缘或下端有较大刚度结构的位置，最后在碰撞在机罩的均匀布置上做考虑，共选择18个碰撞点进行试验验证。GB/T 24550—2009中规定，1/3和2/3区域是指头部碰撞区域在Z平面投影后平面面积中的1/3和2/3区域面积。该区域的划分由汽车主机厂指定[2]，在1/3区域上的伤害值不可以超过1 700，在2/3的区域上伤害值不可以超过1 000。如果碰撞点选择在2个区域的边界上，则按照伤害值不可以超过1 000来进行评价。

头部伤害值指标（HIC）是由公式计算“加速度-时间”历程的结果：

式中：a——测量出的合成加速度，g；

t0，te——冲击过程中的记录开始与记录结束时刻，在该时间间隔内（te-t0≤15 ms）HIC 取最大值，s；

t——碰撞的时间变量，s。

图3示出头部碰撞点试验伤害值分布图。其中位于1/3和2/3区域交界位置的碰撞点伤害值达到了 1 022，超过法规限值（1 000），不满足法规要求[1]。

2 对标分析

通过参考试验的具体设定，调整碰撞点冲击速度、缓冲块材料刚度及机罩胶粘刚度[3]，细化大灯和雨刮结构，按照实车调整机舱上护板与白车身连接，获得行人头部碰撞仿真结果，如图4所示。

通过对比图3和图4可见，所有碰撞点的仿真伤害值较试验伤害值结果误差均可控制在15%以下，该仿真模型可认为是有效的优化模型或误差较小的可作为仿真方案验证的基础模型。在18个碰撞点中，比较关注的是5个伤害值处于1 000～1 700的碰撞点。通过对标结果，来仔细分析这5个碰撞点（CH1，CH5，CH13，CH14，CH15）伤害值较高的具体原因。

图5示出行人头部碰撞试验CH1点剖面图。CH1碰撞点位置，开始阶段头部碰撞器接触机罩外板造成加速度开始上升，机罩外板压溃吸能后出现第1个小平台；紧接着头部碰撞器挤压着外板抵住了机罩铰链螺母板和内板，该位置结构刚度较大，造成了加速度迅速攀升至最大值，该峰值出现时间在4.5 ms，如图5a所示；紧接着头部碰撞器向车后方旋转挤压后端铰链及其安装螺母位置造成了加速度第2波峰值（在9.2 ms），如图5b所示。图6示出CH1点头部加速度和伤害值仿真与试验对比曲线。从图6可以看出，仿真的加速度峰值和趋势跟试验值是较一致的。CH15点的位置跟CH1点大致在机罩盖上左右对称，该碰撞点伤害值较高的原因与CH1点一致。这2个碰撞点均位于1/3区域内，因此伤害值不大于1 700，满足法规要求。图7示出实车碰撞CH1点试验前后对比。

CH5碰撞点位于车辆前端缓冲块上部，当头部碰撞器挤压机罩外板直至内板时，缓冲块位置的刚度比周围位置大，如图8所示，造成了在6.9 ms时生成了加速度的最大值，随后加速度曲线回落。图9示出CH5点头部加速度及伤害值试验和仿真对比曲线。从图9可以看到，仿真中加速度趋势及峰值位置与试验结果一致。CH13碰撞点也位于缓冲块上端，造成加速度攀升，伤害值偏大。CH13点在1/3区域内，只要伤害值不大于1 700就可满足法规要求；但CH5点位于1/3区域和2/3区域的边界位置，其伤害值需要不大于1 000才满足法规要求。此处要通过法规认证，从两部分考虑，一是优化该碰撞点位置伤害值，二是更合理地划分1/3和2/3区域，充分利用1/3低要求区域。图10示出CH5碰撞点试验前后的对比，从图10可以看到，试验中CH5点位置在碰撞之后，钣金件出现明显的下凹趋势。

CH14碰撞点位于头部碰撞区域的后边缘位置，该位置接近雨刮轴，这也是认证公司会选择该碰撞点进行验证的原因。图11示出行人头部碰撞试验CH14点剖面图。图12示出CH14点头部加速度和伤害值仿真与试验对比曲线。从图12可以看出，从撞击时刻一直到抵住机罩内板，加速度在4 ms时攀升至第1个峰值；碰撞器继续向下冲击，最后抵住机罩内外板并挤压通风盖板，在9 ms时造成了第2个峰值，整个碰撞过程没有挤压到雨刮轴机构，因此没有造成伤害值的急速攀升，伤害值不大于1 700，满足法规要求。图13示出CH14碰撞点试验前后的对比。

仿真结果和试验结果相一致后，对造成伤害值偏高的因素进行总结，对于碰撞区域中伤害值的分布有了更明晰的认识。在认证试验中，1/3和2/3区域的指定对于任何一个想要通过法规认证的车型来说都是很重要的，需要对该区域指定的合理性进行研究。

3 1/3和2/3区域的指定

经过碰撞区域对比，有限元模型和试验中的头部碰撞区域划分基本一致。确认有限元模型中的区域可用于前期安全性能评估。

图14示出某车型头部碰撞区域在试验和仿真中的边界划分对比。前端边界线由机罩前缘线向后偏移82.5 mm以及wrap1000线2根相交在一起，取靠后位置的曲线拼接而成；后端边界线为机罩后缘参考线向前偏移82.5 mm，两侧边界线均为侧参考线向内偏移82.5 mm，如图14a所示。图14b中，被虚线圈起来的区域为1/3区域。

对于本次试验车型，1/3，2/3区域的指定方式可根据结构和下方硬点的布置进行更合理的调整。

头部碰撞区域中，1/3区域和2/3区域的指定，在设计初期可使用沿碰撞器冲击方向偏移的方式来确认机罩下端伤害值高的区域的大致范围。该车型中仅有儿童头部碰撞区域，儿童头部碰撞器冲击的方向与水平面的夹角为50°，由此确认机罩外板偏移的方向，同时要求Z向降低80 mm来检查干涉位置或者硬点位置。机罩外板偏移降低过后，可以直观地看见与外板有穿透的硬点大致分布，依照边缘位置同时参考1/3，2/3区域划分的总区域大小，可以快速得到1/3，2/3区域的边界位置，如图15所示。该种得到区域边界的方法，适用于设计前期；在后期有了完整的仿真结果和试验摸底结果后，做出的1/3和2/3区域边界更有参考意义。

图16示出汽车机舱硬点分布示意图。由图16可见，汽车机舱的常规硬点（发动机、空滤、转向储油罐、蓄电池及保险丝盒）均在Z向距离外板80 mm以上；碰撞区域的两侧边缘，很好地避开了机罩翻边位置；机罩棱线角度较大，对于行人保护性能有利；造型设计使得铰链位置在碰撞区域之外；雨刮轴为内藏式安装，有利于行人保护性能。总体上该设计从行人保护性能角度出发，机舱硬点布置及造型设计合理。

4 结论

文章按照GB/T 24550—2009标准，进行了行人保护头部碰撞的试验对标工作。在跟踪试验对标过程中，基于对伤害值影响因素的分析，总结出依据吸能空间主观确认1/3，2/3边界的方法。另外明确了认证机构选择碰撞点的原则，首先考虑碰撞区域包括1/3，2/3区域边界上的危险点，危险点的确认原则为靠近机舱硬点位置，其次考虑总体上面积均布。值得注意的是，在所有碰撞点的定位中，涉及边界位置的碰撞点，会选择第一接触点进行定位，而位于区域中间位置并且特征较平缓的点则定位为目标点。对结合认证试验的对标工作的总结，对于准备参加认证试验的主机厂正确评估开发车型的行人保护头部安全性能有很积极的意义。基于2018版的C-NCAP的头部碰撞试验规则已经确定，全新的评价方法已经出台，C-NCAP星级评定的行人保护试验评价方法以及仿真评价方法是下一步研究的内容。