基于行人头部保护的车辆吸能空间

谭冰花 赵正 李博

摘要：对2018版C-NCAP行人保护的头部保护法规进行研究，针对某现有车型，对发动机罩不同的位置进行区域划分，结合仿真与试验数据得到不同区域的典型头部碰撞加速度曲线。以此为依据仿真计算满足行人头部保护要求的吸能空间，可在整车开发的预研阶段对总体布置提出更准确的空间要求，为新車型行人保护的开发提供参考。

关键词：头部碰撞；发动机罩；空间布置；碰撞试验

中图分类号：U461.91

文献标志码：B

0 引 言

世界卫生组织的一份报告指出，全球每年约有120万人死于道路交通事故，约5 000万人受到不同程度的伤害，其中包括行人、骑自行车人等在内的“道路交通弱势群体”构成上述交通事故死亡的主体。在行人与车辆的碰撞过程中，行人头部受到伤害的概率在所有行人身体伤害事故中约占31.4%，在受到严重伤害和致命伤害的行人当中，这一比例更是高达80%，是行人受伤概率和致死概率最高的区域。行人头部损伤保护在行人保护中已经成为最迫切却是难度最大的问题之一。发动机罩是碰撞事故中行人头部接触的主要区域之一。在碰撞过程中，行人头部首先接触发动机罩外板，外板变形并带动内板一起变形向下运动，吸收碰撞能量。若发动机罩与前舱硬点间的吸能空间不足，行人头部则会与发动机舱内部零件发生二次碰撞，造成更为严重的伤害。因此，为达到保护行人头部的目的，发动机罩下方碰撞吸能空间的大小至关重要。

本文结合2018版C-NCAP行人保护的要求，对整个头部碰撞区域进行五星得分规划，针对不同区域的得分要求，利用有限元仿真方法获得准确的头部碰撞吸能空间，对汽车总布置提出更加精确的空间要求。

1 C-NCAP行人头部保护法规和得分规划

2018版C-NCAP行人保护评价由头部和腿部2部分组成[1]，见图1。

根据2018版C-NCAP规定，为获得五星等级，对行人保护模块的头部与腿部得分进行目标设定，见表1。

根据行人保护的目标要求，以某车型为例，对C-NCAP头部碰撞各个网格点的得分情况进行分配，见图2，此车型行人保护头部得分为7.3分。从图2中不难发现，发动机罩中间位置HIC值较小，越靠近发动机罩边缘HIC值越大。因此，根据不同的发动机罩位置对应的不同的HIC值要求，分别确定头部碰撞吸能空间。

2 头部碰撞吸能空间

2.1 头部碰撞空间区域划分

根据得分规划，行人头部与发动机罩碰撞区域

大致可分为3个区域：A区域为发动机罩中间区域、B区域为发动机罩边缘区域、C区域为靠近发动机罩与其他部件（如翼子板、前保蒙皮、前大灯等）分缝线的区域，见图3。

2.2 几种典型的头部碰撞加速度曲线

对多个试验碰撞点进行分析，发现不同碰撞位置的头部加速度波形有所差异，对应3种不同区域，会有3种典型的加速度曲线（见图4）[2]：A区域为前高后低的波形，B区域为类似于方波的波形，C区域为前低后高的波形。结合图3可知，发动机罩中间区域主要是前高后低的波形，发动机罩边缘区域主要是类似于方波的波形，而靠近发动机罩与其他部件分缝线的区域主要是前低后高的波形。[3-4]

前高后低的波形主要出现在发动机罩中间区域。此区域距离边界支撑相对较远，头部碰撞加速度由发动机罩本身的结构刚度和发动机罩下部的变形空间主导。在头部接触发动机罩后的3～5 ms产生较高加速度峰值，由于发动机罩下部有充足的变形吸能空间，随着碰撞继续进行，头部能量逐渐被吸收，头部加速度呈现衰减趋势，逐步减小。

类似于方波的波形主要出现在发动机罩边缘区域。此区域距离发动机罩锁钩、发动机罩铰链、前端缓冲块和前大灯等边界支撑较近，且发动机罩内外板之间截面变小。在头部碰撞过程中，由于发动机罩内外板截面变小，外板变形后内板也迅速变形，头部加速度迅速产生较高的峰值。同时，由于发动机罩下部变形空间不足，随着碰撞进行，发动机罩边缘区域开始受到其他边界部件的支撑。由于边界支撑结构刚度较大，变形困难，因此出现持续较长时间过高的加速度峰值。

前低后高的波形主要出现在靠近发动机罩与其他部件（如翼子板、前保蒙皮和前大灯等）分缝线的区域。受发动机罩造型和发动机罩内、外板特殊包边结构的影响，这些区域发动机罩内、外板之间的截面非常小。同时，这些碰撞位置的下部直接与发动机罩的周边支撑重叠，并且有一些特殊的结构，如发动机罩缓冲块、发动机罩锁、发动机罩铰链等不可变形的硬点。在头部碰撞过程中，发动机罩外板在头型冲击器碰撞作用下迅速变形，发动机罩内板来不及变形就随着发动机罩总成直接接触到下部支撑，加上受到某些特殊硬点的影响，加速度峰值会持续升高，形成前低后高的波形。

行人头部加速度波形在不同碰撞区域各不相同，所以不同碰撞区域对吸能空间的要求也随之变化。以某在研车型的发动机硬点位置为例，准确计算所需要的吸能空间，归纳总结整车前舱硬点所需要的行人保护吸能空间要求。

3 计算头部碰撞吸能空间

3.1 仿真与试验对标

在计算行人头部保护吸能空间之前，要对所用到的有限元模型进行对标。C-NCAP于2018年开始进行考察，而之前公司的大部分车型是按照ECER127法规开发的，所以行人保护中的头部试验较少。此次选用ECER127法规认证的试验结果进行对标，头部碰撞试验点位置示意见图5，对标后行人保护头部HIC值与头部加速度曲线[5]对比结果见表2和图6。

由对标结果可以看出，仿真结果与试验结果波形趋势一致，HIC值误差小于10%，因此该有限元模型可以作为头部碰撞空间计算的基础模型。以下均基于对标后的模型进行仿真分析，通过计算得到的数据较为准确，具有较强的参考价值。

3.2 前舱硬点头部碰撞吸能空间的确定