某轻型客车行人头型碰撞保护研究

张永春， 尚 勇， 覃祯员， 吕北京， 徐海澜， 白芳华

(1.重庆车辆检测研究院有限公司 国家客车质量监督检验中心， 重庆 401122；2.南京金龙客车制造有限公司， 南京 211215)

根据对行人与机动车发生事故进行调查、统计得知，行人最容易受伤的部位为头部、大腿和小腿，其中因头部受伤致死的比例高达62%[1-2]。不同于乘用车，轻型客车具有载货质量重、发动机罩的长度短且角度大等特点，因此轻型客车对行人的伤害会更严重。本文以某轻型客车为研究对象，采用仿真与试验相结合的方法，研究出轻型车型对行人安全的影响因素，总结出轻型客车行人头型保护设计前期车型开发时的结构设计要点以及现有车型的改进方法。

1 某轻型客车行人保护头型仿真与试验

1.1 头型损伤评价方法

20世纪60年代，科学家们就开始对人类的损伤机理进行研究，例如美国韦恩州立大学的Lissner等人经过大量的尸体试验对人体头型的耐受度进行深入研究，得到了头型耐受度曲线(WSTC)[3]。目前业内广泛采用的是头型损伤评价方式，即由Versace于1971年提出的头型损伤评价标准HIC，并规定HIC1000为头型损伤的耐受极限参考值[4-5]，且得到了Mizuno K[6-7]等人的证明。

(1)

式中：a为头型撞击加速度；t1和t2为头型撞击加速度的接触时间点。

HIC值的大小可预测颅骨骨折、脑挫裂伤和脑膜外血肿等发生的可能性[8-9]。从式(1)可知，影响HIC值的主要参数为撞击加速度和撞击接触时间。目前，各国行人保护法规及相关标准均采用HIC值评定试验车辆对行人头型的保护程度。

1.2 行人保护仿真分析

图1 某轻型客车头型碰撞区域

不同于整车碰撞工况，行人保护碰撞的能量较小，细小的几何特征都会影响作用区域的动态响应，影响仿真结果。与行人碰撞直接相关的车辆前部结构，如发动机罩(特征线、包边等)、刮水器、前风挡玻璃、翼子板、发动机罩两侧铰链以及发动机罩前部罩锁等，这些部件直接影响头型的响应，不能简化处理。但考虑到行人保护头型碰撞区域内的头部碰撞点较多，仿真模型的计算量较大,计算时间较长，故需对行人保护无影响或影响可忽略不计的部件模型进行简化[9-11]。如车辆A柱之后的零部件的作用不予考虑。由于轮胎模型极易导致模型能量的波动，增加模型的计算时间且轮胎对结果影响忽略不计，故对轮胎的模型不予考虑。此模型中头型模块接触处的网格目标尺寸为5 mm，并按照GTR法规[12]进行碰撞区域划线，如图1所示。

为确保模型的真实性与可靠性，所有模型在计算过程中沙漏能的比例小于5%，质量增加在5%以内，仿真模型的能量以及质量增加曲线如图2所示,表明此简化模型可代替整车模型进行仿真计算。

(a) 碰撞仿真能量曲线

(b) 质量增加曲线

本文所采用的儿童头型冲击器有限元模型主要由合成皮肤、底板、Null Shell接触单元、球体以及加速度传感器组成[5]。球体凹槽内设置加速度传感器，输出碰撞过程中如图3所示，然后根据式(1)计算出头型的伤害值。

(a) 碰撞点CH5处

(a) 碰撞点CH6处

1.3 行人保护头型碰撞试验

轻型客车具有发动机罩长度短且角度大的特点，按照GTR法规进行头型划线时，发现成人头型的碰撞集中在风挡玻璃区域，而儿童头型碰撞主要集中在发动机罩区域，由于此次不做风挡玻璃区域的研究，所以本文仅对儿童头型的碰撞保护进行研究。选取儿童头型碰撞区域内部分典型碰撞点进行试验，测试点的准备情况如图4所示，共6个碰撞测试点，头部碰撞角度为50°，碰撞速度为35 km/h。

图4 某轻型客车行人保护试验准备情况

1.4 试验与仿真结果对比

根据GTR法规选取车辆上对儿童头型影响较大的潜在点进行试验，考核儿童头型冲击器的合成加速度-时间曲线，同时对儿童头型碰撞区域内的碰撞点CH5及CH6进行撞击加速度-时间的数据对比，如图3所示，从图中可发现在相同的边界条件下，轻型客车儿童头型碰撞区域碰撞点的试验结果与仿真结果在峰值和峰值时刻呈现出良好的重合度，间接证明了仿真模型的可靠性。

2 头型碰撞区域改进及效果

2.1 原头型碰撞区域存在的问题

不同于乘用车，轻型客车尤其是新能源轻型客车具有以下结构特点：发动机罩长度短，长度集中在340～570 mm之间; 发动机罩角度较大且发动机舱内部闲置空间大。

根据以往经验及数据得知：由于发动机舱内部闲置空间大的特点，发动机罩中间区域的头型HIC值都集中在800以下，均小于法规要求的限值；超过法规要求的HIC1000值的区域集中在发动机罩边缘、上部两侧铰链和前部罩锁的位置。此次通过仿真得到儿童头型冲击器在发动机罩右侧铰链及前部罩锁区域的Z向位移量分别为32.28 mm和39.25 mm，如图5所示。对应的头型HIC伤害值分别高达1 443.73，1 148.61。可见儿童头型在发动机罩边缘以及铰链和罩锁处的伤害值远远大于法规要求，因此这些区域需要进一步的优化处理。

(a) 发动机罩右侧铰链处

(b) 发动机罩前部罩锁处

图5 冲击器冲击变形位移图

2.2 头型碰撞区域改进方案

在造型设计初期可通过微调造型的方式规避分缝线等危险区域，降低行人保护的头型优化难度。对造型的具体改进措施如图6所示，通过造型的修改，使侧面基准点的位置上移，避开分缝线及铰链等区域，间接增加发动机罩与下端硬点的空间距离。当头部冲击器撞击侧面基准点区域时，头型冲击器会向侧面滚动，有效降低了头型的伤害值。

若车辆发动机罩外形不可更改，车辆前端布置很难将这些危险点布置在碰撞区域之外的情况下，在保证零部件正常使用功能的前提下可采用以下改进方案：方案1，发动机罩与翼子板衔接处采用软性橡胶件进行镶嵌过渡；方案2，减小发动机罩内外板的厚度，由原来的0.7 mm降到0.65 mm。同时对发动机罩上部两侧铰链处以及发动机罩罩锁处的连接件进行适当的弱化处理，保证铰链及罩锁的变形位移，以达到降低头型伤害值的目的。

(a) 改进前 (b) 改进后

2.3 改进结果分析

为了满足轻型客车行人保护的空间要求，考虑车辆驾乘人员的视野，将发动机罩整体抬升以增加前部变形空间的方式并不可取，因此在一定的空间条件下，需对特殊区域进行处理，弱化发动机罩与翼子板衔接处的连接刚度，增大发动机罩两侧铰链安装处的下端空间位置来减小儿童头型的HIC值。

采取以上优化措施，改进后的头型碰撞点CH5与CH6处的头型加速度-时间曲线如图7所示，从图中可知，改进后的峰值得到了有效降低。

采用方案1、方案2及方案1+2的组合得到的发动机罩边缘与翼子板边缘衔接处的头型HIC值见表1。

(a) 碰撞点CH5处

(b) 碰撞点CH6处

发罩边缘部分碰撞点HIC值改进前改进后(方案1)改进后(方案2)改进后(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后发动机罩中间区域碰撞点头型的HIC值与改进前对比见表2。

表2 发动机罩中间区域儿童头型伤害值

通过上述表格中的数据可以发现，对于发动机罩边缘处：

1) 方案1并不能有效降低发罩边缘对儿童头型的HIC值，经过仿真进一步分析可知，若增加软性橡胶件，虽然能起到缓冲吸能的作用，但在边缘处下方空间有限的情况下，变形到最大位置处若还未发生回弹，便会起到相反的作用，增大儿童头型的HIC值。

2) 方案2，发动机罩右侧铰链安装点和发动机罩罩锁处的Z向位移分别为33.59 mm、40.67 mm，对应位置的头型伤害值分别为901、932，相对于改进前分别降低了37.6%和18.9%，头型伤害值均低于法规所要求的限值。

3) 综合方案，即综合采用方案1和方案2时也能有效降低儿童头型的HIC值，但相对于单独采用方案2，效果不明显。

另外，对于轻型客车而言，发动机罩两侧的铰链安装点和发动机罩罩锁处下端需预留不低于41 mm的变形空间，便于有效降低这两个位置的头型伤害值。

3 结 论

轻型客车行人保护优化原则可从3个方面进行：

1) 在车辆造型设计初期，需要对造型进行评估与适当改进，控制侧面基准点的位置，调整头部碰撞区域以规避头部碰撞区域边缘的部分“硬点”，降低头部受到伤害的风险。

2) 在车辆造型确定后，可适当改进发动机罩内外板的材料与属性，同时留有足够的缓冲空间，以增加缓冲吸能的作用，减小儿童头型HIC值。

3) 对于发动机罩上部两侧铰链安装处和发动机罩罩锁处，需保证足够变形余量空间并弱化相关结构，以降低对儿童头型的伤害作用。