陳金華，黃向東，汪 俊，廖 兵

(1.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640;2.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 510640;3.廣州城市職業(yè)學(xué)院信息與汽車工程學(xué)院，廣州 510500;4.廣汽菲亞特汽車有限公司，長沙 410100)

前言

在車輛與行人的碰撞事故中，轎車是最常見的車型，約占事故車輛的60% ～85%，大量的交通事故調(diào)查結(jié)果表明，行人與車輛前部碰撞的交通事故約占行人與車輛碰撞總數(shù)的70% ～85%［1］。且行人頭部損傷通常是由于行人頭部與車輛發(fā)動機罩或風(fēng)窗玻璃發(fā)生碰撞造成的［2］。行人頭部損傷約占損傷總數(shù)的30%，并是造成行人死亡的主要原因。

歐盟和日本分別從20世紀80年代及90年代就開始進行行人與車輛的碰撞保護標(biāo)準的研究，并陸續(xù)推出相應(yīng)的標(biāo)準法規(guī)［3］，我國也于2010年7月1日實施了GB/T24550—2009《汽車對行人的碰撞保護》標(biāo)準［4］，其中對行人頭部保護的測試作出了明確規(guī)定，如圖1和表1所示。

表1 行人頭型保護測試條件及要求

1 頭部傷害評價

人體的頭部是一個復(fù)雜系統(tǒng)，該系統(tǒng)由顱骨、皮膚和其它軟組織組成，碰撞事故中頭部損傷形式一般為挫傷、顱骨骨折、腦震蕩和顱內(nèi)血腫等［5］。其機理是當(dāng)頭部與車輛前部發(fā)生碰撞時，頭部受到外部的沖擊載荷并持續(xù)一定的時間，從而導(dǎo)致腦組織內(nèi)部各系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)，當(dāng)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)超過了任何特定的生理組織損傷的承受能力，頭部就會發(fā)生損害。顱腦損傷的生物機理非常復(fù)雜，也無法通過工程測量方法進行測量，因此到目前為止還沒有形成準確的頭部損傷標(biāo)準，人們通常采用HIC值來預(yù)測頭部損傷風(fēng)險［6］。

最早進行人體頭部傷害研究的是美國韋恩州立大學(xué)的Gurdjian教授，他通過大量試驗得到了著名的韋恩沖擊容許曲線(Wayne state tolerance curve，WSTC)，如圖2所示。

目前頭部損傷評價準則是在韋恩沖擊容許曲線的基礎(chǔ)上，根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)擬合建立的，它將受傷程度作為有效減速度和持續(xù)沖擊時間的函數(shù)，即

式中:g為重力加速度;a為碰撞過程中頭型質(zhì)心合成減速度;t2－t1為HIC達到最大值的時間間隔，其中最大間隔為15ms。

2 理想方波減速度模型的建立

通常HIC值可以通過試驗或仿真分析得到的減速度曲線由式(1)求得，如圖3所示。而潰縮距離則可以通過對減速度進行兩次積分求得［7］，無論通過那種方法，都必須要事先已知頭型碰撞減速度曲線，而在車輛開發(fā)的早期階段，無法獲得頭型碰撞減速度曲線，這就需要有一種方法指導(dǎo)頭型碰撞保護中發(fā)動機罩所需最小潰縮距離的設(shè)計，否則在后期由于潰縮距離不足而修改造型和相關(guān)零部件的設(shè)計將會大大增加開發(fā)成本。

本文中通過構(gòu)建一個理想方波減速度曲線來擬合實際的碰撞減速度曲線，如圖4所示。利用式(1)可求得滿足不同法規(guī)要求的發(fā)動機罩所需最小潰縮距離，該模型的建立基于以下幾點假設(shè):

(1)按減速度曲線段下面的面積相等的條件，用一方波減速度曲線來替代實際的減速度曲線，即假設(shè)碰撞一開始即達到恒定減速度值，并持續(xù)到頭型碰撞速度為零的時刻;

(2)由于在實際頭型碰撞中，垂直于碰撞方向的兩個減速度都相對較小，因此可用單向有效減速度替代實際的三向減速度;

(3)在單向減速度簡化模型中，單向減速度可認為等效于合成減速度，這意味著在垂直于單向減速度方向上不存在能量損耗，此種情況下得到的HIC值也最大，也就是說發(fā)動機罩所需最小潰縮距離也最大。

在這種簡化的單向減速度模型中，可認為頭型在垂直于減速度方向上的速度和位移為零，因此，在減速度方向，頭型在任何時刻的速度v和位移d可分別通過以下公式得到:

式中:v0為碰撞初速度;t0為碰撞開始的時間，可認為t0=0。

因此，HIC、v和d可通過一個給定的減速度曲線得到。當(dāng)v減小到零，位移d達到最大值，則稱此時的位移d為所需最小潰縮距離。

3 潰縮距離分析

假設(shè)在某一時間間隔內(nèi)，HIC值達到最大，則式(1)可簡化為

根據(jù)式(2)假設(shè)，頭型減速度曲線在碰撞過程中為一恒定數(shù)值，并從碰撞開始(t1=t0=0)直到頭型速度為零，即t2時刻時v=0，則

將式(6)中的Δt代入到式(4)可得

由式(7)可得

從式(8)可知，簡化的方波減速度曲線中，碰撞持續(xù)時間Δt只與初速度v0和所要求的HIC值有關(guān)，同樣，在已知Δt后，由公式可求得平均減速度和潰縮距離d。

通常，對于行人頭型碰撞來說，頭型受到發(fā)動機罩的作用力與發(fā)動機罩自身的特性有關(guān)，即與發(fā)動機罩的剛度K和碰撞區(qū)域發(fā)動機罩的質(zhì)量M相關(guān)，因此發(fā)動機罩對頭型的碰撞力f可表示為

把頭型與發(fā)動機罩碰撞的每一時刻看作準靜止?fàn)顟B(tài)時，則由理想方波減速度曲線及牛頓第二定律可得

對于發(fā)動機罩，在準靜止?fàn)顟B(tài)下可認為只受到彈性力的作用，則有根據(jù)作用力與反作用力大小相等的關(guān)系，發(fā)動機罩的平均剛度值可由式(12)和式(13)得到

以 GB/T24550—2009《汽車對行人的碰撞保護》標(biāo)準中的頭部碰撞損傷值的兩個限值HIC=1 000和HIC=1 700為目標(biāo)控制參數(shù)，可得和，如表2所示。

表2 頭部碰撞相關(guān)參數(shù)

以上對發(fā)動機罩潰縮距離的分析是基于“單向有效減速度”建立的簡化模型，未考慮垂直于單向有效減速度方向上的減速度，實際試驗則是采用三向減速度的合成減速度aR，即

根據(jù)試驗統(tǒng)計，ax為碰撞速度方向，aR主要受ax的影響，ay和az在合成減速度aR中的比例約為1%～3%，即簡化模型中的單向有效減速度與三向合成減速度aR的誤差大約在1% ～3%左右，因此由式(10)可知，當(dāng)HIC值為1 000時，兩者潰縮距離的誤差大約為0.5～1.5mm，當(dāng)HIC值為1 700時，兩者潰縮距離的誤差大約為0.34～1.0mm。

4 試驗分析

以某一自主品牌轎車的行人保護試驗為例，在發(fā)動機罩兒童碰撞區(qū)域選取一碰撞點，如選取發(fā)動機罩鎖扣加強板部位，見圖5，通過發(fā)動機罩的抗凹性仿真分析得到鎖扣加強板區(qū)域的平均剛度值為68N/mm，與理想方波減速度模型得到的兒童頭部碰撞區(qū)域剛度值72.1N/mm接近，因此可用該區(qū)域的頭型碰撞試驗進行發(fā)動機罩潰縮距離的驗證分析。

發(fā)動機罩鎖扣部位位于兒童頭碰區(qū)域，對該部位進行兒童頭型碰撞試驗，如圖6所示，取兒童頭型的合成減速度曲線，并采用CFC1000進行濾波處理，得到頭型減速度曲線如圖7所示，利用式(1)得該點的頭部傷害HIC值為1 055。

對減速度曲線進行兩次積分可得發(fā)動機罩的潰縮距離d=53.3mm，如圖8所示。

可以看到，在理想方波減速度模型得到的剛度條件下，實際碰撞試驗中HIC值為1 055的發(fā)動機罩最大潰縮距離為53.3mm與理論推導(dǎo)的HIC值為1 000的發(fā)動機罩潰縮距離47.9mm很接近，可認為本文中簡化的理想模型合理，其推導(dǎo)的結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性，其結(jié)果可用于指導(dǎo)車輛開發(fā)中的行人保護設(shè)計。

5 結(jié)論

(1)從分析結(jié)果可知，在現(xiàn)有的頭部損傷準則中，有效減速度和持續(xù)時間是影響頭部傷害的兩個最重要因素。

(2)利用單向減速度簡化模型和恒定減速度對發(fā)動機罩最小潰縮距離進行初步的預(yù)測是可行的，對車輛的行人保護頭部碰撞性能開發(fā)及發(fā)動機罩設(shè)計有一定指導(dǎo)意義。

(3)通過發(fā)動機罩最小潰縮距離的計算，可以指導(dǎo)發(fā)動機罩下方剛性部件的布置設(shè)計，尤其是針對局部硬點可以預(yù)先提出有利于行人頭部保護的具體措施。

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