嚴(yán)杰 夏湯忠 李徑亮

摘要：研究了行人頭部與機罩撞擊過程中頭部加速度波峰的形成機理，將已有頭部加速度波形由四段式波形修正為三段式波形。通過試驗與仿真，驗證了三段式波形理論的準(zhǔn)確性，并依據(jù)該波形理論對機罩前端鎖扣區(qū)域結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，在保證機罩行駛安全強度性能的條件下有效地降低了該區(qū)域的頭部傷害值。

關(guān)鍵詞：行人保護;頭部加速度波形;頭部傷害值;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

數(shù)據(jù)表明，在交通事故傷害者中，行人占比約為65%，主要的受傷部位為頭部和腿部，其中頭部傷害的致死率非常高。近年來，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，行人保護受到的關(guān)注也越來越多，各國相繼制訂和實施了行人保護的技術(shù)法規(guī)和評價體系，我國最新的CNAP2018也首次加入行人保護性能的考察項。同時，國內(nèi)外的各大汽車廠商、研究機構(gòu)都對行人保護展開了大量的研究。

Streeter^[1]等通過假人試驗與計算機仿真，最早開始了行人保護頭碰的損傷機理和生物力學(xué)的研究。劉奇^[2]等研究了機罩結(jié)構(gòu)如內(nèi)外板材料、形狀以及減震膠的布置等對行人保護頭碰傷害的影響。在2007年，Wu^[3]首先提出了最優(yōu)波形的概念，其后朱西產(chǎn)^[4-6]等人也對頭部加速度波形及其形成機理進行了深入研究。

本文針對行人保護頭碰，通過試驗與仿真中頭部加速度波形，以及相應(yīng)的波形理論，將目前常用的四段式波形^[7]修正為三段式波形。根據(jù)三段波形與傷害指數(shù)的相關(guān)性，依據(jù)分析結(jié)果對機罩鎖扣區(qū)結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，有效地降低了該區(qū)域的行人頭部傷害值，從而保證了該車型行人保護安全性能目標(biāo)的達成。

1 頭碰試驗與評分

本文的試驗與仿真均是基于汽車安全法規(guī)CNCAP2018中所采用試驗方法，來評估發(fā)動機罩蓋各區(qū)域?qū)π腥祟^部的保護性能。兒童頭部模型重3.5kg，撞擊速度40km/h，撞擊角度50度;成人頭部模型重4.5kg，撞擊速度40km/h，撞擊角度65度。

在行人頭部碰撞中，評價頭部傷害的指標(biāo)為HIC值，表達式如下所示，

其中g(shù)是重力加速度，a為頭部沖擊器質(zhì)心位置的合成加速度，t₀-t₁≤15ms。根據(jù)頭部加速度曲線，可以得到每個點位的HIC值大小，并根據(jù)HIC值大小與得分對應(yīng)關(guān)系，最終得到每個點位相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。其中每個點位滿分為1分，最低為0分，總體得分為傘部點位得分之和。

2 碰撞過程與頭部加速度波形分析

已經(jīng)有研究^[7]表明頭部模型撞擊機罩過程的波形可以細化為四個階段，頭部模型接觸機罩后的整體運動過程、機罩自身變形過程、邊界介入過程、與發(fā)動機再撞擊過程。當(dāng)頭部模型以一定角度和速度與機罩發(fā)生碰撞，沖擊波沿機罩表面向四周發(fā)散，使機罩發(fā)生變形的同時，帶動機罩沿沖擊方向一起運動。機罩運動到邊界支撐處與之發(fā)生接觸，支反力的沖擊波會沿著機罩返回撞擊點。若整體動能仍然沒有被吸收，頭部模型與機罩繼續(xù)向下運動，若空間h不足，機罩內(nèi)板會與機艙剛性邊界發(fā)生二次撞擊。

根據(jù)動力學(xué)方程

由式3可以看出在碰撞過程中，頭部模型受到的反力主要是機罩的慣性力與變形反力導(dǎo)致的，影響頭部加速度峰值的是機罩自身質(zhì)量和剛度^[4]。在不同的時間段，慣性力與變形反力的大小不同，導(dǎo)致了頭部加速度波形的變化。

實際過程中，從頭部模型接觸機罩開始，到剛性邊界介入之前，因為慣性力的存在，才使得機罩自身剛度產(chǎn)生作用，因此機罩自身的運動與變形必須是同時進行的，而且從能量角度來看，機罩內(nèi)能和動能也是同步增加，因此可以把這一時問段全部劃為第1階段。從邊界介入開始，到邊界介入結(jié)束，可以劃為第2階段。第3階段則是從邊界介入結(jié)束，到頭部模型反彈時結(jié)束，其中可能包括二次碰撞。

第1階段，撞擊開始后，機罩慣性力與變形反力同時增加。在機罩中心處，碰撞波以圓環(huán)形狀向四周擴散，影響區(qū)域較大，慣性力相對較大;機罩邊界處，碰撞波傳播受阻，影響區(qū)域較小，慣性力相對較小。由于機罩自身剛度在不同位置基本保持一致，因此導(dǎo)致機罩中心位置的頭部加速度會比邊界位置的大。當(dāng)頭部加速度達到峰值后，機罩自身加速度開始減小，導(dǎo)致慣性力減小，頭部加速度也隨之下降。

第2階段，邊界支撐介入后，撞擊點剛度開始變大，變形反力隨之變大。在機罩中心處，由于撞擊點與邊界距離較遠，邊界支撐對撞擊點剛度影響很小，而在機罩邊界處，由于距離很近，邊界支撐大大增加了撞擊點剛度。因此，在這一階段中，機罩中心位置由于受到影響較小，頭部加速度會繼續(xù)變小，而邊界位置，隨著邊界介入，頭部加速度會出現(xiàn)反彈并保持在高位，加速度峰值甚至可以超過第1階段。

第3階段，邊界支撐介入結(jié)束后，慣性力與變形反力均開始下降，頭部侵入量持續(xù)增加。此時，如果設(shè)計空間不夠，機罩內(nèi)板與下面硬點發(fā)生二次碰撞，碰撞反力將再次導(dǎo)致頭部加速度波峰的形成。

根據(jù)前面的分析，三段式的頭部加速度簡化波形如圖l（a）所示，根據(jù)實際情況不同階段的加速度值大小，三段式波形可以簡化為三角波、方波或者雙峰波。由于加速度的波形不同，HIC值的計算區(qū)間也隨之改變，有研究表明，在給定的頭部侵入量條件下，當(dāng)加速度波形如圖l（b）所示時，計算得出的HIC值最小^[3]。即保證第2階段不要有過大的邊界支撐介入，以及第3階段避免二次碰撞的發(fā)生，使得HIC值計算區(qū)間盡量落在第1階段。

3 仿真、試驗對標(biāo)分析

為了研究頭部模型撞擊機罩不同區(qū)域的加速度波形以及傷害值與實驗結(jié)果的相關(guān)性，本文總共選取6個點來進行相關(guān)性對標(biāo)分析，其中邊界區(qū)域點包括PI、P2和P3，中間區(qū)域點包括P4、P5和P6，如圖2所示：

圖3為上述六個點位的頭部加速度曲線，實線為仿真值，虛線為試驗值。橫坐標(biāo)為時間，以秒為單元，縱坐標(biāo)為加速度，以重力加速度為單位。從圖3（a，b，c）可以看出，在邊界區(qū)域加速度曲線整體呈現(xiàn)方波形態(tài)，第2階段的加速度值偏高，與第1階段峰值達到同一水平。從圖3（d，e，f）中可以看到，中間區(qū)域的加這度曲線呈現(xiàn)三角波形態(tài)，第一階段加速度峰值比邊界區(qū)域大，第二階段加速度比邊界小，且第三階段又輕微二次碰撞。6個點位的加速度波形與理論吻合較好，且波形三個階段區(qū)分較明顯，其中第一階段大概在0到5ms，第二階段在5到15ms，第三階段在15ms之后。

總體來看，六個點位頭部加速度波形仿真值與試驗值吻合較好，邊界區(qū)域的誤差相對偏大。在波形的第1階段，6個點位加速度峰值的仿真值均小于試驗值，說明機罩的質(zhì)量和剛度相對于真實值可能偏小，考慮到實際中的厚度誤差、加工硬化或者材料參數(shù)，可以針對性的對計算模型進行修改。在波形的第2階段，Pl、P2點的加速度仿真值大于試驗值，其中Pl點的誤差主要由機罩鎖剛度是引起，P2點誤差與墊塊和車燈剛度有關(guān)系。第3階段，各點位均沒有發(fā)生較惡劣的二次碰撞。

表l中列出了六個點位第一加速度峰值、HIC值和點位得分的仿真試驗值。其中第一加速度峰值誤差均值在15.5%（除開Pl），HIC值誤差均值在20.6%，得分誤差控制比較好，總體得分修正系數(shù)為l。通過結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，仿真值的各項指標(biāo)基本都偏小，可能與材料曲線偏軟，或者配重質(zhì)量誤差有關(guān)系，后續(xù)可以繼續(xù)改進仿真計算分析模型。

4 優(yōu)化設(shè)計

由于Pl點的得分較低，我們需要對其進行優(yōu)化。根據(jù)該點的頭部加速度波形，以及前文分析的波形理論，我們提出兩種降低其HIC值的理論方案。方案1是降低第1階段的峰值，即降低機罩結(jié)構(gòu)本身的剛度和質(zhì)量，使其波形形成一個加速度均值較低的方波。方案二是降低第2階段的加速度，即降低介入的邊界剛度，使其波形朝最優(yōu)波形發(fā)展。

在實際工程中，由于機罩鎖扣附近點位的邊界剛度主要是由前保險杠蒙皮和骨架提供，而前保險杠蒙皮和骨架的剛度對其它性能影響較大，所以我們最終選擇從方案1方面來考慮。即降低該區(qū)域機罩結(jié)構(gòu)本身的剛度或者質(zhì)量。由于該區(qū)域的剛度主要由機罩前端加強板提供，在保證機罩指壓剛度、過沖擊、模態(tài)、行駛安全等機罩性能的基礎(chǔ)下，本文對鎖扣加強板和機罩前段加強板做結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并從產(chǎn)晶QCDP優(yōu)化的角度將其合并為一個件，如圖4（a）所示：

圖4（b）為優(yōu)化前后Pl點位的頭部加速度波形對比，在階段1中，頭部加速度在達到峰值后出現(xiàn)明顯下降，和階段2形成比較明顯的分區(qū)。而階段2中，由于邊界剛度沒有變化，導(dǎo)致頭部加速度變化非常小。最終HIC值由1896下降至1254，得分由O分增加至0.5分，根據(jù)仿真與試驗的誤差，實際的傷害值可能已經(jīng)進入了650-1000分的區(qū)間，實際得分由0.25分變?yōu)?.75分。同時，該設(shè)計方案由于簡化了零件數(shù)量和工藝，使得制造成本大大降低。

5 結(jié)論

（1）通過研究行人保護頭模與機罩撞擊的過程，以及頭部加速度波形的形成機理，將四段式波形簡化為三段式波形。通過試驗與仿真對標(biāo)分析，驗證了三段式波形理論和分析模型的準(zhǔn)確性。

（2）根據(jù)三段式波形理論，對機罩鎖扣區(qū)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，針對性的降低局部剛度，大大降低了該區(qū)域的HIC值，提高得分的同時成本也得到很大降低。

三段式波形理論能夠快速有效的為設(shè)計人員開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計指明方向，對機罩的設(shè)計與前艙的布置有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

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