基于理想方波減速度的發動機罩潰縮距離的分析

陳金華，黃向東，汪 俊，廖 兵

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院，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.廣州城市職業學院信息與汽車工程學院，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%，大量的交通事故調查結果表明，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的70% ～85%［1］。且行人頭部損傷通常是由于行人頭部與車輛發動機罩或風窗玻璃發生碰撞造成的［2］。行人頭部損傷約占損傷總數的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準的研究，并陸續推出相應的標準法規［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》標準［4］，其中對行人頭部保護的測試作出了明確規定，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雜系統，該系統由顱骨、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、腦震蕩和顱內血腫等［5］。其機理是當頭部與車輛前部發生碰撞時，頭部受到外部的沖擊載荷并持續一定的時間，從而導致腦組織內部各系統產生相應的力學響應，當內部力學響應超過了任何特定的生理組織損傷的承受能力，頭部就會發生損害。顱腦損傷的生物機理非常復雜，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準，人們通常采用HIC值來預測頭部損傷風險［6］。

最早進行人體頭部傷害研究的是美國韋恩州立大學的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上，根據大量試驗數據擬合建立的，它將受傷程度作為有效減速度和持續沖擊時間的函數，即

式中:g為重力加速度;a為碰撞過程中頭型質心合成減速度;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頭型碰撞保護中發動機罩所需最小潰縮距離的設計，否則在后期由于潰縮距離不足而修改造型和相關零部件的設計將會大大增加開發成本。

本文中通過構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要求的發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:

(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，即假設碰撞一開始即達到恒定減速度值，并持續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

假設在某一時間間隔內，HIC值達到最大，則式(1)可簡化為

根據式(2)假設，頭型減速度曲線在碰撞過程中為一恒定數值，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，碰撞持續時間Δt只與初速度v0和所要求的HIC值有關，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，頭型受到發動機罩的作用力與發動機罩自身的特性有關，即與發動機罩的剛度K和碰撞區域發動機罩的質量M相關，因此發動機罩對頭型的碰撞力f可表示為

把頭型與發動機罩碰撞的每一時刻看作準靜止狀態時，則由理想方波減速度曲線及牛頓第二定律可得

對于發動機罩，在準靜止狀態下可認為只受到彈性力的作用，則有根據作用力與反作用力大小相等的關系，發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為目標控制參數，可得和，如表2所示。

表2 頭部碰撞相關參數

以上對發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

根據試驗統計，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HIC值為1 000時，兩者潰縮距離的誤差大約為0.5～1.5mm，當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，在發動機罩兒童碰撞區域選取一碰撞點，如選取發動機罩鎖扣加強板部位，見圖5，通過發動機罩的抗凹性仿真分析得到鎖扣加強板區域的平均剛度值為68N/mm，與理想方波減速度模型得到的兒童頭部碰撞區域剛度值72.1N/mm接近，因此可用該區域的頭型碰撞試驗進行發動機罩潰縮距離的驗證分析。

發動機罩鎖扣部位位于兒童頭碰區域，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的發動機罩最大潰縮距離為53.3mm與理論推導的HIC值為1 000的發動機罩潰縮距離47.9mm很接近，可認為本文中簡化的理想模型合理，其推導的結果與試驗結果具有較好的一致性，其結果可用于指導車輛開發中的行人保護設計。

5 結論

(1)從分析結果可知，在現有的頭部損傷準則中，有效減速度和持續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動機罩最小潰縮距離進行初步的預測是可行的，對車輛的行人保護頭部碰撞性能開發及發動機罩設計有一定指導意義。

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

［1］楊濟匡，李凡，李莉.車輛-行人碰撞中顱腦損傷及動力學響應的研究［J］.湖南大學學報(自然科學版)，2007，34(7):30－34.

［2］李莉，楊濟匡，李偉強，等.汽車碰撞行人交通傷害特點分析［J］.汽車工程，2005，27(1):44 －47.

［3］Mizuno Y，Ishikawa H.Summary of IHRA Pedestrian Safety WG Activities Proposed Test Methods to Evaluate Pedestrian Protection Afforded by Passenger Cars［C］.The 18th ESV Conference，Amsterdam:North Atlantic Treaty Organization Committee，paper 580，2001.

［4］GB/T24550—2009汽車對行人的碰撞保護［S］.北京:中國標準出版社，2010.

［5］Kam C Y，Crandall J，Deng B.Design of a Full-Scale Impact System for Analysis of Vehicle Pedestrian Collisions［C］.SAE Paper 2005－01－1875.

［6］杜群貴，劉秋成，薛運鋒，等.汽車安全帶新型預緊器的結構與性能仿真［J］.華南理工大學學報(自然科學版)，2009，37(7):57－61.

［7］黃向東，陳金華，謝岳璁.管架式轎車車身碰撞仿真分析［J］.華南理工大學學報(自然科學版)，2003，31(3):60－63.