某車型行人保護頭型碰撞仿真與試驗對比分析

閆海濤 馮亞玲 劉鵬

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

人車混合交通是我國目前城市交通的主要特征之一，隨著每年汽車保有量的增加，交通事故問題越來越嚴重[1]。據CIDAS 數據統計，中國道路交通事故中約有20%的交通事故傷亡為行人，其中兒童和老人的風險最大[2]。行人保護問題顯得日益重要，且在交通事故中，頭部是最容易受傷部位之一[3]。隨著法規和C-NCAP（2018 年版）的出臺和更新，越來越多的主機廠將行人保護列為車型開發的重要性能之一。目前，所測試車輛顯示，車輛對腿部碰撞性能保護較優異，對頭部碰撞性能保護較差[4]。文章主要針對頭部碰撞性能，建立某車型行人保護仿真模型，并結合試驗，對比分析仿真分析結果，驗證模型的準確性和仿真精度，用于后續結構開發和優化。

1 行人保護仿真模型介紹

1.1 有限元模型

按照C-NCAP（2018 年版）試驗規程，頭部沖擊仿真計算次數大都超過100 次，為了提高計算效率，在保留關鍵部件（鉸鏈安裝螺栓、蓄電池、繼電器、機蓋緩沖塊）的前提下，往往將整車CAD 數據進行簡化。通過分析試驗中車身的狀態，可以得到對頭部沖擊傷害值（HIC）影響較大的結構主要是車輛前端[5]，這里取車輛前端數據進行模型搭建。

在車身后端截面處和懸架位置施加6 個自由度全約束，根據試驗點進行頭型定位，應用關鍵字“CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE”定義頭型與發動機罩的接觸關系。圖1 示出該車型行人保護有限元模型，表1 示出頭型加載速度、沖擊角度和求解時間。

圖1 行人保護有限元模型

表1 假人頭部模型加載速度和求解時間

1.2 試驗點選取

為了更加全面地了解該車機蓋不同區域的頭部沖擊傷害值（HIC），需要在機蓋的不同區域，選取試驗目標點。機蓋區域主要分為機蓋鉸鏈區域、機蓋鎖區域、通風飾板上方區域、機蓋中心區域，以及有可能與機艙中零部件接觸的區域（比如蓄電池、繼電器等）等[6]。根據以上原則，該車選取10 個對標試驗目標點，其中成人頭型碰撞區域為3 個（A1～A3），兒童頭型碰撞區域為 7 個（C1～C7），如圖 2 所示。表 2 示出各個試驗點選取的具體原則。

圖2 機蓋目標點位置示意圖

表2 機蓋試驗點選取原則

2 試驗對標分析

2.1 頭型沖擊試驗

進行行人保護頭型沖擊試驗前，需根據C-NCAP（2018 年版）對整車進行配重以及測量等，如表3 所示。從表3 中可以看到，試驗車輛狀態滿足試驗要求，試驗結果可以用于與仿真結果的對比分析。

表3 碰撞試驗前車輛測量結果

2.2 對比分析

根據C-NCAP（2018 年版），通過碰撞過程中頭型3 個方向的加速度，計算出行人保護頭部傷害值（HIC）來評價車輛對行人頭部的碰撞保護性能，HIC15的計算如下：

式中：AX，AY，AZ——頭型 3 個方向的加速度值，g；

AR——頭型3 個方向加速度平均值，g；

t1——碰撞起始時間，ms；

t2——碰撞結束時間，ms；

當 HIC15時，即 t2-t1≤15 ms。

從式（1）和式（2）可以得到與頭部傷害HIC15有關的因素包含加速度AR和時間域（t2-t1），其中加速度影響成指數關系，影響較大。文章將分別以頭部傷害值精度和加速度曲線精度來對各個試驗點進行對比分析，其中曲線精度采用加權綜合因子方法（WIF）進行評價，圖3 示出各個試驗點頭部加速度曲線對比結果。

圖3 頭型沖擊試驗各試驗點頭部加速度曲線對比

從圖3 可以得到，仿真得到的曲線與試驗曲線趨勢基本一致。表4 示出除了機蓋鎖區域C5 點外，其余各點的加速度曲線WIF 值均大于80%。導致C5 點WIF 值偏低的原因可能是由于機蓋鎖采用剛性簡化連接，后期需對其進行進一步驗證分析。

表4 碰撞試驗點HIC15 和曲線WIF

從表4 可以得到，除了機蓋鉸鏈區域的HIC15（A1和A3），其余80%試驗點的HIC15誤差均小于10%。從圖3a 和圖3c 可以看出，鉸鏈區域仿真曲線的波峰值比試驗值大，圖4 示出A1 和A3 點試驗后機蓋變形，從圖4 中可以看到，試驗中機蓋外板被鉸鏈螺栓擊穿，使試驗加速度峰值比仿真值低，而仿真中未考慮材料失效對頭型加速度的影響，從而導致HIC15誤差超出10%。

圖4 碰撞試驗后發動機蓋變形區示意圖

3 結論

文章通過搭建某車型行人保護模型，在機罩不同區域選取試驗點，并根據C-NCAP（2018 年版）試驗要求，對其進行了行人保護仿真分析。結合試驗，對加速度曲線和HIC15進行對比分析。結果顯示，頭型加速度曲線基本一致，除了機蓋鉸鏈區域外，其余區域的HIC15誤差均小于10%，滿足開發要求，可用于該車型后期行人保護的結構設計與優化。

為了進一步提高仿真分析精度，未來將在機蓋鉸鏈區域進行材料失效仿真分析，并對機蓋鎖進行詳細建模，使仿真分析能夠更好地應用于結構設計。