行人頭部在交通事故中撞擊車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的仿真

李 軍，謝金利

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

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行人頭部在交通事故中撞擊車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的仿真

李 軍，謝金利

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

針對(duì)某運(yùn)動(dòng)型多用途車(SUV)進(jìn)行成人頭部模型撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的仿真試驗(yàn)，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)蓋不同內(nèi)襯結(jié)構(gòu)、撞擊位置、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋材料和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板厚度等對(duì)頭部傷害指數(shù)(HIC)、頭部最大加速度和最大位移的影響。研究結(jié)果表明：影響頭部傷害的主要因素有發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的布置空間、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋剛度和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋材料；厚度不同的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋在布置空間小的區(qū)域?qū)︻^部HIC值沒有明顯改善。

汽車安全；行人保護(hù)；成人頭部模型；發(fā)動(dòng)機(jī)蓋

0 引言

隨著各國城市人口日益密集以及汽車保有量的持續(xù)增多，道路交通中的人員安全問題越發(fā)突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年死于交通事故的人數(shù)高達(dá)127萬。中國每年道路交通死亡人數(shù)一直維持在10萬人左右，而行人死亡率更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于駕乘人員。2003年，歐洲行人保護(hù)法規(guī)2003/102/EC正式出臺(tái)，該法規(guī)成為全球第一部行人保護(hù)法規(guī)[1]，《行人保護(hù)全球技術(shù)法規(guī)(GTR)》也已經(jīng)實(shí)施，中國也依照GTR法規(guī)制定了GB/T 24550—2009[2]。由于行人頭部在交通事故中是最容易受到碰撞損傷且可能造成直接致命的部位，因此，研究人體頭部在汽車碰撞過程中的傷害很有必要。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用有限元仿真的方法研究了不同結(jié)構(gòu)形式的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋對(duì)行人頭部的損傷程度，得到了最優(yōu)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[4]建立了頭部沖擊器及鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板有限元模型，分析了其行人頭部保護(hù)功效。文獻(xiàn)[5]針對(duì)某款發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈進(jìn)行改進(jìn)分析，降低了鉸鏈區(qū)域的頭部傷害指數(shù)(HIC)。針對(duì)以上研究對(duì)頭部傷害影響的不全面性，本文旨在利用有限元分析方法，對(duì)某車型發(fā)動(dòng)機(jī)蓋進(jìn)行多方案對(duì)比，改善對(duì)行人頭部的保護(hù)性能。以行人頭部在交通事故中碰撞于汽車車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋為分析對(duì)象，運(yùn)用LS-DYNA等仿真軟件進(jìn)行分析，計(jì)算不同發(fā)動(dòng)機(jī)蓋參數(shù)對(duì)行人頭部的損傷值，研究如何降低車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋對(duì)頭部撞擊的損傷。

1 頭部有限元模型

為了進(jìn)行撞擊的仿真試驗(yàn)，根據(jù)GTR法規(guī)中對(duì)人體頭部參數(shù)規(guī)定，將成人頭部簡(jiǎn)化成如圖1所示的鋁制球體沖擊器，其直徑為165 mm，質(zhì)量為4.8 kg。球體用14 mm厚的合成皮膚覆蓋，覆蓋面積為球體的一半，包含有16 699個(gè)節(jié)點(diǎn)和28 707個(gè)單元。

圖1 成人頭部沖擊器

在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，用頭部傷害指數(shù)(HIC)對(duì)頭部傷害進(jìn)行評(píng)價(jià)，HIC不得超過1 000[1]。頭部加速度的濾波等級(jí)為CFC1 000。HIC的具體計(jì)算方法[6-7]為：

(1)

式中:a(t)為碰撞過程中頭部質(zhì)心合成加速度；t2-t1為HIC達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間間隔，在實(shí)際應(yīng)用中最大時(shí)間間隔取15 ms。

從式(1)可以看出：影響HIC的最主要因素是加速度和時(shí)間。因此，針對(duì)行人的撞擊保護(hù)，車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的設(shè)計(jì)主要為兩個(gè)方面：減小加速度的峰值和縮短加速度曲線中第1次波峰與第2次波峰間的時(shí)間間隔[8]。文獻(xiàn)[9]研究了不同碰撞波形對(duì)HIC的影響，得出最優(yōu)的頭部撞擊加速度曲線，應(yīng)盡量避免二次碰撞。

通常發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部件有一定的空間間隔距離，如果在撞擊過程中發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形過大而與艙內(nèi)部件接觸，很有可能造成二次碰撞，增大頭部傷害，理想曲線中會(huì)出現(xiàn)第2個(gè)峰值[10]。本文嘗試從車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的結(jié)構(gòu)、材料和厚度著手，探究不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋對(duì)人體頭部傷害的影響，優(yōu)化車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的結(jié)構(gòu)。

2 成人頭部模型對(duì)標(biāo)

圖2 頭部模型對(duì)標(biāo)加速度曲線(g為重力加速度)

通過GTR法規(guī)，本文對(duì)成人頭部模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，頭型的標(biāo)定是按照跌落試驗(yàn)，從376 mm的高度落下，頭部沖擊器里面安裝的三軸加速度傳感器測(cè)量的合成加速度峰值不應(yīng)小于225g且不應(yīng)大于275g。

3 成人頭型撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的仿真

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)襯布置結(jié)構(gòu)形式和碰撞位置的影響

試驗(yàn)研究行人撞擊車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋對(duì)頭部傷害的影響，分析不同發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)蓋以減小對(duì)行人頭部的傷害。本文分析的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋由外板和內(nèi)襯兩部分組成，且外板結(jié)構(gòu)相同，而內(nèi)襯結(jié)構(gòu)不同，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)蓋強(qiáng)度就不同。分別研究3種不同的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)對(duì)撞擊的影響，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

按照GTR法規(guī)，車輛應(yīng)處于正常的行駛姿態(tài)，并且牢固地停放在試驗(yàn)臺(tái)架上或在駐車制動(dòng)器制動(dòng)的狀態(tài)下停在水平面上[11]。本仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎们懈畹能嚿恚Ｐ桶嚿戆l(fā)動(dòng)機(jī)蓋及其內(nèi)襯下面存在的所有部件，在車身被切割處約束其6個(gè)自由度，且汽車輪胎下面通過剛性墻固定于地面，車身質(zhì)量為1.134 t。

圖3 不同結(jié)構(gòu)形式的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

圖4 頭部的不同撞擊位置

針對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真。成人頭部以35 km/h的速度,按照65°的方向撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)蓋，為了準(zhǔn)確地模擬頭部的損傷，分別在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋表面選擇3個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行撞擊分析，如圖4中黑色實(shí)心圓所示。

撞擊點(diǎn)1位于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋中央、發(fā)動(dòng)機(jī)上方中央肋板上部；撞擊點(diǎn)2位于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋第1個(gè)點(diǎn)左側(cè)545 mm，空濾器上方，距離發(fā)動(dòng)機(jī)蓋邊緣較近；撞擊點(diǎn)3距離撞擊點(diǎn)1 405 mm，位于流水槽上方，撞擊點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋邊緣。這3種布置方式包含了3種不同的碰撞形式，3個(gè)碰撞點(diǎn)的剛度不同，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下方的硬點(diǎn)情況也不同。

表1給出了3種結(jié)構(gòu)下頭部撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)蓋后的HIC值、最大加速度值和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的最大位移量。由表1可以看出：在同一種結(jié)構(gòu)中，不同點(diǎn)的HIC值趨于一致，撞擊點(diǎn)2的HIC值最小，撞擊點(diǎn)3的HIC值最大，撞擊點(diǎn)1的HIC值居中。同時(shí)，比較最大加速度值可以看出：在撞擊點(diǎn)1處的最大加速度值最大，并且其位移也最大。

表1 3種結(jié)構(gòu)下的HIC值、最大加速度和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的最大位移量

圖5 結(jié)構(gòu)A中3個(gè)不同撞擊點(diǎn)加速度曲線(g為重力加速度)

圖5為結(jié)構(gòu)A中的3個(gè)不同撞擊點(diǎn)的加速度曲線圖。由圖5可以看出：撞擊點(diǎn)1的最大加速度值偏高，與撞擊點(diǎn)2的最大加速度差值較小。同時(shí)，撞擊點(diǎn)1和撞擊點(diǎn)2都存在明顯的二次碰撞，即有第2個(gè)加速度峰值，撞擊點(diǎn)2的第2個(gè)峰值相比撞擊點(diǎn)1時(shí)間更為提前，但持續(xù)時(shí)間較短。綜合兩個(gè)因素可以得出：撞擊點(diǎn)1的HIC值更大，而撞擊點(diǎn)3的最大加速度相對(duì)于撞擊點(diǎn)1和撞擊點(diǎn)2較小，但是其綜合作用時(shí)間較長，因此撞擊點(diǎn)3的HIC值更高。

在結(jié)構(gòu)A的情況下比較3種內(nèi)襯的布置空間。撞擊點(diǎn)1處于發(fā)動(dòng)機(jī)上端，比撞擊點(diǎn)2下方的空濾器高，布置空間小，但是撞擊點(diǎn)1位于連接點(diǎn)處，變形時(shí)要牽動(dòng)四周的肋板變形，剛度相對(duì)較好，所以第1次碰撞加速度更大。撞擊點(diǎn)2接近發(fā)動(dòng)機(jī)蓋邊緣，剛度較高，因此產(chǎn)生的加速度較大。雖然撞擊點(diǎn)2的加速度略小于撞擊點(diǎn)1(如圖5所示)，但由于其附近變形牽制少于撞擊點(diǎn)1，因此其變形比撞擊點(diǎn)1更快，產(chǎn)生的二次碰撞加速度更大，持續(xù)時(shí)間較短。撞擊點(diǎn)3位于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋邊緣處，變形空間較小，和下方的零部件距離較近，在首次接觸時(shí)，和外板碰撞產(chǎn)生加速度較小，持續(xù)時(shí)間更長，同時(shí)第2次碰撞也不明顯。

通過表1可比較3種不同形式的車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋結(jié)構(gòu)，在撞擊點(diǎn)1處，結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋都直接被撞擊到縱向肋板，結(jié)構(gòu)A撞擊位置處于肋板邊緣的空缺處，受到的阻礙相對(duì)更小；結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C肋板處剛度更大，變形需要更多的能量，故初始加速度更大。總之，由于撞擊點(diǎn)1位于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋中央，四周結(jié)構(gòu)較為勻稱，剛度均勻，模型結(jié)構(gòu)的變化在撞擊點(diǎn)1處的影響較小。

從以上分析可以看出：要得到較小的HIC值，首先要減少碰撞持續(xù)時(shí)間，即從第1次碰撞到第2次碰撞時(shí)間不能太長，且第2次碰撞加速度值應(yīng)盡量降低。從布置空間的角度來看，下方布置空間應(yīng)更大，或者下方的硬點(diǎn)更“軟”，在碰撞過程中可減少第2次碰撞的機(jī)會(huì)。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板材料的影響

為了進(jìn)一步探究不同材質(zhì)對(duì)頭部撞擊傷害的影響，改變發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板的材料。原發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板材料為低碳鋼，在結(jié)構(gòu)A的基礎(chǔ)上，將外板材料分別換為鋁合金和鎂合金，3種材料的參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 3種材料參數(shù)對(duì)比

在相同的條件下計(jì)算，不同材料分析結(jié)果如表3所示。

表3 不同材料時(shí)不同撞擊點(diǎn)的HIC、最大加速度和最大位移

圖6 不同材料時(shí)撞擊點(diǎn)1的加速度曲線(g為重力加速度)

圖6為不同材料在撞擊點(diǎn)1的加速度曲線圖。由圖6可以看出：3次碰撞曲線走勢(shì)基本一致，都有二次碰撞，造成兩個(gè)加速度峰值，并且3種情況下碰撞前后時(shí)間差較小。第1次碰撞時(shí)由于鎂合金和鋁合金材制的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋剛度比低碳鋼制的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋剛度小，因此頭部沖擊器與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋碰撞產(chǎn)生的加速度較小，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形更大，與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下部的硬點(diǎn)接觸時(shí)間提前，發(fā)生了一個(gè)時(shí)間更提前、加速度值更大的二次碰撞。總的來看，鎂合金和鋁合金車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋由于第1次產(chǎn)生的加速度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于低碳鋼發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的加速度值，HIC值更小。從位移角度看，鎂制和鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)蓋在碰撞過程中產(chǎn)生的位移更大，能量消耗時(shí)間更長，因而可以減少HIC值。所以為了保證能量消耗時(shí)長，避免在碰撞時(shí)撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下方硬點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的零件與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板之間的間隙空間應(yīng)更大。從表3中可看出：撞擊點(diǎn)3在3種材料下的HIC值變化有逐漸上升的趨勢(shì)。

從表3還可以看出：3種材料的車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋，在撞擊點(diǎn)3的最大加速度值變化趨勢(shì)與撞擊點(diǎn)1和撞擊點(diǎn)2恰好相反。這是由于撞擊點(diǎn)3為雨刮下方流水槽附近，靠近發(fā)動(dòng)機(jī)蓋后緣，內(nèi)外板之間的間距較小，變換材料后外板吸能變化不大。頭部撞擊到后緣外板，經(jīng)過相同的變化進(jìn)入第2次碰撞，撞擊到流水槽處較硬的邊緣，產(chǎn)生第2次加速度。由于鎂合金和鋁合金材料的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋吸能不強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)過程中的加速度較大，造成第2次碰撞的加速度也較大，但是鎂合金第2次碰撞加速度更大，由此HIC值更高。

從以上分析可知：換成材質(zhì)更“柔軟”的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋后，獲得的效果比低碳鋼效果理想，減少頭部傷害的效果更佳；在空間間距小的位置，改變材料后的HIC值反而增大。

3.3 外板厚度的影響

在車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下面包含很多發(fā)動(dòng)機(jī)剛性部件，都是硬質(zhì)點(diǎn)，為了減少撞擊傷害，蓋與艙之間必須保持一定的布置空間間距，才能保證頭部的HIC值符合法規(guī)的要求。為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)蓋厚度對(duì)頭部傷害的影響，本文在結(jié)構(gòu)A的基礎(chǔ)上對(duì)撞擊點(diǎn)3進(jìn)行仿真。對(duì)材料的分析發(fā)現(xiàn)：材料對(duì)撞擊點(diǎn)3的加速度值和HIC值改變不大，而對(duì)撞擊點(diǎn)1、撞擊點(diǎn)2都有變化。本節(jié)針對(duì)撞擊點(diǎn)3，仿真分析車身發(fā)動(dòng)機(jī)蓋不同厚度的變化對(duì)行人撞擊傷害的影響。

在前面研究基礎(chǔ)上改變結(jié)構(gòu)A外板的厚度值。第1種情況代表發(fā)動(dòng)機(jī)蓋厚度減小為0.8 mm，第2種情況為原模型厚度1.0 mm，第3種情況為厚度增加至1.2 mm，仿真結(jié)果如表4所示。

圖7為撞擊點(diǎn)3在不同厚度時(shí)的加速度曲線。從表4和圖7中可以看出：隨著厚度增加，最大加速度值也相應(yīng)較少，這是由于厚度增加致使變形較慢，吸能變少；同時(shí)厚度增加，最大位移也相應(yīng)減少，致使吸能效果更弱。

表4 不同厚度時(shí)，撞擊點(diǎn)3的HIC、最大加速度和最大位移

圖7 撞擊點(diǎn)3在不同厚度時(shí)的加速度曲線(g為重力加速度)

由以上分析得出：邊界區(qū)域的布置空間小，更容易發(fā)生二次碰撞，而厚度的變化對(duì)其影響不大。所以，對(duì)于邊界區(qū)域需要適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)支撐，可采用局部抬升內(nèi)板等方法增加其接觸剛度，減少第2次接觸的加速度值，則可減少對(duì)頭部的撞擊傷害。

4 結(jié)論

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋結(jié)構(gòu)對(duì)成人頭部撞擊HIC值有較大影響。相同撞擊位置、不同結(jié)構(gòu)的加速度變化不大，但HIC值變化較大。

(2)更為“柔軟”材料的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板對(duì)HIC值降低有好處，可以降低初始峰值。

(3)厚度的影響對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋邊緣處的HIC值影響不大，因?yàn)檫吘壧幉贾每臻g較小，只通過抬高內(nèi)板高度來增加布置空間，增大吸能行程，可減小第2次碰撞的傷害。

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305472);重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(CSTC2013yykfB0184)

李 軍(1964-),男,重慶人,教授,博士,主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放與控制，交通裝備先進(jìn)制造技術(shù)及應(yīng)用等方面的研究.

2015-01-19

1672-6871(2015)04-0032-05

U461.91

A