基于行人頭部保護的車輛吸能空間

譚冰花 趙正 李博

摘要：對2018版C-NCAP行人保護的頭部保護法規進行研究，針對某現有車型，對發動機罩不同的位置進行區域劃分，結合仿真與試驗數據得到不同區域的典型頭部碰撞加速度曲線。以此為依據仿真計算滿足行人頭部保護要求的吸能空間，可在整車開發的預研階段對總體布置提出更準確的空間要求，為新車型行人保護的開發提供參考。

關鍵詞：頭部碰撞；發動機罩；空間布置；碰撞試驗

中圖分類號：U461.91

文獻標志碼：B

0 引 言

世界衛生組織的一份報告指出，全球每年約有120萬人死于道路交通事故，約5 000萬人受到不同程度的傷害，其中包括行人、騎自行車人等在內的“道路交通弱勢群體”構成上述交通事故死亡的主體。在行人與車輛的碰撞過程中，行人頭部受到傷害的概率在所有行人身體傷害事故中約占31.4%，在受到嚴重傷害和致命傷害的行人當中，這一比例更是高達80%，是行人受傷概率和致死概率最高的區域。行人頭部損傷保護在行人保護中已經成為最迫切卻是難度最大的問題之一。發動機罩是碰撞事故中行人頭部接觸的主要區域之一。在碰撞過程中，行人頭部首先接觸發動機罩外板，外板變形并帶動內板一起變形向下運動，吸收碰撞能量。若發動機罩與前艙硬點間的吸能空間不足，行人頭部則會與發動機艙內部零件發生二次碰撞，造成更為嚴重的傷害。因此，為達到保護行人頭部的目的，發動機罩下方碰撞吸能空間的大小至關重要。

本文結合2018版C-NCAP行人保護的要求，對整個頭部碰撞區域進行五星得分規劃，針對不同區域的得分要求，利用有限元仿真方法獲得準確的頭部碰撞吸能空間，對汽車總布置提出更加精確的空間要求。

1 C-NCAP行人頭部保護法規和得分規劃

2018版C-NCAP行人保護評價由頭部和腿部2部分組成[1]，見圖1。

根據2018版C-NCAP規定，為獲得五星等級，對行人保護模塊的頭部與腿部得分進行目標設定，見表1。

根據行人保護的目標要求，以某車型為例，對C-NCAP頭部碰撞各個網格點的得分情況進行分配，見圖2，此車型行人保護頭部得分為7.3分。從圖2中不難發現，發動機罩中間位置HIC值較小，越靠近發動機罩邊緣HIC值越大。因此，根據不同的發動機罩位置對應的不同的HIC值要求，分別確定頭部碰撞吸能空間。

2 頭部碰撞吸能空間

2.1 頭部碰撞空間區域劃分

根據得分規劃，行人頭部與發動機罩碰撞區域

大致可分為3個區域：A區域為發動機罩中間區域、B區域為發動機罩邊緣區域、C區域為靠近發動機罩與其他部件（如翼子板、前保蒙皮、前大燈等）分縫線的區域，見圖3。

2.2 幾種典型的頭部碰撞加速度曲線

對多個試驗碰撞點進行分析，發現不同碰撞位置的頭部加速度波形有所差異，對應3種不同區域，會有3種典型的加速度曲線（見圖4）[2]：A區域為前高后低的波形，B區域為類似于方波的波形，C區域為前低后高的波形。結合圖3可知，發動機罩中間區域主要是前高后低的波形，發動機罩邊緣區域主要是類似于方波的波形，而靠近發動機罩與其他部件分縫線的區域主要是前低后高的波形。[3-4]

前高后低的波形主要出現在發動機罩中間區域。此區域距離邊界支撐相對較遠，頭部碰撞加速度由發動機罩本身的結構剛度和發動機罩下部的變形空間主導。在頭部接觸發動機罩后的3～5 ms產生較高加速度峰值，由于發動機罩下部有充足的變形吸能空間，隨著碰撞繼續進行，頭部能量逐漸被吸收，頭部加速度呈現衰減趨勢，逐步減小。

類似于方波的波形主要出現在發動機罩邊緣區域。此區域距離發動機罩鎖鉤、發動機罩鉸鏈、前端緩沖塊和前大燈等邊界支撐較近，且發動機罩內外板之間截面變小。在頭部碰撞過程中，由于發動機罩內外板截面變小，外板變形后內板也迅速變形，頭部加速度迅速產生較高的峰值。同時，由于發動機罩下部變形空間不足，隨著碰撞進行，發動機罩邊緣區域開始受到其他邊界部件的支撐。由于邊界支撐結構剛度較大，變形困難，因此出現持續較長時間過高的加速度峰值。

前低后高的波形主要出現在靠近發動機罩與其他部件（如翼子板、前保蒙皮和前大燈等）分縫線的區域。受發動機罩造型和發動機罩內、外板特殊包邊結構的影響，這些區域發動機罩內、外板之間的截面非常小。同時，這些碰撞位置的下部直接與發動機罩的周邊支撐重疊，并且有一些特殊的結構，如發動機罩緩沖塊、發動機罩鎖、發動機罩鉸鏈等不可變形的硬點。在頭部碰撞過程中，發動機罩外板在頭型沖擊器碰撞作用下迅速變形，發動機罩內板來不及變形就隨著發動機罩總成直接接觸到下部支撐，加上受到某些特殊硬點的影響，加速度峰值會持續升高，形成前低后高的波形。

行人頭部加速度波形在不同碰撞區域各不相同，所以不同碰撞區域對吸能空間的要求也隨之變化。以某在研車型的發動機硬點位置為例，準確計算所需要的吸能空間，歸納總結整車前艙硬點所需要的行人保護吸能空間要求。

3 計算頭部碰撞吸能空間

3.1 仿真與試驗對標

在計算行人頭部保護吸能空間之前，要對所用到的有限元模型進行對標。C-NCAP于2018年開始進行考察，而之前公司的大部分車型是按照ECER127法規開發的，所以行人保護中的頭部試驗較少。此次選用ECER127法規認證的試驗結果進行對標，頭部碰撞試驗點位置示意見圖5，對標后行人保護頭部HIC值與頭部加速度曲線[5]對比結果見表2和圖6。

由對標結果可以看出，仿真結果與試驗結果波形趨勢一致，HIC值誤差小于10%，因此該有限元模型可以作為頭部碰撞空間計算的基礎模型。以下均基于對標后的模型進行仿真分析，通過計算得到的數據較為準確，具有較強的參考價值。

3.2 前艙硬點頭部碰撞吸能空間的確定