2018C-NCAP行人保護頭部碰撞前艙結構性能的研究

楊飄 李燕龍 劉穎文 陳文 李濤

摘? 要：通過對2018版C-NCAP的解讀與研究，結合多個項目在開發過程中針對機罩板件及其周邊結構件的結構與性能的優化過程，并通過CAE分析與實際碰撞試驗的驗證。在定性方面，總結確定了前艙頭碰區域設計過程中頭碰保護碰撞點處結構需要優先考慮的的基本方向;定量方面，初步確定了碰撞點處的剛強度需要滿足的要求與對應各級潰縮空間的要求。并由此來指導前艙機罩板件與周邊結構件的結構設計。

關鍵詞：2018版C-NCAP;頭部碰撞保護;結構設計;定性與定量的研究

中圖分類號：U463.83+3? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2018）06-0068-07

Study On The Balance Between The Pedestrian Protection And The Finger Pressure Performance Of Hood

YANG Piao， LI Yan-long， LIU Ying-Wen， CHEN Wen， LI Tao

（ Dongfeng ，Otor Corporation Techical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： Through the interpretation and research of the 2018 edition of C-NCAP， optimization of structure and properties for the hood plate and its surrounding structures with multiple projects in the development process， and through the verification of CAE analysis and the actual impact test. In the qualitative aspects， summed up to determine the basic direction of the front head touch in the design process of regional head protection at the collision point structure need to be priority considered; In the quantitative aspects， Preliminary determination the requirements of the stiffness at the point of collision and the requirements of the corresponding collapse space. And thus to guide the structural design in front hood plate and surrounding structures.

1? ? 背景

目前關于行人保護的法規，全球通行的為GTR9（2008版），歐盟等汽車發達國家和地區通行的為ECE R127（2014修訂），這些法規成為汽車發達國家的強制性法規，是車輛進入市場的基本準入要求，特別是Euro-NCAP對新車的公開的考核發布，直接影響到車輛的銷售以及車企的品牌

形象。國內通過對比GTR9形成推薦性法規GB/T 24550-2009，且隨著國內車輛保有量突破3億輛，人們對于安全意識的增強，C-NCAP經過2016版到現行的2018版的出臺，對車輛前部結構的設計提出了更高的要求。為了提高開發車型關于行人保護頭部碰撞的星級等級，研究影響頭碰得分區域的結構對實際得分的影響并由此設計開發出高星級的車型成為當前各大車企的重大課題。

本文通過多個項目針對行人頭碰的設計過程與實際試驗結果，統計總結出頭碰過程中的幾種特征波形，對發動機罩板件與周邊結構件的結構性能展開研究與總結。

2? ? 典型試驗結果的研究

2.1? ?多級衰減模型

2.1.1 模型說明

a）圖1為多級衰減模型，碰撞過程中的頭型的加速度滿足：B=（0.45±0.1）A;C=（0.5±0.1）B;……

b）碰撞過程中的頭型的加速度時間歷程滿足：t1

2.1.2 該模型在碰撞過程中的歷程體現為

a）頭型開始接觸時，發動機罩表面接觸點處剛性好，對頭型有一個較強的支撐，頭型加速度曲線急劇攀升，待頭型運動一段距離后，突破了接觸點處的結構剛度極限，使得接觸點處出現壓潰的現象，此過程頭型的加速度形成一個峰值后迅速的降低下來;

b）雖然接觸點處板件結構已壓潰，但隨著頭型的繼續運動，板件本身的強度對接觸點處依舊形成了二級支撐，隨著頭型的位移帶動了該點結構的變形，當該應變達到其強度極限時，形成二級潰縮;

c）二級潰縮后，板件對于頭型的支撐作用基本上靠表面張力對整個頭型的面的緩沖支撐，此時，頭型的加速度曲線相對平緩的衰減，時間跨度上較前兩級潰縮長的多。

2.1.3 定性方面

該波形曲線在結構性能上的體現為二維（面）高剛度、結構重潰縮、區域弱強度、整體網狀輻射。

2.1.4 定量方面

通過對若干車型滿足此波形曲線的統計與研究，可得出如下結論：

a）符合該波形曲線的碰撞點的得1分概率較高，大多數可以得到0.75，得分受模型參數影響。

b）當模型中的參數取值范圍為：A∈（100，140），t1∈（3，6）時，碰撞點HIC<650，即得分為1。

c）符合該曲線的其余A與t1的取值范圍下，當B>90，t2>7時，碰撞點HIC值于1000附近，可能得0.5分，其余情況HIC值靠近650，得分偏向0.75。

2.1.5 示例

圖2是多級衰減模型示例，傷害值HIC小于650，頭碰得分為1分的比較典型若干代表實例。通過對符合該波形曲線的碰撞點的位置統計，滿足該曲線的區域存在于發動機罩板件中部減重結構區域。發動機罩前部若Y截面腔體的X向尺寸于300mm以上，可以通過優化外板加強板的結構使得碰撞曲線接近該模型。由于發動機罩兩側于后部截面腔體的非Z向尺寸均較小，形成該曲線的基本不可能。因而對發動機罩板件的結構設計上的重點需要放于中部減重區域。

2.2? ?登階滑梯模型

2.2.1 模型說明

a）圖3為登臺階滑滑梯，碰撞過程中的頭型的加速度滿足：A=（0.5±0.1）B;C=（0.3±0.1）B;……

b）碰撞過程中的頭型的加速度時間歷程滿足：t1≈t2

2.2.2 該模型在碰撞過程中的歷程體現為

a）頭型開始接觸時，發動機罩板件接觸點處的剛性過高，頭型接觸后率先變形的部位為接觸點周邊剛強度薄弱處，且因變形突破其強度極限，因而頭型加速度曲線會快速登上一級臺階后，受接觸點處高剛度的影響，只能于臺階上波動一段時間。

b）當周邊薄弱處充分變形吸能后，頭型繼續運動，受接觸點的高剛性影響，加速度再次急劇攀升，并于應力超過結構的剛強度時，接觸點被壓潰，板件結構對頭型瞬間失去強支撐，頭型加速度曲線如跳水一般迅速下降。

c）經過上述兩級過程后，結構件對于頭型的支撐作用基本上靠表面張力對整個頭型的面的緩沖支撐，此時，頭型的加速度曲線相對平緩的衰減，時間跨度上較前兩級潰縮長的多。

2.2.3 定性方面

該波形曲線在結構性能上的體現為一維（線）高剛度、線雙側弱強度、線下潰縮空間足。

2.2.4 定量方面

通過對若干車型滿足此波形曲線的統計與研究，可得出如下結論：

a）符合該波形曲線的碰撞點的得分或1分或0.75分，得分主要受B值影響。

b）當模型中的參數取值范圍為：B<120，t2∈（4，8），且有t1≈t2時，碰撞點HIC<650，即得分為1。

c）符合該曲線的其余B與t2的取值范圍下，碰撞點HIC值均大于但靠近650，得分可保證0.75分。

2.2.5 示例

圖4是登階滑梯模型比較典型的實例，其傷害值HIC小于650，頭碰得分為1分。通過對符合該波形曲線的碰撞點的位置統計，滿足該曲線的區域存在于發動機罩板件兩側外觀特征筋處，越遠離鉸鏈和大燈，其特性曲線與模型越接近。鑒于機罩上的特征筋大多數處于機罩兩側靠近分縫線，且由于常規設計條件下，兩側區域里外板之間僅僅形成了空腔，因而，該區域的截面尺寸成為設計得分重點。

2.3? ?無峰模型

2.3.1 模型說明

a）圖5為五峰模型，碰撞過程中的頭型的加速度如斷背之山，無峰。

b）碰撞過程中其加速度表現為：急速上升后，于高臺上持續震蕩，然后快速衰退。

2.3.2 該模型在碰撞過程中的歷程體現為

a）頭型開始接觸時，發動機罩表面接觸點主要受結構強度影響，頭型加速度急速上升后，結構表面剛度偏弱而整體結構強度偏強，使得頭型加速度上升到一定值后主要受整體強度的支撐而于高處震蕩。

b）高位持續一段時間后，頭型位突破結構強度極限而壓潰，但又受整體結構的強度輻射范圍的影響，加速度的衰退有先急速再緩速的趨勢。

c）最后加速度于低位持續震蕩。

2.3.3 定性方面

該波形曲線在結構性能上的體現為表面剛性差、結構強度強、結構下部潰縮空間受限。

2.3.4 定量方面

通過對若干車型滿足此波形曲線的統計與研究，可得出如下結論：

a）符合該波形曲線的碰撞點的得分基本處于0.75或0.5，其主要受限因素為A和t1。

b）當模型中的參數取值范圍為：A>100時，通常高位震蕩時間t1會短，其整體波形形態成“目”字型，其碰撞點HIC會略大于1000，其得分為0.5。

c）當模型中的參數取值范圍為：A<100，高位震蕩時間t1會長時，其整體波形形態成“皿”字型，其碰撞點HIC均會小于1000，其得分為0.75。

2.3.5 示例

圖6為“目”型、如圖7為“皿”型波形的為無峰模型的典型實例，圖7傷害值HIC大于1000，屬于0.5分區域，圖8為HIC小于1000，但接近1000，屬于0.75分區域。通過對符合該波形曲線的碰撞點的位置統計，滿足該曲線的區域存在于發動機罩板件后緣線200mm范圍內，其中越靠近兩側鉸鏈加強板側，則全線越傾向于“目”型。鑒于“皿”型比“目”型曲線更有利于得分，且考慮到該區域于板件內部結構無法作為，因而，后續在該區域內的設計更傾向于優化里外板的截面，適當提高表面剛度而弱化截面強度。

2.4? ?孤峰模型

2.4.1 模型說明

a）圖8為孤峰模型，碰撞過程中的頭型的加速度曲線僅形成一個波峰。

b）碰撞過程中其加速度表現為：急速上升到達極值，然后快速衰退。

2.4.2 該模型在碰撞過程中的歷程體現為

a）頭型開始接觸后，頭型的支撐由結構剛強度共同作用，加速度迅速攀升，隨后結構的變形量超過其極限而被強制壓潰，進而加速度快速衰減下來。

b）最后加速度于低位持續震蕩。

2.4.3 定性方面

該波形曲線在結構性能上的體現為表面剛性和結構強度均強、無潰縮結構。

2.4.4 定量方面

通過對若干車型滿足此波形曲線的統計與研究，可得出如下結論：

a）符合該波形曲線的碰撞點的得分基本處于0.75或0.5，其主要受限因素為A和t1。

b）當模型中的參數取值范圍為：A<120，t1>15時，其碰撞點HIC會偏向650，得分0.75。

c）當模型中的參數取值為其它時，不可控。

2.4.5 示例

圖9是孤峰模型的一個典型的實例，通過對符合該波形曲線的碰撞點的位置統計，滿足該曲線的區域存在于發動機罩板件內板減重區域的外邊界支撐外板的整圈附近。該區域鑒于常規設計中考慮到機艙降罩問題而很少設計弱化立邊的潰縮結構，因而，后續設計開發車型中合理布置機罩隔音墊與里板貼合面，在里板立面上做潰縮結構，既能夠達成隔音又能利于碰撞成為后續設計的重點。該波形若在結構上設計有效的潰縮結構，可向多級衰減模型演變。

2.5? ?駝峰模型

2.5.1 模型說明

a）圖10為駝峰模型，碰撞過程中的頭型的加速度曲線形成兩個波峰。

b）碰撞過程中其加速度表現為：急速上升到達極值，突破結構強度極限后迅速壓潰，然后再次受結構的強支撐，加速度再次快速提升，然后快速衰退。

2.5.2 該模型在碰撞過程中的歷程體現為

a）頭型開始接觸后，頭型的支撐由結構剛強度共同作用，加速度迅速攀升，隨后結構的變形量超過其極限而被強制壓潰，進而加速度快速衰，衰減途中，由于板件整體結構受到下部環境件的強支撐，頭型加速度再次迅速攀升，最終隨著頭型的位移，板件結構變形突破其強度極限而壓潰，使得加速度衰減下來。

b）最后加速度于低位持續震蕩。

2.5.3 定性方面：

該波形曲線在結構性能上的體現為表面剛性和結構強度均強、板件變形空間受限，板件結構下部有強硬點支撐。

2.5.4 定量方面

通過對若干車型滿足此波形曲線的統計與研究，可得出如下結論：

a）符合該波形曲線的碰撞點的得分不可能為1分，其主要受限因素為A、B和t1。

b）當模型中的參數取值范圍為：A>B，A<140，t1>10時，其碰撞點HIC會略小于1000，得分0.75。

c）當模型中的參數取值范圍為：A

d）當模型中的參數取值范圍為：A140時，其碰撞點HIC大概率>1350，得分0.25。

2.5.5 示例

圖11、圖12為駝峰模型的三個典型的實例，通過對符合該波形曲線的碰撞點的位置統計，滿足該曲線的區域存在于發動機罩鉸鏈區域。鑒于鉸鏈區域板件高強度的必要性，因而，設計重點為盡可能的增加里外板之間的變形空間，避免車身機構件對板件產生支撐硬點，重點考慮鉸鏈的Z向潰縮性能。

2.6? ? 金針探頂模型

2.6.1 模型說明

a）圖13為金針探頂模型，碰撞過程中的頭型的加速度曲線形成一個極度尖銳的峰值。

b）碰撞過程中其加速度表現為：急速上升到達極值，結構潰裂，加速度垂直速降，然后于低位震蕩。

2.6.2 該模型在碰撞過程中的歷程體現為

a）頭型開始接觸后，結構件有極強的剛度，使得頭型加速度急速上升，在短暫的時間后，結構件潰斷，瞬間對頭型不產生支撐，加速度垂直回落。

b）最后加速度于低位持續震蕩。

2.6.3 定性方面

該波形曲線在結構性能上的體現為結構件的剛度極強、達到強度極限后容易潰斷（易脆性）、潰縮空間足

2.6.4 定量方面

通過對若干車型滿足此波形曲線的統計與研究，可得出如下結論：

a）符合該波形曲線的碰撞點的得分為0.75。

2.6.5 示例

圖14為金針探頂模型的的典型的實例，通過對符合該波形曲線的碰撞點的位置統計，滿足該曲線的區域存在于雨刮軸區域，后續設計重點考察的是雨刮軸的潰斷強度極限。

3? ? 總結

通過對大量頭碰試驗得出的碰撞曲線與對應的結構，可以得出如下對行人頭碰保護設計方案的一個偏向性的定性的結論：表1為降低HIC值的結構設計要求。

偏向性的定量的結論：多級衰減模型模型最優，其滿足參考的加速度a、時間歷程t的約束范圍

是最優解。

通過結合發動機罩板件的結構剛強度的分析研究以及板件的過載變形分析，結合頭型碰撞加速度曲線變化過程及頭型運動位移的計算，我們可以進一步的得出各種剛強度于碰撞曲線下需要的潰縮空間，以及如何平衡潰縮空間不足與板件結構強度來實現有利于頭碰保護。

參考文獻：

[1]《高等數學》同濟大學數學系，高等教育出版社 第六版.

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[3]基于剛度與行人頭部保護要求的汽車引擎蓋設計[A].王亞軍，黃茁，吳沈榮，徐立偉，徐有忠，陳超卓.第七屆國際汽車交通安全學術會議論文集[C].2009.