汽車行人頭部保護方案開發

李志鵬，柴凱，徐曉春，于波

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汽車行人頭部保護方案開發

李志鵬，柴凱，徐曉春，于波

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

汽車的安全越來越受到重視，尤其是對車內成員的保護，但車輛對行人的保護還遠遠不夠。隨著新法規的實施，行人保護也逐漸受到重視，文章從車輛的造型、鈑金結構、CAE、試驗幾個方面入手，論述了行人頭部保護方案的開發。

行人頭部碰撞；CAE仿真；鈑金；試驗；C-NCAP

前言

近幾年，我國每年有上千萬的新車上路，保有量巨大。隨之而來的是汽車安全問題，在行人的事故中，有一類事故是可以通過對汽車的前期設計，達到降低傷害程度的目的，這就是汽車的行人保護技術，我國2018年的C-NCAP試驗中增加了行人保護的試驗，行人保護越來越受到重視。

行人保護試驗中，包括：成人頭部碰撞試驗、兒童頭部碰撞試驗、大腿碰撞試驗、小腿碰撞試驗，其中頭部碰撞試驗得分比重大，意味著實際事故中行人的頭部受到的傷害也是最大的。

因此，本文將對行人頭部保護方案的制定、CAE分析、試驗等相關技術事項進行闡述，如下文。

1 案開發流程

圖1 行人頭部保護開發流程

行人頭部保護方案開發流程如圖1所示。每個主機廠的流程都不盡相同，但主要的驗證方式都是前期CAE仿真分析，后期實車頭部碰撞試驗。頭部碰撞試驗成本較高，CAE仿真分析成本較低，都是主流設計驗證方法。

2 行人頭部保護方案制定

（1）造型方案定義

行人保護頭部碰撞試驗，需要在汽車前部根據規則劃出碰撞區域，該區域為封閉的區域，集中在發動機蓋和翼子板上部。此區域內造型直接影響碰撞試驗的得分，在實際的事故中影響著行人頭部傷害的程度。

在此區域的造型既要滿足美觀，又要降低對行人的傷害，發動機蓋外板不要設計有尖銳的棱角，即使有棱角也要弱化，如果出于造型的特殊需求，將尖銳的棱角設計在碰撞區域之外，這樣就不影響碰撞試驗的得分情況。

圖2 頭部碰撞區域劃分

（2）結構上的設計

1）發動機蓋的結構設計。在布置方面，如圖3所示，發動機蓋外板頭部碰撞區域內下方80mm范圍內（虛線下方），禁止布有不能壓潰變形的零部件，比如發動機、電瓶等。在自身結構方面，鈑金結構的剛度要求降到最低，在頭部碰撞后鈑金結構自身能變形壓潰，以吸收碰撞能量，從而降低對行人頭部的傷害。

圖3 發動機蓋側向斷面

2）發動機蓋鉸鏈的結構設計。發動機蓋鉸鏈為滿足發動機蓋的開關，設計上往往采用料厚較厚的材料，如果發動機蓋鉸鏈的位置處于頭部碰撞區域之內，須對鉸鏈座的結構進行弱化處理，目的還是減少對行人頭部的傷害。如圖4是未進行弱化處理的鉸鏈，如圖5是進行弱化處理的。

圖4 非壓潰結構鉸鏈

圖5 壓潰結構鉸鏈

（3）主動行人保護的應用

近些年，因為傳統結構上的行人保護設計，效果并不十分突出，所以各大車企顛覆了傳統設計，采用主動保護結構保護行人頭部。常用的形式有：主動發動機蓋鉸鏈，在傳感器感知到有行人碰撞到發動機蓋時，鉸鏈彈起，增加了發動機蓋的吸能空間。如圖6。另外一種方案是在主動鉸鏈的基礎上增加安全氣囊，在碰到行人時，氣囊彈出，對頭部起到緩沖的作用，這樣可以進一步降低行人頭部受到的傷害。如圖7。

圖6 主動式鉸鏈

圖7 主動式氣囊

3 行人頭部保護方案CAE分析

圖8 CAE模擬分析

發動機蓋設計完后并不急于投產，要經過CAE仿真分析，將設計的3D數據和人頭部數學模型在CAE軟件中網格化，然后輸入力學環境，對數據進行分析，計算結果包括頭部傷害值，鈑金結構變形量和頭部模型的加速度值。根據這些結果，分析行人保護的效果，對3D數據進行設計指導，之后再對數據進行分析，直到滿足CAE仿真分析的量化要求。

4 頭部碰撞試驗

（1）頭部碰撞試驗的種類

設計全面完成之后，緊接下來就是制造樣車。頭部碰撞試驗可以驗證設計的實際情況。在樣車上劃分出頭部碰撞區域，這里需要注意的是，區域要和CAE分析中的區域保持一致。碰撞區域分為兒童頭部碰撞區域和成人頭部碰撞區域。如圖9所示。

圖9 頭部碰撞試驗示意圖

1）兒童頭部碰撞試驗。兒童頭部碰撞器重3.5kg，以35km/h的速度沖擊車輛前端的兒童頭部碰撞區域。測量其中的物理量，計算HIC值，對比法規要求，判斷是否合格。

a為測量出的合成加速度，是g的倍數（1g=9.81m/s2）。t1和t2為碰撞過程中的兩個時刻（以s為單位），碰撞開始和結束之間的某一段時間區間，在該時間區間內HIC取最大值。

2）成人頭部碰撞試驗。成人頭部碰撞器重4.5kg，以35km/h的速度沖擊車輛前端的成人頭部碰撞區域。同樣計算HIC值，進行判斷。

最后根據試驗結果再一次修改設計，直到得到滿意的結果為止。

5 總結

行人頭部保護在2018年C-CNAP中已成為必檢內容，得分計入C-CNAP總分之中，可見其重要性，這已然是汽車安全性的一個風向標。

在這種背景下，行人頭部保護變得極為重要，這給主機廠帶來新的挑戰，可從車輛造型、鈑金結構、CAE仿真分析、樣車試驗幾個方面入手，經過系統的控制，產品必然會實現設計理念。

行人頭部保護不是一勞永逸的，新技術新材料層出不窮，方案必須要緊跟設計前沿，這樣的方案才能更加有效、持久。

[1] 于波.汽車與行人碰撞頭部保護安全性能開發.吉林大學[D].2017.

[2] 畢騰飛.汽車碰撞行人時對行人頭部保護的研究.武漢理工大學[D].2013.

[3] 龍騰蛟.基于行人保護的轎車前部造型特征研究湖南大學[D]. 2012.

[2] GB-T 24550-2009汽車對行人的碰撞保護.

[3] 2018版C-NACP管理規則.

ProjectDevelopmentOfPedestrian Proctection

Li Zhipeng, Chai Kai, Xu Xiaochun, Yu Bo

( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110141 )

More and more attention has been paid to the safety of cars, especially to the protection of the members of the car, but the protection pedestrian is far from enough. With the implementation of the new regulations, pedestrian protection has been paid more attention. This paper discusses the development of pedestrian head protection,scheme from the aspects ofshape, structure, CAE and test.

Pedestrian head impact; CAE simulation; sheet metal; test; C-NCAP

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.033

U467

A

1671-7988(2019)10-94-03

U467.1

A

1671-7988(2019)10-94-03

李志鵬，工程師，就職于華晨汽車工程研究院。