機動車與被撞行人保護研究——基于行人碰撞保護機動車發蓋鉸鏈區設計解決方案

文/祁鶴興 賀春桃 于 峰

車輛的安全性是目前社會大眾所關注的，安全性高也作為汽車重要的賣點之一。因此，對于汽車制造商而言，車輛的安全性設計顯得尤為重要。隨著現代汽車的發展，對于車內乘員的保護已經處于一個較高的水平，而路邊的弱勢群體——行人的安全性還處于一個待發展階段。

據調查顯示，行人在交通事故中的死亡率很高。2005年日本的比率為60%，美國為22%，法國為36%，英國為43%，德國為39%，而我國在2006年已達到了63%。在人—車碰撞事故中，對行人頭部造成的傷害比例為30%以上，行人頭部傷害導致的死亡比例達62%。

全球技術法規（GTR）、歐盟、日本、美國等地區和國家法規相繼出臺，我國也已于2009年10月正式頒布行人保護標準GB/T 24550-2009《汽車對行人的碰撞保護》，明確規定了對行人頭部和腿部的保護要求。對于行人頭部保護，要求頭部傷害指標（HIC）15的三分之二區域不大于1 000，三分之一的區域不大于1 700。

本文提出了兩種發蓋鉸鏈區域的設計，在滿足強度可接受范圍內，通過CAE軟件分析優化結構來實現行人保護頭部碰撞的要求。

一、行人保護模型的建立

1. 行人保護車輛模型

對于行人保護車輛有限元模型的形狀、材料、厚度等所有信息均需與實車狀態保持一致。同時，為了保證試驗中汽車后部基本保持靜止，需要約束模型后部6個自由度。

2. 行人保護頭部模型

GTR9制定了交通事故中保護的相關標準，其中，對于行人保護也給出了相應的試驗方法和評價標準。本文所使用的行人保護頭部模型符合GTR法規的兒童頭部模型（如圖1所示）。質量為3.5 kg，沖擊速度為35 km/h，沖擊方向與水平夾角為50°。

圖1 兒童頭部模型

3. 仿真分析

確定發動機罩前緣基準線，并在基準線上選取鉸鏈區域的撞擊位置，標記為A。確定撞擊點A的坐標，將頭部移至撞擊點A處。A點的頭部加速度仿真結果如圖2所示。

圖2 撞擊點A的加速度圖

由圖2可知，由于初始撞擊時，發動機罩外板吸能不夠，導致頭部直接撞擊至發動機罩下方的鉸鏈處硬點，使得之后頭部的加速度出現較大的峰值，頭部的傷害值較大，不滿足車輛的行人保護設計要求。 因此，對于發動機罩下方的鉸鏈硬點處，需要進行改進來滿足該位置的性能需求。

二、優化

發蓋鉸鏈區域實現了發動機艙蓋的開啟與閉合，須滿足相關零部件的強度和疲勞耐久要求。一般車輛在發蓋鉸鏈區域（如圖3所示）Z向剛度較大，潰縮空間小。在人—車碰撞中，當行人頭部與發動機邊緣鉸鏈處接觸時（如圖4所示），導致頭部HIC較大，超過法規規定值1 700，不滿足性能需求。

圖3 鉸鏈與下部結構

圖4 行人頭部撞擊發動機罩鉸鏈區域

合理的鉸鏈區域設計在碰撞中對行人頭部的保護作用顯得尤為重要。本文在進行鉸鏈區域的設計時，提出了幾種解決頭部HIC值優化的方案。按照方案分別進行CAE分析。

1. 優化方案

方案一：在鉸鏈的設計推薦降低前端翻邊高度（見圖5），以增加與下端結構間隙，保證行人頭部與發蓋板接觸時，延長與下端結構的接觸時刻，以達到降低頭部HIC值的目的。

圖5 鉸鏈前端的翻邊設計

方案二：由于鉸鏈的下端通常為翼子板安裝支架，故可以通過降低安裝支架Z向的剛度設計，使得在頭部碰撞時此區域變得易于壓潰，從而達到降低頭部HIC值效果。如圖6所示，翼子板支架側邊開孔，Z向高度較高，易壓潰，以降低剛度。

圖6 翼子板支架開孔設計

2. 優化結果

為了驗證上述方案的準確性，選取鉸鏈區域的4個撞擊點（見圖7）進行分析驗證。利用LSDYNA軟件進行計算分析，并提取頭部HIC值，得到如下結果（見表1）。

圖7 發動機罩撞擊點俯視圖

表1 計算結果

由表1可以看到，頭部模型在鉸鏈區域的HIC值大大降低。

3. 試驗結果

對于優化后的方案進行實車試驗。圖8 為撞擊點1的仿真與具體試驗對標的結果圖。

圖8 撞擊點1的仿真與試驗結果對標圖

表2為鉸鏈處的撞擊點仿真結果與試驗結果的對比。由于實際試驗時可能存在誤差，故仿真分析時將仿真撞擊點偏移一點，進行計算結果對比。通過結果對比可以看出，在第一個波峰處，試驗的加速度值為167 g，仿真原始位置的值為156 g，偏移后的位置的仿真值分別為：156 g和168 g。鉸鏈處的加速度與試驗的吻合較高。對于試驗值誤差分別為：0.6%、6.7%、0.6%。對于頭部HIC值，試驗值為1 574，初始位置仿真值為1 359，偏移后的位置的仿真值分別為：1 385和1 473。對于試驗值的誤差分別為：13.7%、12%、6.4%。鉸鏈處的HIC也吻合得較好。同時，我們可以發現經過優化后的鉸鏈處的頭部HIC值都處于法規要求的1 700以內。

表2 撞擊點1的加速度和HIC值對比

三、結 論

本文提出了對于發動機罩鉸鏈區域的改進方法，并建立了相應的整車模型。通過仿真對比、試驗對比，驗證了模型的準確性。鉸鏈的前端設計成翻邊設計，增加與下端結構間隙，可以改善人車碰撞過程中對頭部的保護性能。通過降低鉸鏈下方翼子板安裝支架Z向的剛度，使得此區域在頭部碰撞時變得易于壓潰，可以明顯改善人車碰撞中頭部的保護性能。