基于自適應響應面法的發動機罩行人頭部保護效果研究*

楊 娜，劉明敏，趙桂范，蔣熊力忍

(1.哈爾濱工業大學汽車工程學院，威海 264209； 2.東風日產乘用車公司，廣州 510800)

2016070

基于自適應響應面法的發動機罩行人頭部保護效果研究*

楊 娜1，劉明敏2，趙桂范1，蔣熊力忍1

(1.哈爾濱工業大學汽車工程學院，威海 264209； 2.東風日產乘用車公司，廣州 510800)

為使發動機罩具有較好的行人保護效果，首先根據行人頭部沖擊器與原車的碰撞仿真結果，分析了影響行人頭部損傷的主要因素；接著對與各影響因素相關的發動機罩關鍵結構參數進行初步優化，利用全因子試驗設計對優化方案進行仿真；最后利用自適應響應面方法建立人-車事故中行人頭部的HIC值等效模型，確定基于車輛關鍵結構件材料、剛度匹配的行人頭部保護優化方案，并對方案進行試驗驗證。結果表明：優化所得的發動機罩總成材料和剛度匹配方案，使行人頭部HIC值降低約10%，發動機罩總質量降低約15%，實現了測試車輛發動機罩總成對行人頭部保護性能的優化和輕量化。

汽車被動安全；行人頭部保護；發動機罩；自適應響應面法

前言

伴隨著各國行人保護法規的相繼出臺，國內外各大研究機構和汽車生產廠商針對行人保護開展了大量的研究，行人保護工作也由開始時的研究事故原因和行人損傷機理，逐漸過渡至車輛行人保護性能的研究。

目前在行人保護的研究中多為對簡化后的發動機罩結構進行單獨測試[1-9]，未考慮車輛其他部件的影響，且多為單點撞擊測試。由于在人-車碰撞中，行人與車輛發生碰撞后，很容易與總成中的剛性結構發生二次碰撞，這也是造成頭部傷害的重要原因；且單點測試方式無法涵蓋試驗中各特征結構對行人傷害值的影響，因此單點的測試方式無法滿足實際試驗需求[10-14]。

事故分析表明發動機罩對年齡較小的行人更容易造成傷害[15]，因此本文中從車輛對兒童頭部保護性能的研究出發，利用行人(兒童)頭部模型及整車有限元模型仿真人-車碰撞過程，研究有利于行人頭部保護的發動機罩總成的材料和剛度匹配問題。

1 行人頭部保護影響因素分析

1.1 頭部沖擊器撞擊試驗點的選擇

根據EEVC行人保護法規內容，試驗前需對測試車輛的試驗區域進行劃分[16]，通過發動機罩前緣基準線、發動機罩側面基準線、發動機罩后緣基準線、包絡線(WAD1000/1250/1500/1700/1800/2100)等參考線將行人頭部試驗區域劃分為12個部分，成人、兒童頭部碰撞區域各包括6部分。兒童頭部沖擊器的試驗區域均位于發動機罩后緣與防火板之間，考慮發動機罩板的結構對稱性，在左側3個區域內各選取一點作為撞擊試驗點(測試點1～3)；此外，為充分考慮車輛前部總成結構的行人保護性能，針對發動機艙內和發動機罩的“硬點結構”，補充選取5個點作為兒童頭部沖擊器的測試點(測試點4～8)。最終形成的兒童頭部沖擊器測試點分布如圖1所示。

圖1 兒童頭部沖擊器與原車碰撞仿真的試驗點

1.2 頭部沖擊器與原車碰撞試驗模型的建立

在不同的測試試驗點，分別建立行人頭部沖擊器和測試車輛的碰撞試驗模型。試驗時，頭部沖擊器后板端面與水平方向夾角為50o，沖擊速度為40km/h，頭部沖擊器與發動機罩外板，防火板、翼子板、玻璃等采用CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE定義接觸，車輛整車定義CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE接觸形式。頭部沖擊器和原車在測試點1的碰撞仿真試驗模型如圖2所示。

圖2 頭部沖擊器和原車在測試點1處的碰撞仿真試驗模型

1.3 原車與頭部沖擊器碰撞仿真試驗結果分析

利用安裝于頭部沖擊器模型質心位置的傳感器，測得該點處的位移、速度和加速度曲線。頭部損傷評價標準(head injury criteria, HIC)為

(1)

式中：a(t)為測量出的頭部加速度，g；t2-t1表示在沖擊過程中記錄開始與記錄結束兩個時刻之間的某一段時間間隔，s。在該時間間隔內HIC取最大值(t2-t1≤15ms)。在EEVC法規中HIC閾值為1 000，HIC超過1 000時會對人造成致命的傷害。根據式(1)求得的8個測試點處兒童頭部沖擊器的HIC值如表1所示。

2 行人保護型發動機罩材料優選

本文中在試驗中選取極易對頭部造成二次傷害的發動機上方即測試點1和緩沖吸能效果較差的蓋鎖處即測試點8作為材料和剛度匹配試驗的評價點。原車模型中，發動機罩內外板、蓋鎖和鉸鏈處加強板材料均通過MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY定義，其原始材料與備選材料的力學性能參數如表2所示。

表1 兒童頭部沖擊器與原車在各測試點位置碰撞仿真試驗的HIC值

表2 發動機罩原始材料與備選材料的力學性能參數

發動機罩外板作為首先與行人頭部沖擊器接觸的部件，其材料的力學性能對頭部損傷值的影響最為直接；發動機罩內板作為行人頭部撞擊過程中主要的緩沖吸能結構，其材料的力學性能不僅決定了頭部HIC值的大小，也是決定是否發生二次碰撞的關鍵因素；加強板材料的力學性能除需滿足工藝要求外，應保證鉸鏈和蓋鎖具有足夠的剛度來約束發動機罩的位移和振動，并具有足夠的變形空間和較低的垂直剛度來吸收較多的能量。

綜合考慮發動機罩的外板、內板、鉸鏈和蓋鎖處加強板的性能要求與成形工藝，如外板常用翻邊性能良好的冷軋高強度鋼板等，分別將它們換用表2中的備選材料，其余構件仍采用原始材料值，測試發動機罩不同材料構件的頭部碰撞響應，得到兩評價點位置兒童頭部HIC值如表3所示。

綜合上述試驗分析可知，有益于兒童頭部保護的發動機罩總成材料匹配組合為：鉸鏈和蓋鎖處加強板選用1號材料(DC01)，發動機罩內板選用4號材料(DC05)，發動機罩外板選用6號材料(B180H1)。

表3 換用不同材料的發動機罩后兒童頭部HIC值

3 行人保護型發動機罩剛度匹配

根據設計規則，結合測試車輛行人頭部保護的設計需要，定義各部件的厚度設計范圍，如表4所示。

表4 發動機罩總成各部件厚度的初始值及設計范圍

由于發動機罩外板和內板采用包邊形式連接，因此發動機罩內外板的剛度特性存在一定的交互作用。與此同理，發動機罩總成的剛度與各部件的剛度亦存在交互影響。因此試驗設計采用全面試驗設計法(full factorial experimental design)，即全因子試驗設計方法。它可以考慮到全部可能的試驗組合，獲得較多的試驗數據，試驗結果比較準確可靠。每個試驗參變量因子分為3個水平，通過仿真分析得到各匹配方案在兩評價試驗點處的頭部HIC值如表5所示。

碰撞前測試點1和測試點8對應的發動機罩位置與下面的硬點結構之間的距離分別為69和40mm。結合發動機罩碰撞的變形結果可知，方案1和方案2中，在評價點1處頭部與發動機頂部發生了二次碰撞，造成兒童頭部HIC值偏高。

通過對不同剛度匹配條件下的兒童頭部HIC值比較分析可知：(1)人-車碰撞中，決定兒童頭部傷害值大小的主要因素是發動機罩內外板的剛度，在內外板剛度不改變的情況下，鉸鏈處加強板剛度改變時，頭部HIC值變化較小；(2)當內外板剛度在一定范圍內時，隨著內外板材料剛度的減小，評價點處的HIC值也隨之降低。當超過這一范圍時，由于發動機罩對頭部緩沖吸能作用不足，極易導致頭部與發動機艙內部件產生二次碰撞。

表5 各剛度匹配方案下兩評價試驗點處兒童頭部的HIC值

4 基于自適應響應面法的發動機罩設計

4.1 自適應響應面優化過程

在剔除發生頭部二次碰撞的方案1和方案2后，所設計部件的總質量如表6所示，表中的m指發動機罩內外板、包邊、蓋鎖加強板和鉸鏈加強板的總質量。

表6 發動機罩總成剛度匹配有效試驗部件總質量

利用最小二乘法可擬合出HIC1和HIC8關于變量x1(發動機罩外板的厚度)，x2(發動機罩內板和蓋鎖處加強板的厚度)和x3(鉸鏈處加強板的厚度)的2階多項式自適應響應面近似函數模型為

HIC1(x1,x2,x3)=787.03-1328.38x1-297.53x2+

1313.88x1x2+8.49x1x3+11.60x2x3

(2)

HIC8(x1,x2,x3)=1810.79+114.90x1-2293.14x2-

1060.08x1x2+12.75x1x3+34.12x2x3

(3)

根據實際情況，發動機罩的質量與部件厚度呈線性關系，因此發動機罩內外板、蓋鎖加強板和鉸鏈加強板的總質量采用的擬合式為

m(x1,x2,x3)=0.0024+6.7893x1+

6.0990x2+0.1069x3

(4)

(5)

(6)

表7 響應面近似模型的預測精度

運用自適應響應面近似模型進行優化，其優化目標與約束條件為

優化目標(Object)：HIC1，HIC8最小；

約束(s.t.)：m≤7.5kg。

根據優化目標和約束條件，對近似模型進行優化迭代求解。HIC1，HIC8和m的迭代總次數設置為30，部分迭代結果如表8所示。

表8 HIC1，HIC8和m的近似模型的部分迭代求解結果

上表中迭代步5～8優化后得到的結果均能滿足約束條件和目標值，綜合剛度匹配試驗和近似模型的迭代優化結果可知，迭代步7～8中的剛度條件下，兒童頭部在評價點1處極易出現二次碰撞，未能在工程實踐中達到對頭部HIC值的真正優化，因此，本文中采用迭代步5和6所得優化結果。利用自適應響應面近似模型對行人頭部損傷值進行優化的結果如表9所示。

表9 自適應響應面近似模型對行人頭部與發動機罩碰撞中損傷值的預期優化結果

優化后頭部HIC值降低約10%，發動機罩總質量降低約15%，不僅使得兒童頭部在測試車輛的評價點1和評價點8位置的HIC值降低，達到了較好的行人頭部保護效果，同時實現了對發動機罩輕量化的目的。

4.2 自適應響應面優化結果的仿真試驗驗證

針對上節自適應響應面優化所得剛度匹配方案，進行有限元仿真驗證，結果如表10所示。

表10 優化方案驗證試驗結果

結合頭部加速度曲線和碰撞過程變形圖可知，方案2中兒童頭部模型在評價點1位置處發生了二次碰撞，致使其HIC1值超出目標值，因此本文中不采用該種剛度匹配方案。方案1中HIC1達到了預期目標，評價點8處的HIC8略低于預期目標值，但相對于原始模型仍然對兒童頭部起到了很好的保護作用。

5 結論

(1) 在發動機罩材料優選的基礎上，利用可考慮到全部可能試驗組合的全因子試驗設計法得到了發動機罩內板、外板、蓋鎖加強板和鉸鏈加強板的初步剛度匹配結果。

(2) 通過考察復相系數及其修正系數的大小檢驗了建立的自適應響應面近似函數模型的預測精度；利用自適應響應面近似模型對發動機罩進行優化，達到了較好的行人頭部保護效果，同時實現了輕量化的目的。

本研究可對行人保護型發動機罩的開發、設計提供一定的理論依據，也為以后新材料在汽車上的應用提供一種優化的方法與思路。

[1] TINARD V, BOURDET N, DECK C. Active Pedestrian Head Protection Against Windstreen[C]. The 20th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV) Proceedings, Lyon, France, Jane 18-21,2007.

[2] BOSMA F, GAALMAN H A E, SOUREN W H M. Closure and Trim Design for Pedestrian Impact[C]. The 17th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, Amsterdam, The Netherlands,2001:4-7.

[3] FAROOQ S I, SCHUSTER P J. Body Concept Design for Pedestrian Head Impact[C]. SAE Paper 2003-01-1300.

[4] BOVENKERK J, LORENZ B, ZANDER O. Pedestrian Protection in Case of Windscreen Impact[C]. Crash. Tech. Conference Proceedings, Leipzig,2007.

[5] KARL-HEINZ M, ULLRICH J, JUERGEN S. Arrangement of a Hood on a Motor Vehicle: DE10152621[P].2003-5-8.

[6] 喬維高,朱西產.行人與汽車碰撞中頭部傷害與保護的研究[J].農業機械學報,2006,37(9):29-31.

[7] 張軼川,朱西產,苗強,等.針對行人保護頭部碰撞的發動機罩設計方法[J].汽車技術,2009(12):24-28.

[8] 葛如海,王廣闊,王岐燕.鋁質發動機罩的行人碰撞保護研究[J].中國安全科學學報,2007,17(12):37-41.

[9] 韓淑潔,閆輝.鋁制發動機蓋行人保護分析與結構優化策略[J].機械研究與應用,2011,37(5):100-102.

[10] 趙桂范,崔東,鄧作梁.夾層材料式發動機罩行人保護功效[J].哈爾濱工業大學學報,2011,43(1):125-129.

[11] 李向榮,王凱,劉志新,等.汽車發動機罩兒童行人保護安全性仿真研究[J].汽車工程,2010,32(1):56-59.

[12] 宋新萍,黃虎,施潤偉.轎車發動機罩行人保護技術分析及應用[J].機械科學與技術,2010,29(9):1213-1216.

[13] 陳金華,黃向東,趙克剛,等.基于兒童行人頭部保護要求的發動機罩鎖扣碰撞性能研究[J].汽車技術,2011(2):26-30.

[14] 葛如海,吳淼,陳曉東,等.基于行人保護的發動機罩鉸鏈研究[J].汽車技術,2008(12):28-31.

[15] SVOBODA J, CIZEK V. Pedestrian-vehicle Collision: Vehicle Design Analysis[C]. SAE Paper 2003-01-0896.

[16] European Enhanced Vehicle-safety Committee. EEVC Working Group 17 Report-Improved Test Methods to Evaluate Pedestrian Protection Afforded by Passenger Cars[R]. Delft, the Netherlands: TNO Crash-Safety Research Centre,1998:6-8.

A Research on the Pedestrian Head Protection Effects ofEngine Hood Based on Adaptive Response Surface Method

Yang Na1, Liu Mingmin2, Zhao Guifan1& Jiang Xiongliren1

1.SchoolofAutomotiveEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Weihai264209;2.DongfengNissanPassengerVehicleCompany,Guangzhou510800

To obtain better pedestrian protection effect of engine hood, firstly the major factors affecting pedestrian head injury are analyzed based on the simulation results of pedestrian headform impacting original vehicle. Then the key structural parameters of engine hood related to affecting factors are preliminarily optimized and the optimization schemes are simulated by the full factorial design of experiment. Finally adaptive response surface method is used to create a HIC equivalent model for pedestrian head in pedestrian-vehicle accident, and the optimization scheme for pedestrian head protection based on the material and stiffness matching of key structural parts is determined and verified by test. The results show that with the material and stiffness matching scheme of engine hood assembly optimized, the HIC of pedestrian head lowers by around 10% and the total mass of engine hood reduces by some 15%, realizing the optimization of pedestrian head protection performance of engine hood assembly and light-weighting of test vehicle.

automotive passive safety; pedestrian head protection; engine hood; adaptive response surface method

*山東省科技發展計劃項目(2011GGX10502)資助。

原稿收到日期為2015年7月27日，修改稿收到日期為2015年11月29日。