某車型行人保護頭部對標分析

常曉宇 范英華 喬鑫 曲曉慶

（華晨汽車工程研究院）

歐洲EC（phase2）法規和E-NCAP相關規程中均對車輛行人保護評測內容進行了規定。行人保護碰撞工況主要分為頭部碰撞、小腿部碰撞和大腿部碰撞3種，其中頭部碰撞是中國標準GB/T24550—2009[1]評測的主要碰撞工況之一。文章針對歐洲法規認證過程中，頭部碰撞1/3區域和2/3區域劃分問題進行探討。通過準確的對標分析，合理地分布1/3傷害值區域可提升行人保護頭部整體安全性能和減少試驗次數。

1 試驗中的問題

行人頭部碰撞試驗，是采用模擬人類頭部的碰撞器以一定初速度沖擊車輛前端，如圖1所示。

由試驗工程師劃分了試驗區域后，由法規認證方指定碰撞點位置[2]，如圖2所示。認證工程師會選擇區域中比較危險的碰撞點進行試驗。碰撞點選擇的基本原則是，在1/3和2/3區域交界位置，在碰撞區域邊緣或下端有較大剛度結構的位置，最后在碰撞在機罩的均勻布置上做考慮，共選擇18個碰撞點進行試驗驗證。GB/T 24550—2009中規定，1/3和2/3區域是指頭部碰撞區域在Z平面投影后平面面積中的1/3和2/3區域面積。該區域的劃分由汽車主機廠指定[2]，在1/3區域上的傷害值不可以超過1 700，在2/3的區域上傷害值不可以超過1 000。如果碰撞點選擇在2個區域的邊界上，則按照傷害值不可以超過1 000來進行評價。

頭部傷害值指標（HIC）是由公式計算“加速度-時間”歷程的結果：

式中：a——測量出的合成加速度，g；

t0，te——沖擊過程中的記錄開始與記錄結束時刻，在該時間間隔內（te-t0≤15 ms）HIC 取最大值，s；

t——碰撞的時間變量，s。

圖3示出頭部碰撞點試驗傷害值分布圖。其中位于1/3和2/3區域交界位置的碰撞點傷害值達到了 1 022，超過法規限值（1 000），不滿足法規要求[1]。

2 對標分析

通過參考試驗的具體設定，調整碰撞點沖擊速度、緩沖塊材料剛度及機罩膠粘剛度[3]，細化大燈和雨刮結構，按照實車調整機艙上護板與白車身連接，獲得行人頭部碰撞仿真結果，如圖4所示。

通過對比圖3和圖4可見，所有碰撞點的仿真傷害值較試驗傷害值結果誤差均可控制在15%以下，該仿真模型可認為是有效的優化模型或誤差較小的可作為仿真方案驗證的基礎模型。在18個碰撞點中，比較關注的是5個傷害值處于1 000～1 700的碰撞點。通過對標結果，來仔細分析這5個碰撞點（CH1，CH5，CH13，CH14，CH15）傷害值較高的具體原因。

圖5示出行人頭部碰撞試驗CH1點剖面圖。CH1碰撞點位置，開始階段頭部碰撞器接觸機罩外板造成加速度開始上升，機罩外板壓潰吸能后出現第1個小平臺；緊接著頭部碰撞器擠壓著外板抵住了機罩鉸鏈螺母板和內板，該位置結構剛度較大，造成了加速度迅速攀升至最大值，該峰值出現時間在4.5 ms，如圖5a所示；緊接著頭部碰撞器向車后方旋轉擠壓后端鉸鏈及其安裝螺母位置造成了加速度第2波峰值（在9.2 ms），如圖5b所示。圖6示出CH1點頭部加速度和傷害值仿真與試驗對比曲線。從圖6可以看出，仿真的加速度峰值和趨勢跟試驗值是較一致的。CH15點的位置跟CH1點大致在機罩蓋上左右對稱，該碰撞點傷害值較高的原因與CH1點一致。這2個碰撞點均位于1/3區域內，因此傷害值不大于1 700，滿足法規要求。圖7示出實車碰撞CH1點試驗前后對比。

CH5碰撞點位于車輛前端緩沖塊上部，當頭部碰撞器擠壓機罩外板直至內板時，緩沖塊位置的剛度比周圍位置大，如圖8所示，造成了在6.9 ms時生成了加速度的最大值，隨后加速度曲線回落。圖9示出CH5點頭部加速度及傷害值試驗和仿真對比曲線。從圖9可以看到，仿真中加速度趨勢及峰值位置與試驗結果一致。CH13碰撞點也位于緩沖塊上端，造成加速度攀升，傷害值偏大。CH13點在1/3區域內，只要傷害值不大于1 700就可滿足法規要求；但CH5點位于1/3區域和2/3區域的邊界位置，其傷害值需要不大于1 000才滿足法規要求。此處要通過法規認證，從兩部分考慮，一是優化該碰撞點位置傷害值，二是更合理地劃分1/3和2/3區域，充分利用1/3低要求區域。圖10示出CH5碰撞點試驗前后的對比，從圖10可以看到，試驗中CH5點位置在碰撞之后，鈑金件出現明顯的下凹趨勢。

CH14碰撞點位于頭部碰撞區域的后邊緣位置，該位置接近雨刮軸，這也是認證公司會選擇該碰撞點進行驗證的原因。圖11示出行人頭部碰撞試驗CH14點剖面圖。圖12示出CH14點頭部加速度和傷害值仿真與試驗對比曲線。從圖12可以看出，從撞擊時刻一直到抵住機罩內板，加速度在4 ms時攀升至第1個峰值；碰撞器繼續向下沖擊，最后抵住機罩內外板并擠壓通風蓋板，在9 ms時造成了第2個峰值，整個碰撞過程沒有擠壓到雨刮軸機構，因此沒有造成傷害值的急速攀升，傷害值不大于1 700，滿足法規要求。圖13示出CH14碰撞點試驗前后的對比。

仿真結果和試驗結果相一致后，對造成傷害值偏高的因素進行總結，對于碰撞區域中傷害值的分布有了更明晰的認識。在認證試驗中，1/3和2/3區域的指定對于任何一個想要通過法規認證的車型來說都是很重要的，需要對該區域指定的合理性進行研究。

3 1/3和2/3區域的指定

經過碰撞區域對比，有限元模型和試驗中的頭部碰撞區域劃分基本一致。確認有限元模型中的區域可用于前期安全性能評估。

圖14示出某車型頭部碰撞區域在試驗和仿真中的邊界劃分對比。前端邊界線由機罩前緣線向后偏移82.5 mm以及wrap1000線2根相交在一起，取靠后位置的曲線拼接而成；后端邊界線為機罩后緣參考線向前偏移82.5 mm，兩側邊界線均為側參考線向內偏移82.5 mm，如圖14a所示。圖14b中，被虛線圈起來的區域為1/3區域。

對于本次試驗車型，1/3，2/3區域的指定方式可根據結構和下方硬點的布置進行更合理的調整。

頭部碰撞區域中，1/3區域和2/3區域的指定，在設計初期可使用沿碰撞器沖擊方向偏移的方式來確認機罩下端傷害值高的區域的大致范圍。該車型中僅有兒童頭部碰撞區域，兒童頭部碰撞器沖擊的方向與水平面的夾角為50°，由此確認機罩外板偏移的方向，同時要求Z向降低80 mm來檢查干涉位置或者硬點位置。機罩外板偏移降低過后，可以直觀地看見與外板有穿透的硬點大致分布，依照邊緣位置同時參考1/3，2/3區域劃分的總區域大小，可以快速得到1/3，2/3區域的邊界位置，如圖15所示。該種得到區域邊界的方法，適用于設計前期；在后期有了完整的仿真結果和試驗摸底結果后，做出的1/3和2/3區域邊界更有參考意義。

圖16示出汽車機艙硬點分布示意圖。由圖16可見，汽車機艙的常規硬點（發動機、空濾、轉向儲油罐、蓄電池及保險絲盒）均在Z向距離外板80 mm以上；碰撞區域的兩側邊緣，很好地避開了機罩翻邊位置；機罩棱線角度較大，對于行人保護性能有利；造型設計使得鉸鏈位置在碰撞區域之外；雨刮軸為內藏式安裝，有利于行人保護性能。總體上該設計從行人保護性能角度出發，機艙硬點布置及造型設計合理。

4 結論

文章按照GB/T 24550—2009標準，進行了行人保護頭部碰撞的試驗對標工作。在跟蹤試驗對標過程中，基于對傷害值影響因素的分析，總結出依據吸能空間主觀確認1/3，2/3邊界的方法。另外明確了認證機構選擇碰撞點的原則，首先考慮碰撞區域包括1/3，2/3區域邊界上的危險點，危險點的確認原則為靠近機艙硬點位置，其次考慮總體上面積均布。值得注意的是，在所有碰撞點的定位中，涉及邊界位置的碰撞點，會選擇第一接觸點進行定位，而位于區域中間位置并且特征較平緩的點則定位為目標點。對結合認證試驗的對標工作的總結，對于準備參加認證試驗的主機廠正確評估開發車型的行人保護頭部安全性能有很積極的意義。基于2018版的C-NCAP的頭部碰撞試驗規則已經確定，全新的評價方法已經出臺，C-NCAP星級評定的行人保護試驗評價方法以及仿真評價方法是下一步研究的內容。