基于兒童頭部碰撞保護要求的后退式前燈設(shè)計

李祥兵，王春才，王 坦，王全保，嚴永攀

(1.神龍汽車有限公司技術(shù)中心, 湖北 武漢 430050；2.東風汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430050)

引言

汽車在給人們生活帶來便利的同時，也給人類的安全帶來嚴重的威脅。多年來，因為法規(guī)的驅(qū)使以及市場競爭的需要，汽車安全方面的研究主要集中在保護駕駛員和乘客安全。隨著人們安全意識的增強，行人保護變得日趨重要。在行人和車相撞的過程中，行人頭部是傷害最多的部位之一。因此，研究人的頭部在不同形式碰撞中的傷害機理、傷害極限、碰撞的機械響應(yīng)特性對行人保護具有重要意義。汽車前大燈作為一種照明和信號工具，在行車安全中對保護駕駛員和行人也具有重要作用。在行人保護方面，目前的焦點集中在保險杠和機罩的研究，且已有非常成熟的設(shè)計規(guī)則和驗證方法，但對燈具而言，目前還完全處于起步階段。在一些主機廠的相關(guān)設(shè)計法規(guī)中[1]，對于前大燈的行人保護，也只是規(guī)定了在某一方向作用力下燈具應(yīng)在多大的位移量范圍內(nèi)運動,但對其設(shè)計細節(jié)沒有過多描述。本文基于以往的項目經(jīng)驗，提出基于行人保護的后退式前大燈設(shè)計，用于滿足出口法規(guī)的需求。

1 汽車行人保護法規(guī)演變

近年來，汽車的行車安全一直強化行人保護方面的性能要求，歐標的行人保護已經(jīng)成為中國的國標，并且在2010年實施。而GTR的要求和歐洲第一階段的行人保護標準相同。歐盟2003 年頒布了2003/102/EC行人碰撞法規(guī)，該法規(guī)分兩階段執(zhí)行。第一階段由2005年10月1 日開始，第二階段開始于2010年9月1日，歐盟成員國所有新生產(chǎn)的乘用車都要配備行人保護系統(tǒng)。兩個階段都包括頭部試驗、大腿試驗和小腿試驗，其中第一階段頭部對擋風玻璃的碰撞及大腿試驗屬監(jiān)測范圍，非強制執(zhí)行[2]。

據(jù)歐洲委員會(EC)指令2003/102/EC稱，從2005年10月1日開始的第一階段中，所有在歐盟銷售的新車必須符合新的行人碰撞法規(guī)，如圖1所示。

圖1 歐洲行人保護第一階段圖和第二階段要求圖Fig.1 Pedestrian protection requirement for phase 1 and phase 2 in Europe

在2010年開始的第二階段，歐標要求根據(jù)碰撞嚴重程度完成5種試驗，其中2項試驗覆蓋頭部傷害，另外3項則重點關(guān)注腿部和骨盆傷害，有關(guān)成年人與兒童的標準也必須滿足要求，如表1所示。在行人保護中，頭部碰撞的具體要求用HIC(頭部傷害指標：head injury criterion)值表示。HIC的計算公式如下：

(1)

其中，a為碰撞過程中的加速度。如果t2和t1的間隔大于15 ms，可忽略HIC值。歐盟關(guān)于行人保護定義了不同階段的不同要求，如表1所示。

而GB/T 24550—2009借用GTR9《關(guān)于機動車碰撞時對行人及弱勢道路使用者加強保護和減輕嚴重傷害的統(tǒng)一規(guī)定》[3，4]，目前仍為推薦性法規(guī)，它只規(guī)定了汽車發(fā)生碰撞時，對行人保護方面的技術(shù)要求和試驗方法，并沒有說明為滿足行人保護要求，具體的零件如車燈應(yīng)該如何設(shè)計。

表1 歐洲行人保護的頭部碰撞性能要求

2 碰撞過程中車燈的影響區(qū)域界定

如圖2所示，行人保護一般分為成人頭部碰撞、兒童頭部碰撞、大腿碰撞和小腿碰撞。各個碰撞區(qū)域的碰撞角度，碰撞速度和加速度如圖2所示[5，6]。對前大燈而言，在車輛與行人發(fā)生碰撞時，根據(jù)具體車輛的高度和碰撞角度，核實前大燈是否在上述四種碰撞區(qū)域內(nèi)，然后在整車上完成相關(guān)的數(shù)字驗證和物理驗證實驗。一般而言，影響前大燈性能的頭部碰撞主要關(guān)注兒童頭部碰撞(影響最大)以及大腿碰撞(影響相對較小)對燈具的影響,如圖3所示。

圖2 行人保護的碰撞區(qū)域界定Fig.2 Crash area definition on pedestrian protection

圖3 兒童頭部碰撞區(qū)和大腿碰撞區(qū)Fig.3 Crash area for child head and upper leg

3 后退式前大燈設(shè)計

由于造型需求以及國標對前大燈的法規(guī)要求，前大燈部分位于行人保護的頭部碰撞區(qū)域，尤其是法規(guī)規(guī)定的兒童頭部碰撞區(qū)域。根據(jù)前文所述的HIC影響因子，為了滿足行人保護的法規(guī)要求，減少行人頭部碰撞的損傷值，必須減小碰撞時的加速度。當兒童頭部與前大燈發(fā)生碰撞的時候，車燈燈體發(fā)生潰縮，形成頭部和前大燈一起往X負方向運動的趨勢。適當延長頭部和前大燈碰撞距離，減少碰撞時候的頭部加速度，在一定程度上可以減少頭部的損傷值。

要盡可能減小碰撞過程中的加速度，設(shè)計方案需要滿足如下要求：

1)前大燈安裝固定支架必須弱化，以便在兒童頭部碰撞瞬間車燈能發(fā)生變形和潰縮。

2)前大燈變形和潰縮要有足夠空間，因此燈殼后部必須留有充分的空余空間，這樣可達到吸收沖擊能量的目的。

3)前大燈在發(fā)生碰撞后的后退運動過程中，不應(yīng)該有剛性較大的零件與前大燈運動包絡(luò)干涉或阻礙，以便碰撞后前大燈能更好的運動或旋轉(zhuǎn)。

4)前大燈外透鏡表面不應(yīng)有凸出物或比較鋒利的棱角，防止在碰撞過程中對人體造成致命傷害。

5)采用輕量化設(shè)計前大燈，減少前大燈碰撞過程中的慣性沖擊力。

為了實現(xiàn)在碰撞過程中前大燈整體向后運動，前大燈的固定點需要設(shè)計成一種特殊的支架結(jié)構(gòu)，即可修復性行人保護支架，以滿足安裝支架的弱化要求。在車燈與行人發(fā)生碰撞的時候，支架首先斷裂，然后整個燈體沿著X負方向一起潰縮或者與保險杠一起發(fā)生X負向運動。為保證前大燈在發(fā)生潰縮后有足夠的運動空間，要求前大燈后部(如后蓋，電調(diào)等區(qū)域)保持120 mm的運動空間(即前大燈后部與周圍環(huán)境件之間的距離至少為120 mm)。此外，為減少前大燈與翼子板、機罩和前保之間所形成的銳角區(qū)域，減少前大燈和引擎蓋的重合區(qū)域，避免碰撞時的剛性接觸，盡可能減少大燈與周圍零件(機罩、翼子板、保險杠和格柵等)之間的運動包絡(luò)干涉和造型銳角區(qū)域。此外，為滿足前大燈的可變形要求，在滿足前大燈自身關(guān)鍵性能(配光，耐熱，密封，振動等)的情況下，需要采用一系列輕量化的策略來盡量減少大燈的重量,如減少前大燈面罩殼體的厚度，采用重量更輕的光源模組，或采用PC 材料,以滿足耐熱方面的設(shè)計要求。另外，對于采用雙色注塑的車燈零件，應(yīng)盡可能降低單層的注塑厚度，以減少大燈的重量，使得大燈在碰撞過程中的慣性沖擊力盡可能降低，更好地實現(xiàn)燈具在碰撞過程中的完全變形和潰縮，如圖4所示(帶行人保護支架)。

圖4 某款車型的行人保護支架Fig.4 Pedestrian protection bracket

設(shè)計值材料數(shù)目位置燈殼厚度3 mmPP+30%GF——透鏡厚度2.2 mmPC——行人保護支架——1個翼子板上支架區(qū)域后蓋與環(huán)境件距離125 mm———透鏡外輪廓銳角區(qū)域——1翼子板區(qū)域

4 仿真分析

為了驗證上述優(yōu)化方案在車輛發(fā)生碰撞時對兒童頭部的影響，采用模擬器對其進行模擬。通常而言，用于EEVC NCAP實驗的標準兒童頭型沖擊器為鋁制、均質(zhì)結(jié)構(gòu)，球形。直徑為(165±1) mm；質(zhì)量為(3.5±0.07)kg。相對于過質(zhì)心且垂直于沖擊方向軸的慣性矩應(yīng)在(0.008～0.012) kg/m2范圍內(nèi)。兒童頭部沖擊器由后段支撐盤、模型本體、模型蒙皮、安裝于基座上的加速度傳感器構(gòu)成。包括儀器的頭型沖擊器的質(zhì)心應(yīng)位于球的幾何中心，偏差在(±2) mm 內(nèi)。球體用(14±0.5) mm 厚的合成皮膚覆蓋，覆蓋面積至少為球體的一半[5]，模型如圖5所示。

圖5 兒童頭部模型Fig.5 Child head model

根據(jù)NCAP頭部模型有效性檢測實驗，對建立頭部沖擊器的有限元模型從376 mm的高度自由下落撞擊剛性平面時，加速度峰值必須介于(225～275) g 之間，這樣才能符合NCAP的設(shè)計要求。采用UG三維實體建模技術(shù)，將頭部簡化為包括粘接在一起的模型本體和蒙皮兩層材料的實體模型，兩者之間沒有相對滑動。本體(實心球體)采用剛性材料，蒙皮為乙烯基非線性費彈性材料。具體參數(shù)如表3所示。

表3 兒童頭部碰撞模型材料參數(shù)

頭型沖擊器在跌落時沖擊器后表面與垂直方向夾角，對于兒童頭部應(yīng)在車輛縱向垂直平面內(nèi)，相對于水平面的試驗沖擊角度為50°，沖擊速度大小為9.7 m/s(NCAP標準)。對球體采用實體單元，前大燈需要殼體單元。在劃分網(wǎng)格單元時，對球體采用了經(jīng)緯式網(wǎng)格劃分方法，對前大燈采用了規(guī)則影射網(wǎng)格劃分法，以便節(jié)點分布更加符合力的傳遞和分布規(guī)律，力求結(jié)果的準確。經(jīng)過網(wǎng)格劃分，頭部模型和前大燈模型分別有6 346個節(jié)點和7 843個節(jié)點。前大燈的具體材料參數(shù)，如表2所示。

在UG界面中，通過建立前大燈結(jié)構(gòu)有限元模型和兒童頭部有限元模擬模型，開展碰撞分析。首先需要確認前大燈的回退式結(jié)構(gòu)的設(shè)計。運用有限元Anasys軟件分析，記錄碰撞各階段前大燈安裝腳的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。在分析的過程中，在前大燈的安裝支架斷面上標識了6個位置，通過碰撞模擬，測試各時間段每一處測量斷面位置上的應(yīng)力，如圖6所示。兩個支架承受大部分載荷，在頭部加速度出現(xiàn)峰值時，此時行人保護支架發(fā)生斷裂，以保證頭部傷害值滿足相關(guān)法規(guī)要求，要滿足此要求，應(yīng)考慮此處的行人支架結(jié)構(gòu)弱化。

圖6 前大燈支架6個點對應(yīng)的應(yīng)力圖Fig.6 Stress for 6 points on headlamp bracket

基于上述后退式前大燈支架結(jié)構(gòu)模型，分析在碰撞過程中兒童頭部受力情況，頭部加速度，頭部損傷值和頭部位移。從圖7可以大致看出，t≈8 ms，頭部的最大受力為2.17 kN，頭部的最大加速度為119g(其中g(shù)為重力加速度，g=9.8 m/s2)。

圖7 頭部應(yīng)力和加速度曲線Fig.7 Curve for stress and accelerator

根據(jù)圖7分析可以看出，頭部位移的最大值為45 mm。頭部損傷最大值HIC為1 735。綜合上面的分析，后退式結(jié)構(gòu)前大燈有利于在碰撞過程中保護兒童頭部，并且基本滿足EECV NCAP的標準。通過大量的數(shù)據(jù)看出，至少一半的兒童頭型試驗區(qū)域，HIC 值不大于1 000；至少三分之二的成人頭型和兒童頭型合計的試驗區(qū)域，HIC 值不大于1 000，剩余區(qū)域的HIC 值不大于1 750。

5 結(jié)束語

本文基于歐洲關(guān)于行人保護的法規(guī)要求和現(xiàn)有的車型項目， 分析了行人保護在車燈方面的法規(guī)要求，提出了滿足基本歐洲行人保護要求的設(shè)計規(guī)則，基于模擬驗證了行人保護方面車燈相關(guān)參數(shù)設(shè)計的合理性，并得出了以下結(jié)論：

1)行人保護中最重要的控制參數(shù)是加速度，優(yōu)化碰撞加速度可以作為優(yōu)化行人保護設(shè)計的重要突破口。

2)通過設(shè)計和模擬分析，得出采用后退式前大燈設(shè)計方案有利于減少頭部損傷值，并基本滿足歐洲法規(guī)。