陈超，方锐，王龙亮，韩鹏鹏

(中国汽车技术研究中心，天津 300300)

0 引言

由于缺少有效的防护措施，与汽车碰撞过程中行人属于最易损伤的群体。根据国际道路交通事故中心统计：所有造成致命伤害的交通事故中，行人致命事故占比美国为12.1%，法国为11.6%，德国为14.2%，英国为22.4%[1]。我国人车混行十分普遍，行人事故率较高，根据2009—2014年中国道路交通事故统计年报数据：我国发生致命伤害的各类型交通事故中，行人交通事故占比达25.34%[2]。实际的交通事故中，行人的身高、体型、步行姿态及人车撞击速度和撞击方向等都存在较大的随机性，给研究工作带来很大的不便。研究表明行人头部损伤约占人体所有损伤的30%[3]，且70%～85%的行人-车辆碰撞为汽车前部结构与行人的碰撞，而发动机罩是车辆前部结构最重要组成部分，是导致头部损伤的主要构件[4]。机罩外板造型、内板结构及机舱空间布置经过合理的优化改进后，可有效降低头部损伤程度，降低行人伤亡比例[5-6]。欧洲、日本等汽车发达国家或地区已将行人保护性能纳入强制性法规[7-8]。为引导国内整车厂商对行人安全的重视，提升车辆对行人的保护性能，我国在2009年颁布了《汽车对行人的碰撞保护》(GB/T 24550-2009)推荐性标准[9]，并于2019年3月更新了该标准的评估内容，其中对中国行人道路交通事故特点、行人碰撞损伤研究进行了分析总结[10]。中国新车型能评估体系(China New Car Assistant Program, CNCAP)从2018年7月开始，对新上市车型行人保护性能作出单独的星级评价要求[11]。

行人交通环境仍然十分严峻，现行法规标准、NCAP测试体系对行人头部的防护性要求日趋严格，迫使整车厂商在新车开发过程中更加重视行人头部的安全防护设计。这需要对行人头部的损伤机制、碰撞过程、空间布置等进行系统的研究。清华大学聂冰冰等[12-13]对头部与机罩撞击过程、加速度波形进行了系统的分析总结，结合工程实例提出了一种新型的夹层板机罩结构，可有效降低头部损伤。P DAPHAL和A MAHAPATRE[14]基于简化波形与理想积分时间从理论和试验方面讨论了最小入侵空间及头部损伤的关系等。湖南大学周俊等人[15]基于简化加速度波形讨论了HIC值的简化计算方式，并结合工程实例对不同波形优劣进行了分析和改进。一直以来，国内外学者大多以理想波形或理想积分时间为前提，少有基于大量试验结果讨论头部HIC值与入侵空间之间的分布及边界关系。而实际碰撞试验中，头部加速度曲线随机波动，无明显的规则性，积分时间宽度也变化不一，通过理想化条件进行预估和推导存在一定局限。本文作者旨在基于实车碰撞试验对行人头部入侵空间与HIC值之间的边界关系进行研究。通过统计GB/T 24550-2009与CNCAP工况下行人头部试验参数，分析得出两种工况下儿童、成人头部入侵空间与HIC值之间分别呈指数和对数分布，相关系数的平方均在0.90以上。讨论了同一入侵空间下不同HIC值及同一HIC值下不同入侵空间对应的加速度波形特点。这一研究将为新车型行人头部碰撞安全性能开发提供参考。

1 行人头部测试方案

1.1 行人头部测试方法及损伤定义

作者基于汽车对行人的碰撞保护(GB/T 24550-2009)及CNCAP测试规程中行人头部碰撞进行研究。行人头部分为儿童头部和成人头部，测试方法及参数如图1和表1所示。GB/T 24550-2009及CNCAP中均是以包络线(Wrap Around Distance，WAD)1700作为儿童头部和成人头部分界线。上述法规及测试规程中头部碰撞伤害通过头部损伤指标(Head Injury Criterion, HIC)进行评价[10,12]，其定义为

(1)

式中：a为头部冲击器质心处合成加速度，单位为9.8 m/s2；t1、t2分别为HIC达到最大时计算窗口的起、止时间，单位为ms，t2-t1≤15 ms。

对式(1)进行变换可得：

(2)

式中:aaverage为t2-t1区间内平均加速度，单位为9.8 m/s2。由式(2)可知，头部HIC值与其平均加速度大小有关。

图1 头部测试方法示意

表1 GB/T 24550-2009与CNCAP头部试验条件

1.2 行人头部入侵空间

行人头部试验时，头型冲击器以某一初始速度ν，沿一定的冲击角度β与发动机罩进行碰撞，沿着冲击方向头型冲击器入侵的距离即为头部入侵空间。头部碰撞入侵空间示意如图2所示。碰撞发生后，机罩在冲击作用下与头型冲击器共同运动，随着机罩变形的增大，头型冲击器的入侵距离逐渐增大，若此时机舱空间预留不足，则很可能引起冲击器与机舱硬点结构(如蓄电池、发动机、电机控制器等)发生二次撞击，导致头部加速度持续增加，最终造成头部HIC值过大。

图2 头部碰撞入侵空间示意

由式(2)可知，为减小头部损伤HIC值，需降低头部平均加速度。在头部碰撞区域内预留合理的吸能溃缩空间，可缓冲头部冲击过程，减小头部加速度，进而降低头部平均加速度。然而，不同的碰撞位置、不同的机罩刚结构及不同的外板倾斜角度对应的头部加速度大小、波形各不相同，对入侵空间的需求也随之波动。在实际工程项目开发过程中，通常存在头部吸能空间需求不足导致部分区域伤害值超标、失分严重，或是采用“过设计”，预留足够空间充分保证头部入侵距离，但该方法可能对其他专业性能造成影响，而且空间预留也难以精确把握。因此，基于大量行人头部实车碰撞试验结果，借助统计学方法研究入侵空间与HIC伤害值之间实际的关系分布，对于新车型行人保护性能开发及真实交通道路事故中行人头部保护均有重要意义。

2 试验车型及其结果统计

2.1 试验车型说明

为便于定性分析，本文作者统计了涵盖A级车、B级车、紧凑SUV及中型SUV等近30款车型机罩材质为钢的行人头部碰撞试验入侵空间及HIC值，铝合金与塑料材质机罩不在此次研究范围。GB/T 24550-2009法规试验为10款车型，包括120个儿童头部碰撞点、24个成人头部碰撞点。CNCAP试验涉及19款车型，包括180个儿童头部碰撞点、108个成人头部碰撞点。试验车型及点数分布如表2所示。

表2 试验车型及点数分布

2.2 试验结果统计

2.2.1 GB/T 24550-2009试验结果

GB/T 24550-2009试验头部入侵空间与HIC值分布如图3所示，图中每一个点均代表一次试验结果。由图3可知：随着入侵空间的增大，头部HIC值呈下降趋势，且同一个入侵空间下头部HIC值存在一定的波动，即对应不同的HIC值。主要原因为虽然头部入侵空间相同，但对应碰撞区域的机罩刚强度、机舱内部结构、造型角度、边界约束条件均不同，上述因素会影响头部运动姿态及缓冲吸能效率，导致头部加速度波形存在较大差异，进而影响头部HIC值的大小。统计试验数据可得：同一入侵空间下，头部HIC值的波动范围有限。为得到入侵空间与对应的HIC值上、下边界值之间的准确关系，分别提取了儿童头部、成人头部在入侵空间覆盖范围内头部HIC值上、下边界值，然后进行数值拟合，得到儿童头部入侵空间与HIC值波动上限满足公式HIC=e6·L-1.65(式中：L为入侵空间，单位mm，以下如同)，二者之间相关系数R的平方为0.983，说明儿童头部入侵空间与HIC值波动上限呈高度的指数相关性。基于同一方法，对儿童头部入侵空间与HIC值波动下限进行拟合，得到关系式HIC=3e6·L-2.05，相关系数R的平方为0.981，说明儿童头部入侵空间与HIC值波动下限也呈高度的指数相关性。同理，得到成人头部入侵空间与HIC值波动上限满足关系HIC=-1 928·lnL+9 217，相关系数R的平方为0.949；成人头部HIC值下限与入侵空间公式为HIC=-1 633·lnL+7 549，相关系数R的平方为0.931。分析结果表明，可以用上述公式表征GB/T 24550-2009工况下头部入侵空间与对应的HIC值波动界限之间的关系。

图3 GB/T 24550-2009头部试验结果分布

2.2.2 CNCAP试验结果

CNCAP试验头部入侵空间与HIC值分布如图4所示。通过数据拟合，得到儿童头部入侵空间与HIC值波动上限关系式为HIC=67 935·L-1.43，相关系数R的平方为0.962；儿童头部入侵空间与HIC值波动下限关系式为HIC=e6·L-1.69，相关系数R的平方为0.957。成人头部入侵空间与HIC值上限关系式为HIC=-2 396·lnL+12 155，相关系数R的平方为0.903；成人头部入侵空间与HIC值波动下限关系式为HIC=-2 001·lnL+9 563，相关系数R的平方为0.951。拟合结果表明：CNCAP试验工况下儿童头部入侵空间与对应的HIC值上限、HIC值下限呈高度相关的指数关系，成人头部入侵空间与对应的HIC值上限、HIC值下限呈较为严格的对数关系。需说明的是，成人头部碰撞区域在60～70 mm之间有局部试验结果出现偏离，主要原因为该部分碰撞点大多分布在玻璃根部或风窗横梁区域，该区域刚强度较大，入侵空间有限，相同头部入侵下头部整体加速度大，通常导致更恶劣的头部损伤，因而，成人头部HIC值上限拟合公式局部出现一定偏离，但整体趋势基本吻合。分析结果表明，可以用上述公式表征CNCAP工况下头部入侵空间与对应的HIC值上、下限之间的关系。

图4 CNCAP头部试验结果分布

3 结果对比及优化

由图3、图4可知：两种试验工况下同一头部入侵空间对应的HIC值存在较大的波动，说明头部缓冲吸能空间利用率存在很大差异；同一HIC值对应不同的入侵空间，说明机罩及机舱结构设计存在不合理的区域。

3.1 同一入侵空间下头部HIC值差异对比研究

以CNCAP工况儿童头部入侵空间为80 mm的试验点为例，提取了80 mm入侵空间下头部HIC值为623(波动下限)、1 000(波动中间区域)、1 255(波动上限)的头部加速度曲线，如图5所示。可知：HIC值为623对应的加速度曲线为单峰，且碰撞初始加速度较大，在2 ms时即达到最大138g，然后加速度持续减小，此加速度波形为典型的“前三角形”波形[15]。该碰撞点分布在机罩中间区域。机罩中间区域头部加速度主要与机罩结构强度及变形区域大小有关[13]。该区域远离机罩边界支撑，边界约束作用对变形影响不明显，且机罩长、宽方向几何跨度较大，相比较机罩结构更易溃缩变形。HIC值为1 000对应的加速度曲线初始峰值较大，3 ms时达到最大102g，但明显小于“前三角形”波形的初始峰值，随后加速度出现局部下降，从5 ms开始加速度缓慢上升，出现第二个峰值，前后加速度峰值波动大概5g，且二峰值出现时刻均在HIC值计算窗口内，此加速度波形可看作为“方波形”波形，即加速度维持在某一高度，波动范围相对较小。该类碰撞点接近机罩边界约束区域但与机罩边界约束还存在一定空间距离，主要分布在机罩中间靠近水箱横梁、大灯安装横梁、通风盖板前部等区域，除受机罩钢结构影响外，还受边界约束条件的影响。HIC值为1 255对应的加速度曲线初始峰值不明显，碰撞开始后，头部加速度持续上升，在9～11 ms时达到最大值141g，此加速度波形为典型的 “后三角形”波形。该类碰撞点为机罩边界区域，该区域主要受边界约束影响，从碰撞初始头部即受到边界约束条件的阻挠作用，导致加速度持续上升，另外该区域分布各类车身硬点结构，碰撞后期还可能引起头部加速度的二次提升，造成头部加速度持续增大或者出现明显的二次峰值。图5中同一入侵空间下3种HIC值对应的加速度波形说明，“前三角形”加速度模式头部入侵空间利用率最佳，“方波形”次之，“后三角形”的空间利用率最差，实车优化时合理提高头部碰撞加速度的初始峰值对降低HIC值有利。

图5 儿童头部入侵空间80 mm对应3种加速度曲线

3.2 同一头部HIC值下入侵空间差异对比研究

以CNCAP工况儿童头部HIC值为995左右的试验点为例。分别提取HIC值为998、入侵空间为66 mm，HIC值为992、入侵空间为76 mm，HIC值为993、入侵空间为85 mm的3组头部加速度曲线，如图6所示。3组试验HIC值差值在3以内，但入侵空间相差19 mm。入侵空间为66 mm的加速度在2 ms内即达到最大175g，随后加速度迅速减小，此类曲线为典型的“前三角形”波形，实现了较小的空间布置即可满足一定的HIC值。入侵空间为76 mm的加速度曲线波峰较宽，整体加速度维持在100g上下，为“方波形”波形。入侵空间为85 mm的加速度在碰撞开始后持续增大，曲线呈“后三角形”波形，此工况头部入侵空间最大，但相比“前三角形”波形曲线，增加了近20 mm才能满足同样伤害值，其空间利用率最低。

图6 儿童头部HIC值约为995时对应3种加速度曲线

分析可得，在机罩中间靠近边界区域，即加速度曲线表现为“方形波”的头部碰撞区域，可通过在机罩内外板之间增加局部加强板、增加焊点等增大机罩刚强度，进而提升机罩钢结构自身的吸能效率，以提高头部碰撞初始加速度峰值，降低碰撞后期头型加速度，更合理地利用头部空间，降低头部空间尺寸要求。在机罩边界区域，机罩约束条件对头部伤害起主导作用，概念设计时尽可能通过造型设计进行区域点的规避，同时可适当降低该区域内机舱内饰、安装支架的刚强度，预留更多的吸能空间，降低“后三角形”加速度波形的加速度峰值，达到头部保护目的。

4 总结

基于GB/T 24550-2009与CNCAP行人头部碰撞试验结果，分析了头部入侵空间与HIC值上、下限之间的边界关系，讨论了同一入侵空间下不同HIC值及同一HIC值下不同入侵空间对应的加速度波形特点，得出结论如下：

(1)GB/T 24550-2009、CNCAP工况下，随着入侵空间的增大，头部HIC值整体上呈明显下降趋势。其中儿童头部入侵空间与HIC值上、下限呈高度的指数关系，相关系数平方值均在0.95以上；成人头部入侵空间与HIC值上、下限呈较严格的对数关系，相关系数平方值均在0.90以上。实际车型开发项目中，可利用文中拟合公式对机舱空间的最小值进行预估，提供设计参考。

(2)同一入侵空间下头部HIC值存在一定的波动，“前三角形”加速度波形对头部吸能空间的利用率最佳，“方波形”次之，“后三角形”加速度波形空间利用率最差，合理提高头部碰撞加速度的初始峰值对降低HIC值有利。同一HIC值下对应的入侵空间也存在较大差异，“前三角形”加速度模式在较小的入侵空间下即可满足一定的HIC值，而“后三角形”加速度波形需要更多的入侵空间，空间利用率大大降低。

(3)机罩内外板、车身结构、机舱布置等优化，需综合考虑碰撞区域的约束条件。机罩中间靠近边界约束区域，头部加速度曲线呈现“方形波”，可通过增大机罩钢结构强度来提高头部碰撞初始加速度峰值，合理利用吸能空间。机罩边界区域，机罩约束条件对头部伤害起主导作用，可通过造型规避区域，同时降低该区域机舱内饰、安装支架的刚强度，预留更大吸能空间，降低碰撞后期加速度峰值，达到行人保护性能要求。

(4)由于GB/T 24550-2009成人头部试验结果采集样本有限，头部入侵空间与HIC值边界关系可能存在一定误差，今后需采集更多试验数据，对二者对应关系进行充分验证。同时还需统计铝合金机罩、塑料机罩的头部试验结果，研究总结不同机罩材质下的入侵空间需求，为新车型开发提供更详细的参考。