陈金华，黄向东，汪 俊，廖 兵

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640;2.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 510640;3.广州城市职业学院信息与汽车工程学院，广州 510500;4.广汽菲亚特汽车有限公司，长沙 410100)

前言

在车辆与行人的碰撞事故中，轿车是最常见的车型，约占事故车辆的60% ～85%，大量的交通事故调查结果表明，行人与车辆前部碰撞的交通事故约占行人与车辆碰撞总数的70% ～85%［1］。且行人头部损伤通常是由于行人头部与车辆发动机罩或风窗玻璃发生碰撞造成的［2］。行人头部损伤约占损伤总数的30%，并是造成行人死亡的主要原因。

欧盟和日本分别从20世纪80年代及90年代就开始进行行人与车辆的碰撞保护标准的研究，并陆续推出相应的标准法规［3］，我国也于2010年7月1日实施了GB/T24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》标准［4］，其中对行人头部保护的测试作出了明确规定，如图1和表1所示。

表1 行人头型保护测试条件及要求

1 头部伤害评价

人体的头部是一个复杂系统，该系统由颅骨、皮肤和其它软组织组成，碰撞事故中头部损伤形式一般为挫伤、颅骨骨折、脑震荡和颅内血肿等［5］。其机理是当头部与车辆前部发生碰撞时，头部受到外部的冲击载荷并持续一定的时间，从而导致脑组织内部各系统产生相应的力学响应，当内部力学响应超过了任何特定的生理组织损伤的承受能力，头部就会发生损害。颅脑损伤的生物机理非常复杂，也无法通过工程测量方法进行测量，因此到目前为止还没有形成准确的头部损伤标准，人们通常采用HIC值来预测头部损伤风险［6］。

最早进行人体头部伤害研究的是美国韦恩州立大学的Gurdjian教授，他通过大量试验得到了著名的韦恩冲击容许曲线(Wayne state tolerance curve，WSTC)，如图2所示。

目前头部损伤评价准则是在韦恩冲击容许曲线的基础上，根据大量试验数据拟合建立的，它将受伤程度作为有效减速度和持续冲击时间的函数，即

式中:g为重力加速度;a为碰撞过程中头型质心合成减速度;t2－t1为HIC达到最大值的时间间隔，其中最大间隔为15ms。

2 理想方波减速度模型的建立

通常HIC值可以通过试验或仿真分析得到的减速度曲线由式(1)求得，如图3所示。而溃缩距离则可以通过对减速度进行两次积分求得［7］，无论通过那种方法，都必须要事先已知头型碰撞减速度曲线，而在车辆开发的早期阶段，无法获得头型碰撞减速度曲线，这就需要有一种方法指导头型碰撞保护中发动机罩所需最小溃缩距离的设计，否则在后期由于溃缩距离不足而修改造型和相关零部件的设计将会大大增加开发成本。

本文中通过构建一个理想方波减速度曲线来拟合实际的碰撞减速度曲线，如图4所示。利用式(1)可求得满足不同法规要求的发动机罩所需最小溃缩距离，该模型的建立基于以下几点假设:

(1)按减速度曲线段下面的面积相等的条件，用一方波减速度曲线来替代实际的减速度曲线，即假设碰撞一开始即达到恒定减速度值，并持续到头型碰撞速度为零的时刻;

(2)由于在实际头型碰撞中，垂直于碰撞方向的两个减速度都相对较小，因此可用单向有效减速度替代实际的三向减速度;

(3)在单向减速度简化模型中，单向减速度可认为等效于合成减速度，这意味着在垂直于单向减速度方向上不存在能量损耗，此种情况下得到的HIC值也最大，也就是说发动机罩所需最小溃缩距离也最大。

在这种简化的单向减速度模型中，可认为头型在垂直于减速度方向上的速度和位移为零，因此，在减速度方向，头型在任何时刻的速度v和位移d可分别通过以下公式得到:

式中:v0为碰撞初速度;t0为碰撞开始的时间，可认为t0=0。

因此，HIC、v和d可通过一个给定的减速度曲线得到。当v减小到零，位移d达到最大值，则称此时的位移d为所需最小溃缩距离。

3 溃缩距离分析

假设在某一时间间隔内，HIC值达到最大，则式(1)可简化为

根据式(2)假设，头型减速度曲线在碰撞过程中为一恒定数值，并从碰撞开始(t1=t0=0)直到头型速度为零，即t2时刻时v=0，则

将式(6)中的Δt代入到式(4)可得

由式(7)可得

从式(8)可知，简化的方波减速度曲线中，碰撞持续时间Δt只与初速度v0和所要求的HIC值有关，同样，在已知Δt后，由公式可求得平均减速度和溃缩距离d。

通常，对于行人头型碰撞来说，头型受到发动机罩的作用力与发动机罩自身的特性有关，即与发动机罩的刚度K和碰撞区域发动机罩的质量M相关，因此发动机罩对头型的碰撞力f可表示为

把头型与发动机罩碰撞的每一时刻看作准静止状态时，则由理想方波减速度曲线及牛顿第二定律可得

对于发动机罩，在准静止状态下可认为只受到弹性力的作用，则有根据作用力与反作用力大小相等的关系，发动机罩的平均刚度值可由式(12)和式(13)得到

以 GB/T24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》标准中的头部碰撞损伤值的两个限值HIC=1 000和HIC=1 700为目标控制参数，可得和，如表2所示。

表2 头部碰撞相关参数

以上对发动机罩溃缩距离的分析是基于“单向有效减速度”建立的简化模型，未考虑垂直于单向有效减速度方向上的减速度，实际试验则是采用三向减速度的合成减速度aR，即

根据试验统计，ax为碰撞速度方向，aR主要受ax的影响，ay和az在合成减速度aR中的比例约为1%～3%，即简化模型中的单向有效减速度与三向合成减速度aR的误差大约在1% ～3%左右，因此由式(10)可知，当HIC值为1 000时，两者溃缩距离的误差大约为0.5～1.5mm，当HIC值为1 700时，两者溃缩距离的误差大约为0.34～1.0mm。

4 试验分析

以某一自主品牌轿车的行人保护试验为例，在发动机罩儿童碰撞区域选取一碰撞点，如选取发动机罩锁扣加强板部位，见图5，通过发动机罩的抗凹性仿真分析得到锁扣加强板区域的平均刚度值为68N/mm，与理想方波减速度模型得到的儿童头部碰撞区域刚度值72.1N/mm接近，因此可用该区域的头型碰撞试验进行发动机罩溃缩距离的验证分析。

发动机罩锁扣部位位于儿童头碰区域，对该部位进行儿童头型碰撞试验，如图6所示，取儿童头型的合成减速度曲线，并采用CFC1000进行滤波处理，得到头型减速度曲线如图7所示，利用式(1)得该点的头部伤害HIC值为1 055。

对减速度曲线进行两次积分可得发动机罩的溃缩距离d=53.3mm，如图8所示。

可以看到，在理想方波减速度模型得到的刚度条件下，实际碰撞试验中HIC值为1 055的发动机罩最大溃缩距离为53.3mm与理论推导的HIC值为1 000的发动机罩溃缩距离47.9mm很接近，可认为本文中简化的理想模型合理，其推导的结果与试验结果具有较好的一致性，其结果可用于指导车辆开发中的行人保护设计。

5 结论

(1)从分析结果可知，在现有的头部损伤准则中，有效减速度和持续时间是影响头部伤害的两个最重要因素。

(2)利用单向减速度简化模型和恒定减速度对发动机罩最小溃缩距离进行初步的预测是可行的，对车辆的行人保护头部碰撞性能开发及发动机罩设计有一定指导意义。

(3)通过发动机罩最小溃缩距离的计算，可以指导发动机罩下方刚性部件的布置设计，尤其是针对局部硬点可以预先提出有利于行人头部保护的具体措施。

［1］杨济匡，李凡，李莉.车辆-行人碰撞中颅脑损伤及动力学响应的研究［J］.湖南大学学报(自然科学版)，2007，34(7):30－34.

［2］李莉，杨济匡，李伟强，等.汽车碰撞行人交通伤害特点分析［J］.汽车工程，2005，27(1):44 －47.

［3］Mizuno Y，Ishikawa H.Summary of IHRA Pedestrian Safety WG Activities Proposed Test Methods to Evaluate Pedestrian Protection Afforded by Passenger Cars［C］.The 18th ESV Conference，Amsterdam:North Atlantic Treaty Organization Committee，paper 580，2001.

［4］GB/T24550—2009汽车对行人的碰撞保护［S］.北京:中国标准出版社，2010.

［5］Kam C Y，Crandall J，Deng B.Design of a Full-Scale Impact System for Analysis of Vehicle Pedestrian Collisions［C］.SAE Paper 2005－01－1875.

［6］杜群贵，刘秋成，薛运锋，等.汽车安全带新型预紧器的结构与性能仿真［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，2009，37(7):57－61.

［7］黄向东，陈金华，谢岳璁.管架式轿车车身碰撞仿真分析［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，2003，31(3):60－63.