李俊杰 杨平平 丁佐鑫 许威 邱娟 王睿

（1. 中国建材检验认证集团股份有限公司 北京 100024；2. 国家安全玻璃及石英玻璃质量监督检验中心 北京 100024）

0 引言

汽车前风窗玻璃指汽车前部为驾驶员提供清晰视野的安全玻璃。不仅能够为驾驶员提供清晰视野，保护车内乘员安全，兼顾挡风、隔音、隔热性能，同时还具备尽可能不对行人造成伤害的功能。伴随着世界各国对行人保护安全意识的不断提升，行业对汽车前风窗玻璃提出了更高的安全性能要求［1］。

关于汽车行人保护评价规则，2009年我国发布了国家标准GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》，对汽车行人保护所涉及的行人头部、儿童头部、大腿及小腿保护进行了详细的评价方法以及评价指标的规定［2］。该标准与欧盟ECE R127相近，修改采用了2008年发布的全球技术法规Global technical regulation No. 9 pedestrian safety（简称GTR9），该评价体系并未涉及汽车前风窗玻璃［3,4］。但对于汽车-行人碰撞的事故分析可以发现前风窗玻璃区域在实际车辆-行人事故伤害量中所占的比例相当大；其次，为适应节能环保的号召，现在轿车前脸结构的设计有缩短趋势，这也直接导致行人碰撞前风窗玻璃事故的增加；此外，由于我国的厢式车保有量增加显著，平直厢式车前脸缩短了行人绕转距离，也增加了头部碰撞前风窗玻璃的可能［5］。因此应对前风窗玻璃区域的行人头部碰撞评价给予足够的重视。

1 现有标准评价体系

关于对汽车前风窗玻璃行人保护性能的评价，首次由欧盟在2003年颁布的2003/102/EC 法规中提出，要求对所有的新车型必须通过行人保护试验来评价其对行人保护的程度，规定汽车前风窗玻璃行人成人头部冲击HIC值应小于1000。为了对汽车行人保护性能进行更加详细的量化分析，欧盟发布了Euro-NCAP，我国也于2018年8月出台了C-NCAP管理规则，要求对新设计生产的车辆进行行人保护性能进行评分［6］。现行标准/规范中关于行人保护中头型冲击器的规定见表1。

C-NCAP管理规则中对汽车行人保护安全性能评价区域划分如图1所示。

结合图示的评价区域可知，在人车正面碰撞事故中，人头部冲击伤害区域的包络线WAD1700～WAD2100范围内前风窗玻璃占据了绝大部分区域，因此对汽车前风窗玻璃行人保护性能的研究十分重要。

表1 现行标准/规范中关于行人保护中头型冲击器的规定

头部伤害指标HIC（Head injury criterion）作为评价行人保护试验头部伤害程度的判定指标，

可对行人保护性能进行参数化限定。如表2所示，C-NCAP管理规则中将HIC15（在冲击时刻15 ms时间间隔内HIC的最大值）值划分成5个不同的等级，每个等级对应不同的评价得分。根据该评价体系即可对行人保护头部冲击区域内的不同点进行安全评判。图2中列出某款汽车的头型试验不同区域得分情况，从图中可以看出，汽车前风窗玻璃区域的头部伤害指标值较大。

为了降低汽车前风窗玻璃头部伤害指标，行业内希望通过模拟试验或者仿真的形式对汽车前风窗玻璃的行人保护性能进行预判，并以此作为指导前风窗玻璃的玻璃厚度、结构类型、玻璃种类、胶片类型、工艺参数等设计的一个重要输入。

表2 头型试验区域预测结果判定条件

目前，汽车前风窗玻璃行人保护性能的研究方法可分为以下三种：

（1）行人模型实车撞击法

早在20世纪90年代，日本、欧洲、美国等国家建立了汽车碰撞实验室，采用试验汽车，模拟汽车撞人的环境，以法规中规定的行驶速度，对安装了多种力学传感器的行人模型进行撞击试验（图3），然后分析传感器里的数据进行分析，进而可以评价汽车的前风窗玻璃的头部伤害指数HIC性能。该方法对于评价汽车安全性能方面具有很好的准确性优势，为世界各国的行人保护的法规提供了重要的参数条件。但是该试验成本较高，试验周期较长，且试验中采用实车实验，当对整车所有的评价区域点进行冲击分析，试验成本极高［7,8］。

（2）计算机仿真模型模拟法

随着计算机计算性能不断提升以及仿真技术的不断进步，借助计算机仿真技术辅助试验的方法应运而生。该方法借助计算机仿真软件，根据相关法规中对头部冲击伤害试验中涉及的因素和边界条件进行限定，然后将玻璃按照设计类型进行有限元分析，当对玻璃进行软件仿真冲击后，对玻璃不同区域的伤害指数进行判定。通过对仿真模拟性能的测试结果与实车碰撞结果进行对比，进而优化完善该模型的边界限定条件，最终可实现对前风窗玻璃行人保护安全性能的探究。相对于方法1中的实车碰撞试验，该方法使用较为方便，几乎没有试验耗材消耗，但其技术门槛较高，且边界条件限定不同也不利于行业内数据对比，一般汽车玻璃制造商难以普及使用该技术［9,11］。前风窗玻璃头型冲击仿真模拟技术示意图4。

（3）头型冲击器实车冲击法

随着世界各国汽车法规的不断成熟，采用头型冲击器对实车进行冲击已成为了行业内评价汽车安全性能的主要手段。该方法运用弹射头型冲击器可以对汽车前风窗玻璃性能冲击，通过分析冲击器内部的三轴力学传感器对前风窗玻璃进行HIC数据分析，进而可以评价汽车前风窗玻璃安全性能。但是要实现对前风窗玻璃不同评价区域的判定、不同结构设计的实验需要大量的实车或者车架。试验难度和成本也相当高，一般汽车玻璃企业施行难度较大［12］。图5为头型冲击器冲击实车示意图。

对于汽车玻璃制造厂来说，要实现以上行人保护方面的研究，研发投资十分昂贵。越来越多企业希望采用一定的结构设计来提升前风窗玻璃在行人保护方面的作用，但往往受到多种技术因素的限制。本文结合以上行业难题，率先采用自由落体冲击模型结构，探索竖直冲击对汽车前风窗玻璃安全性能评价的新途径。

2 垂直冲击模型的建立以及理论分析

该方法中将前风窗玻璃固定在与之配套的结构架上，采用自由落体法实现头型冲击器冲击玻璃前风窗玻璃，通过控制支架角度调整试验冲击角度，根据能量守恒定律可以控制试验冲击速度，图6为垂直冲击模型结构示意图。

式中：m——头型冲击器质量，kg；

g——重力加速度，9.8m/s2；

h——冲击高度，m；

v——冲击速度，m/s。

3 头型冲击器的设计与制作

参照CNCAP管理规则对成人头型冲击器进行了设计，主要采用铝合金材质的结构主体，内部置入三轴力学传感器，外部使用橡胶材料模拟人造头皮，最终实现头型冲击器质量（4.5±0.1）kg的要求。成人头型冲击器示意见图7。

头型冲击器制作完毕后应进行标定试验，如图8所示。CNCAP对头型冲击器标定试验中的三轴传感器重力加速度合成值（标定值）进行了范围限定，为（225～275）g。为了实现该指标要求，设计了5种不同硬度的橡胶层材料，分别进行标定试验，结果如图9所示。

从图8中也可以看出，不同硬度对标定值的影响较大。随着橡胶层硬度的提升，冲击器在标定条件下的标定值逐渐提升，当橡胶硬度为80HRC时能够满足要求。这说明了冲击器的传感器的敏感程度与冲击器冲击接触层的刚性有关，即冲击接触的刚性越大，传感器冲击时的合成加速度越大。

4 数据分析

通过对竖直冲击法对汽车前风窗玻璃进行头型冲击器冲击后，即可获得冲击器传感器冲击玻璃时其重力加速度合成值曲线，如图10所示。

从图10中可以看出，冲击器的重力加速度合志值曲线基本符合冲击试验的设计规律，能够较好地对冲击器在冲击前风窗玻璃过程中的力学进行分析比较，也说明了竖直冲击法也能作为一种全新的方法对前风窗玻璃行人保护试验进行的可能性。

5 结论

结合汽车玻璃前风窗玻璃行人保护性能评价方法，分析了国内外头型冲击试验，如行人模型实车撞击法、计算机仿真模型模拟法、头型冲击器实车冲击法的可操作性现状，创新地提出了一种新型的前风窗玻璃行人保护安全性能的简易模型。通过试验的探究摸索得出以下结论：

（1）成人头型冲击器外层橡胶的硬度值越大，标定值越高，当橡胶硬度为80HRC时，头型冲击器满足CNCAP法规要求。

（2）采用竖直冲击法对汽车前风窗玻璃进行行人保护性能评价，能够完整记录冲击器在冲击状态下力学参数，这说明了该方法具有一定可行性。

（3）竖直冲击法原理简单，试验装置搭建相对容易，能够较好地适用于汽车前风窗玻璃力学性能评价的开发与推广应用。