基于Euro－NCAP评价规程的行人头部碰撞安全性能评估与优化①
2014-08-21杨安志刘卫国
杨安志， 刘卫国，2
(1.同济大学，上海201804;2.浙江省汽车安全技术研究重点实验室，浙江 杭州311228)
随着乘用车销量的逐年增加，与行人发生碰撞的交通事故也日益增多，行人安全问题越来越受到人们的重视［1］.根据世界卫生组织统计数据表明，在道路交通中弱势道路使用者占总死亡人数50%，其中行人占总死亡人数22%［2］.根据2010年统计数据，在中国行人死亡占所有交通死亡人数25%，共计689996人［3］.在行人所受伤害中，头部损伤是最为常见的损伤类型之一，是造成重伤或者死亡的主要原因，车辆前端的造型、布置、结构等都会影响到头部碰撞安全性能［4～6］.研究头部损伤防护技术对降低行人所受主要伤害具有重要意义.
本文以《欧洲新车评价规程》(Euro－New car Assessment Program，Euro － NCAP)为基础［7］，利用CAE与试验方法，对乘用车行人头部碰撞安全性能进行评估并进行结构优化.
图1 头部碰撞网格点示意图
图2 行人保护CAE模型示意图
1 行人头部碰撞安全性能评估
1.1 头部碰撞网格点确定
根据Euro－NCAP行人保护评价规程［8］，基于前端造型分析，最终得到184个碰撞点如图1所示.
1.2 仿真模型建立及对标
1.2.1 仿真模型建立
行人保护CAE模型基本单元尺寸为5mm.建模时应考虑局部结构，由于局部结构对行人保护有限元计算影响较大，例如大灯、保险杠蒙皮、螺栓、凸焊螺母等局部硬点都要详细划分网格［9］，建好的行人保护CAE模型如下图2所示.
1.2.2 仿真模型对标
根据试验情况，选择 C，0，0、C4，－ 8、C5，3、C7，6、A9，2、A11，4 点进行对标.对标结果如图 3及表1所示.
图3 头部加速度曲线对标结果
表1 头部碰撞伤害值对标结果统计
根据对标结果可知，HIC15误差率控制在±5%以内，头部加速度曲线波形趋势一致，说明该头部碰撞仿真模型能够很好反映车辆前端特征，可用于行人保护评估与结构优化.
1.3 行人头部碰撞安全性能评估
根据Euro－NCAP相关规定，头部碰撞伤害值按照不同的区间划分分别以不同的颜色显示，如下表 2 所示［5］.
表2 头部碰撞伤害值性能标准
根据1.1节提供的头部碰撞点坐标，将头部模型冲击方向对准碰撞点，并利用1.2节对标后仿真模型经LS－DYNA仿真计算得出的结果如下图4所示.
图4 仿真预测结果示意图
其中点 A，11，8、A，11，－8、A，12，8、A，12，－8、A，13，8、A，13，－8 由于在 A 柱上，默认为红色点.共184个碰撞点仿真预测得分为102.5分.根据头部碰撞试验的步骤，本例中随机选取了儿童头部碰撞6个点、成人头部碰撞4个点进行测试.10个随机选取点的编号及试验结果如下表3所示.
表3 预测点与测试点结果
根据式(1)经计算本例中修正因子等于1.考虑到修正因子的总得分为102.5分.根据式(2)最终头部碰撞得分为13.368分.
该车型开发要求为Euro－NCAP行人保护五星，行人保护总分需要达到36×65%=23.4分.由于该车型大腿碰撞已经得到1.5分，小腿碰撞已经得到6分，头部碰撞需要得分至少达到15.9分，因此通过以上分析该车型头部碰撞得分未达到要求.
2 行人头部碰撞安全性能优化
2.1 原车型存在问题
(1)翼子板结构刚度较大，根据评估结果在碰撞区域两侧位置得分率较低.
(2)发动机舱内变形吸能空间不足，由于发动机舱内为了美观要求，安装了机舱装饰板及发动机装饰板，影响了头部碰撞吸能空间.
饵料一般由鱼粉、豆饼粉、玉米粉、麦麸、米糠、畜禽加工下脚料等组成，或者使用专用泥鳅饲料，当水温在25℃以上时，动植物饲料组成比例为7∶3，水温25℃以下时，饲料组成比例为1∶1。鳅种放养7天后，按照泥鳅重量3%～5%的饲料量，加水捏成团投喂，间隔3～4天喂1次。首次投喂饵料全田撒，然后逐渐缩小范围至撒在鱼沟内。30天后，泥鳅正常取食时，每天上午（占比40%）、下午（占比60%）各喂1 次。
(3)前组合灯安装横梁位置刚度较大，该位置安装有前组合灯、前横梁缓冲块，在实际碰撞过程中不易变形吸能.
(4)发动机罩总成整体刚度较大.
(5)发动机罩气弹簧布置位置不利，该气弹簧布置在机舱中间位置，影响了头部模型下移空间.
(6)前围上部总成刚度过大，影响成人头部碰撞成绩.
(7)雨刮电机安装结构刚度过大，碰撞过程中雨刮电机不易下沉.
图5 优化前后对比
图6 优化前后对比
2.2 优化方案及优化后评估结果
考虑到该车型模具费用及生产状态，头部碰撞优化总的原则基于发动机舱内相关零部件布置不变，发动机罩总成基本结构不变，主要优化方案如下:
(1)翼子板翻边上移10mm，并去除安装点外其他翻边，对应翼子板安装支架整体上移10mm.
(3)更改前组合灯安装横梁结构，将前组合灯安装点与机罩缓冲块安装位置分开.
图7 优化前后对比
(4)发动机罩气弹簧布置位置移动到发动机罩铰链附近.
图8 优化前后对比
(5)前围上部安装支架结构调整.
图9 优化前后对比
(6)雨刮电机安装支架改为可压溃结构形式.
图10 优化前后对比
最终采用以上所有优化后的结构与布置方案，经计算后得分合计:128.5分，如图9.假设修正因子为1，按照2.3节计算方法得出优化后评估得分为16.76分，满足开发需求.
图11 优化后仿真评估结果
3 结论
本文基于Euro－NCAP行人保护评估程序，建立了车辆前端有限元分析模型，并与试验结果进行对标分析与Euro－NCAP得分评估.通过分析原车型存在的问题，对前舱关键件结构、布置进行改进设计与优化，仿真计算结果表明，优化方案提高了行人头部碰撞安全性能，使得行人保护总得分达到了Euro－NCAP五星水平.
［1］张金换，杜汇良，马春生，等.汽车碰撞安全性设计［M］.北京:清华大学出版社，2010:279－283.
［2］World Health Organization.Global Status Report on Road Safety 2013:Supporting a Decade of Action［R］.Switzerland:World Health Organization，2013.
［3］World Health Organization.Estimated Road Traffic Death Rate 2010［E］.(2013－7－18).
［4］吕晓江，王纯，刘卫国，等.基于行人保护的乘用车前部造型设计优化［J］.汽车安全与节能学报，2011，2(3):206－211.
［5］吕晓江，刘卫国，周大永，等.基于行人保护的SUV车型前端造型设计研究［J］.汽车技术，2013，(3):37－41.
［6］邢艳云，于波，吕晓江，等.基于EuroNCAP行人头部保护的某SUV车型建模与优化［J］.汽车技术，2013，(4):38－41.
［7］European New Car Assessment Program.Pedestrian Test Protocol［E］.http://www.euroncap.com/Content－ Web － Page/fb5e236e－b11b－4598－8e20－3eced15ce74e/protocols.aspx;2012.
［8］European New Car Assessment Program.Pedestrian Protection Assessment Protocol［E］.http://www.euroncap.com/Content－Web－Page/fb5e236e－b11b－4598－8e20－3eced15ce74e/protocols.aspx;2012.
［9］胡远志，曾必强，谢书港.基于LS－DYNA和Hyperworks的汽车安全仿真与分析［M］.北京:清华大学出版社，2011:180－187.
