行人保护头碰加速度波形分析与结构优化

严杰 夏汤忠 李径亮

摘要：研究了行人头部与机罩撞击过程中头部加速度波峰的形成机理，将已有头部加速度波形由四段式波形修正为三段式波形。通过试验与仿真，验证了三段式波形理论的准确性，并依据该波形理论对机罩前端锁扣区域结构进行了优化，在保证机罩行驶安全强度性能的条件下有效地降低了该区域的头部伤害值。

关键词：行人保护;头部加速度波形;头部伤害值;结构优化

数据表明，在交通事故伤害者中，行人占比约为65%，主要的受伤部位为头部和腿部，其中头部伤害的致死率非常高。近年来，随着汽车工业的发展，行人保护受到的关注也越来越多，各国相继制订和实施了行人保护的技术法规和评价体系，我国最新的CNAP2018也首次加入行人保护性能的考察项。同时，国内外的各大汽车厂商、研究机构都对行人保护展开了大量的研究。

Streeter^[1]等通过假人试验与计算机仿真，最早开始了行人保护头碰的损伤机理和生物力学的研究。刘奇^[2]等研究了机罩结构如内外板材料、形状以及减震胶的布置等对行人保护头碰伤害的影响。在2007年，Wu^[3]首先提出了最优波形的概念，其后朱西产^[4-6]等人也对头部加速度波形及其形成机理进行了深入研究。

本文针对行人保护头碰，通过试验与仿真中头部加速度波形，以及相应的波形理论，将目前常用的四段式波形^[7]修正为三段式波形。根据三段波形与伤害指数的相关性，依据分析结果对机罩锁扣区结构进行了优化设计，有效地降低了该区域的行人头部伤害值，从而保证了该车型行人保护安全性能目标的达成。

1 头碰试验与评分

本文的试验与仿真均是基于汽车安全法规CNCAP2018中所采用试验方法，来评估发动机罩盖各区域对行人头部的保护性能。儿童头部模型重3.5kg，撞击速度40km/h，撞击角度50度;成人头部模型重4.5kg，撞击速度40km/h，撞击角度65度。

在行人头部碰撞中，评价头部伤害的指标为HIC值，表达式如下所示，

其中g是重力加速度，a为头部冲击器质心位置的合成加速度，t₀-t₁≤15ms。根据头部加速度曲线，可以得到每个点位的HIC值大小，并根据HIC值大小与得分对应关系，最终得到每个点位相应的分数。其中每个点位满分为1分，最低为0分，总体得分为伞部点位得分之和。

2 碰撞過程与头部加速度波形分析

已经有研究^[7]表明头部模型撞击机罩过程的波形可以细化为四个阶段，头部模型接触机罩后的整体运动过程、机罩自身变形过程、边界介入过程、与发动机再撞击过程。当头部模型以一定角度和速度与机罩发生碰撞，冲击波沿机罩表面向四周发散，使机罩发生变形的同时，带动机罩沿冲击方向一起运动。机罩运动到边界支撑处与之发生接触，支反力的冲击波会沿着机罩返回撞击点。若整体动能仍然没有被吸收，头部模型与机罩继续向下运动，若空间h不足，机罩内板会与机舱刚性边界发生二次撞击。

根据动力学方程

由式3可以看出在碰撞过程中，头部模型受到的反力主要是机罩的惯性力与变形反力导致的，影响头部加速度峰值的是机罩自身质量和刚度^[4]。在不同的时间段，惯性力与变形反力的大小不同，导致了头部加速度波形的变化。

实际过程中，从头部模型接触机罩开始，到刚性边界介入之前，因为惯性力的存在，才使得机罩自身刚度产生作用，因此机罩自身的运动与变形必须是同时进行的，而且从能量角度来看，机罩内能和动能也是同步增加，因此可以把这一时问段全部划为第1阶段。从边界介入开始，到边界介入结束，可以划为第2阶段。第3阶段则是从边界介入结束，到头部模型反弹时结束，其中可能包括二次碰撞。

第1阶段，撞击开始后，机罩惯性力与变形反力同时增加。在机罩中心处，碰撞波以圆环形状向四周扩散，影响区域较大，惯性力相对较大;机罩边界处，碰撞波传播受阻，影响区域较小，惯性力相对较小。由于机罩自身刚度在不同位置基本保持一致，因此导致机罩中心位置的头部加速度会比边界位置的大。当头部加速度达到峰值后，机罩自身加速度开始减小，导致惯性力减小，头部加速度也随之下降。

第2阶段，边界支撑介入后，撞击点刚度开始变大，变形反力随之变大。在机罩中心处，由于撞击点与边界距离较远，边界支撑对撞击点刚度影响很小，而在机罩边界处，由于距离很近，边界支撑大大增加了撞击点刚度。因此，在这一阶段中，机罩中心位置由于受到影响较小，头部加速度会继续变小，而边界位置，随着边界介入，头部加速度会出现反弹并保持在高位，加速度峰值甚至可以超过第1阶段。

第3阶段，边界支撑介入结束后，惯性力与变形反力均开始下降，头部侵入量持续增加。此时，如果设计空间不够，机罩内板与下面硬点发生二次碰撞，碰撞反力将再次导致头部加速度波峰的形成。

根据前面的分析，三段式的头部加速度简化波形如图l（a）所示，根据实际情况不同阶段的加速度值大小，三段式波形可以简化为三角波、方波或者双峰波。由于加速度的波形不同，HIC值的计算区间也随之改变，有研究表明，在给定的头部侵入量条件下，当加速度波形如图l（b）所示时，计算得出的HIC值最小^[3]。即保证第2阶段不要有过大的边界支撑介入，以及第3阶段避免二次碰撞的发生，使得HIC值计算区间尽量落在第1阶段。

3 仿真、试验对标分析

为了研究头部模型撞击机罩不同区域的加速度波形以及伤害值与实验结果的相关性，本文总共选取6个点来进行相关性对标分析，其中边界区域点包括PI、P2和P3，中间区域点包括P4、P5和P6，如图2所示：

图3为上述六个点位的头部加速度曲线，实线为仿真值，虚线为试验值。横坐标为时间，以秒为单元，纵坐标为加速度，以重力加速度为单位。从图3（a，b，c）可以看出，在边界区域加速度曲线整体呈现方波形态，第2阶段的加速度值偏高，与第1阶段峰值达到同一水平。从图3（d，e，f）中可以看到，中间区域的加这度曲线呈现三角波形态，第一阶段加速度峰值比边界区域大，第二阶段加速度比边界小，且第三阶段又轻微二次碰撞。6个点位的加速度波形与理论吻合较好，且波形三个阶段区分较明显，其中第一阶段大概在0到5ms，第二阶段在5到15ms，第三阶段在15ms之后。

总体来看，六个点位头部加速度波形仿真值与试验值吻合较好，边界区域的误差相对偏大。在波形的第1阶段，6个点位加速度峰值的仿真值均小于试验值，说明机罩的质量和刚度相对于真实值可能偏小，考虑到实际中的厚度误差、加工硬化或者材料参数，可以针对性的对计算模型进行修改。在波形的第2阶段，Pl、P2点的加速度仿真值大于试验值，其中Pl点的误差主要由机罩锁刚度是引起，P2点误差与垫块和车灯刚度有关系。第3阶段，各点位均没有发生较恶劣的二次碰撞。

表l中列出了六个点位第一加速度峰值、HIC值和点位得分的仿真试验值。其中第一加速度峰值误差均值在15.5%（除开Pl），HIC值误差均值在20.6%，得分误差控制比较好，总体得分修正系数为l。通过结果对比可以发现，仿真值的各项指标基本都偏小，可能与材料曲线偏软，或者配重质量误差有关系，后续可以继续改进仿真计算分析模型。

4 优化设计

由于Pl点的得分较低，我们需要对其进行优化。根据该点的头部加速度波形，以及前文分析的波形理论，我们提出两种降低其HIC值的理论方案。方案1是降低第1阶段的峰值，即降低机罩结构本身的刚度和质量，使其波形形成一个加速度均值较低的方波。方案二是降低第2阶段的加速度，即降低介入的边界刚度，使其波形朝最优波形发展。

在实际工程中，由于机罩锁扣附近点位的边界刚度主要是由前保险杠蒙皮和骨架提供，而前保险杠蒙皮和骨架的刚度对其它性能影响较大，所以我们最终选择从方案1方面来考虑。即降低该区域机罩结构本身的刚度或者质量。由于该区域的刚度主要由机罩前端加强板提供，在保证机罩指压刚度、过冲击、模态、行驶安全等机罩性能的基础下，本文对锁扣加强板和机罩前段加强板做结构优化设计，并从产晶QCDP优化的角度将其合并为一个件，如图4（a）所示：

图4（b）为优化前后Pl点位的头部加速度波形对比，在阶段1中，头部加速度在达到峰值后出现明显下降，和阶段2形成比较明显的分区。而阶段2中，由于边界刚度没有变化，导致头部加速度变化非常小。最终HIC值由1896下降至1254，得分由O分增加至0.5分，根据仿真与试验的误差，实际的伤害值可能已经进入了650-1000分的区间，实际得分由0.25分变为0.75分。同时，该设计方案由于简化了零件数量和工艺，使得制造成本大大降低。

5 结论

（1）通过研究行人保护头模与机罩撞击的过程，以及头部加速度波形的形成机理，将四段式波形简化为三段式波形。通过试验与仿真对标分析，验证了三段式波形理论和分析模型的准确性。

（2）根据三段式波形理论，对机罩锁扣区进行了结构优化，针对性的降低局部刚度，大大降低了该区域的HIC值，提高得分的同时成本也得到很大降低。

三段式波形理论能够快速有效的为设计人员开展结构优化设计指明方向，对机罩的设计与前舱的布置有重要的指导意义。

参考文献：

[l]Streeter L， Anderson R， Mclean J. Pedestrain HeadImpact Testing at the Universicy of Adelaidel[C]，Proceedings of the 16th International TechnicalConference on the Enhance Safety of Vehicles，Wincisor.Canada， 1998

[2]劉奇.满足行人头碰撞保护要求的汽车发动机罩盖设计的研究[D].北京：清华大学，2009

[3]Wu J P，Beaudet B. Optimization of head impactwavefonn to minimize HIC [C]//SAE World Cong，Paper N0 2007-01-0759， 2007

[4]吴斌，朱西产，王大志.有利于行人头部保护的碰撞波形研究[J].汽车技术，2010年，第8期

[5]董丽萍，朱西产，马志雄.基于头部合成加速度波形的发动机罩夹心层设计[J].汽车安全与节能学报.2014年04期

[6]杨娜，刘明敏，赵桂范.基于自适应响应面法的发动机罩行人头部保护效果研究[J].汽车工程，2016年，第38卷第4期

[7]聂冰冰，周青，夏勇.行人头部撞击汽车发动机罩盖的多波峰特征与结构设[J].汽车安全与节能学报，2017年，第8卷第1期