某车型行人保护头型碰撞仿真与试验对比分析

闫海涛 冯亚玲 刘鹏

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

人车混合交通是我国目前城市交通的主要特征之一，随着每年汽车保有量的增加，交通事故问题越来越严重[1]。据CIDAS 数据统计，中国道路交通事故中约有20%的交通事故伤亡为行人，其中儿童和老人的风险最大[2]。行人保护问题显得日益重要，且在交通事故中，头部是最容易受伤部位之一[3]。随着法规和C-NCAP（2018 年版）的出台和更新，越来越多的主机厂将行人保护列为车型开发的重要性能之一。目前，所测试车辆显示，车辆对腿部碰撞性能保护较优异，对头部碰撞性能保护较差[4]。文章主要针对头部碰撞性能，建立某车型行人保护仿真模型，并结合试验，对比分析仿真分析结果，验证模型的准确性和仿真精度，用于后续结构开发和优化。

1 行人保护仿真模型介绍

1.1 有限元模型

按照C-NCAP（2018 年版）试验规程，头部冲击仿真计算次数大都超过100 次，为了提高计算效率，在保留关键部件（铰链安装螺栓、蓄电池、继电器、机盖缓冲块）的前提下，往往将整车CAD 数据进行简化。通过分析试验中车身的状态，可以得到对头部冲击伤害值（HIC）影响较大的结构主要是车辆前端[5]，这里取车辆前端数据进行模型搭建。

在车身后端截面处和悬架位置施加6 个自由度全约束，根据试验点进行头型定位，应用关键字“CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE”定义头型与发动机罩的接触关系。图1 示出该车型行人保护有限元模型，表1 示出头型加载速度、冲击角度和求解时间。

图1 行人保护有限元模型

表1 假人头部模型加载速度和求解时间

1.2 试验点选取

为了更加全面地了解该车机盖不同区域的头部冲击伤害值（HIC），需要在机盖的不同区域，选取试验目标点。机盖区域主要分为机盖铰链区域、机盖锁区域、通风饰板上方区域、机盖中心区域，以及有可能与机舱中零部件接触的区域（比如蓄电池、继电器等）等[6]。根据以上原则，该车选取10 个对标试验目标点，其中成人头型碰撞区域为3 个（A1～A3），儿童头型碰撞区域为 7 个（C1～C7），如图 2 所示。表 2 示出各个试验点选取的具体原则。

图2 机盖目标点位置示意图

表2 机盖试验点选取原则

2 试验对标分析

2.1 头型冲击试验

进行行人保护头型冲击试验前，需根据C-NCAP（2018 年版）对整车进行配重以及测量等，如表3 所示。从表3 中可以看到，试验车辆状态满足试验要求，试验结果可以用于与仿真结果的对比分析。

表3 碰撞试验前车辆测量结果

2.2 对比分析

根据C-NCAP（2018 年版），通过碰撞过程中头型3 个方向的加速度，计算出行人保护头部伤害值（HIC）来评价车辆对行人头部的碰撞保护性能，HIC15的计算如下：

式中：AX，AY，AZ——头型 3 个方向的加速度值，g；

AR——头型3 个方向加速度平均值，g；

t1——碰撞起始时间，ms；

t2——碰撞结束时间，ms；

当 HIC15时，即 t2-t1≤15 ms。

从式（1）和式（2）可以得到与头部伤害HIC15有关的因素包含加速度AR和时间域（t2-t1），其中加速度影响成指数关系，影响较大。文章将分别以头部伤害值精度和加速度曲线精度来对各个试验点进行对比分析，其中曲线精度采用加权综合因子方法（WIF）进行评价，图3 示出各个试验点头部加速度曲线对比结果。

图3 头型冲击试验各试验点头部加速度曲线对比

从图3 可以得到，仿真得到的曲线与试验曲线趋势基本一致。表4 示出除了机盖锁区域C5 点外，其余各点的加速度曲线WIF 值均大于80%。导致C5 点WIF 值偏低的原因可能是由于机盖锁采用刚性简化连接，后期需对其进行进一步验证分析。

表4 碰撞试验点HIC15 和曲线WIF

从表4 可以得到，除了机盖铰链区域的HIC15（A1和A3），其余80%试验点的HIC15误差均小于10%。从图3a 和图3c 可以看出，铰链区域仿真曲线的波峰值比试验值大，图4 示出A1 和A3 点试验后机盖变形，从图4 中可以看到，试验中机盖外板被铰链螺栓击穿，使试验加速度峰值比仿真值低，而仿真中未考虑材料失效对头型加速度的影响，从而导致HIC15误差超出10%。

图4 碰撞试验后发动机盖变形区示意图

3 结论

文章通过搭建某车型行人保护模型，在机罩不同区域选取试验点，并根据C-NCAP（2018 年版）试验要求，对其进行了行人保护仿真分析。结合试验，对加速度曲线和HIC15进行对比分析。结果显示，头型加速度曲线基本一致，除了机盖铰链区域外，其余区域的HIC15误差均小于10%，满足开发要求，可用于该车型后期行人保护的结构设计与优化。

为了进一步提高仿真分析精度，未来将在机盖铰链区域进行材料失效仿真分析，并对机盖锁进行详细建模，使仿真分析能够更好地应用于结构设计。