孫賀 汪家勝 董傳林 王金成

摘要： 為研究在車輛碰撞過程中主動彈起式發(fā)動機罩對行人頭部的保護作用，考查行人頭部損傷指標HIC值，比較接觸式和非接觸式發(fā)動機罩抬升傳感器的動作時序，仿真BUCK標準車模型撞擊6歲兒童假人的沖擊過程，得到傳感器的最小反應時間，據此判斷主動彈起式發(fā)動機罩的作用效果。采用LS-DYNA顯式分析算法對某型轎車以45 km/h的初始速度撞擊6歲兒童假人進行仿真分析，對比主動彈起式和非主動彈起式發(fā)動機罩的行人保護性能及其星級評定結果，由行人頭部保護得分占比可知主動彈起式發(fā)動機罩可大幅提高行人頭部碰撞保護性能。

關鍵詞： 主動彈起; 發(fā)動機罩; 行人保護; 兒童假人; 頭部沖擊

中圖分類號： U463.833; TB115.1 ? 文獻標志碼： B

Abstract： To study the protection effect of active hood on pedestrian head during vehicle collision， the HIC value of pedestrian head injury index is studied， and the action sequence of the contact and non-contact lift sensors for active hood is compared， and the collision process of the BUCK standard car model hitting the 6-year-old child dummy is simulated， and the minimum response time of the sensor is obtained， which is used to judge the effect of the active hood. LS-DYNA explicit analysis algorithm is used to simulate the collision of a car with initial speed of 45 km/h on a 6-year-old child dummy. The pedestrian protection performance and star rating results between active and non-active hood are compared. It can be seen from the percentage of pedestrian head protection ratio that the active hood can greatly improve the pedestrian head impact protection performance.

Key words： active lift; hood; pedestrian protection; child dummy; head impact

0 引 言

中國汽車經過近幾十年的發(fā)展，車內乘員保護技術日趨成熟，而對行人等弱勢道路參與者保護的研究相對滯后，顯著制約汽車碰撞中行人安全保護的評級。因此，作為一項重要的汽車碰撞安全性能，行人保護性能越來越受到重視。相關研究表明，在我國的道路交通事故中，汽車對行人的碰撞事故發(fā)生率超過20%;在道路交通事故死亡人數中，行人死亡占比高達30%。這些數據可以直觀地反映我國公路交通秩序管理水平和力度的欠缺，以及對汽車在行人保護安全性方面的重視程度不足。

歐美國家和澳大利亞的汽車安全專家最早提出在汽車設計過程中考慮對行人保護這一概念，而后隨著技術水平的提高，各國在該領域進行大量的研究工作，并制定相應標準和規(guī)范，應用最廣的是歐洲新車評價規(guī)程（Euro NCAP）[1]。2009年，我國參照GTR9指令[2]，頒布GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護》標準[3]，后續(xù)推出2018版中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）[4]等。2021版C-NCAP草案擬定考慮兩輪車行人頭部保護，確定將行人腿部評價升級為aPLI腿型。aPLI腿型增加碰撞過程中行人上肢的影響因素，比Flex-PLI腿型具有更大的質量和沖擊慣性，這對車輛的行人保護性能開發(fā)提出更高的要求。

C-NCAP行人保護評價試驗包括頭型和腿型。通過對行人事故數據統(tǒng)計發(fā)現，行人頭部與汽車前部碰撞是主要的致死原因[5]，因此開發(fā)先進的主動彈起式發(fā)動機罩，提升車輛的行人頭部碰撞保護性能，對于汽車行人保護開發(fā)具有十分重要的意義。

1 主動彈起式發(fā)動機罩原理簡介

車輛的行人頭部保護性能評價通常采用頭錘壁障進行行人頭型沖擊試驗。頭型內部安裝加速度傳感器，用以采集質心處x、y和z方向的加速度，結合式（1）計算行人頭部損傷指標HIC值，以此評估對行人的傷害程度。XHIC=（t2-t1）∫t2t1aRdtt2-t12.5

（1）式中：XHIC為頭部損傷指標的值;aR為頭部質心合成加速度;t1和t2為檢測的加速度脈沖開始時間和結束時間，t1-t2≤15 ms。通過選取合適的時間區(qū)域t2-t1，可求取HIC的最大值。

當發(fā)生人車碰撞事故時，主動彈起式發(fā)動機罩能夠自動升起，增加發(fā)動機罩與機艙的空間，避免行人頭部與發(fā)動機艙內硬點接觸。同時，通過發(fā)動機罩的變形，增加頭部撞擊緩沖，吸收頭部的碰撞能量。采用發(fā)動機罩抬升技術可以大幅減輕行人的頭部傷害。主動彈起式發(fā)動機罩技術有2種形式：氣囊抬升式和機械抬升式。氣囊抬升式發(fā)動機罩通過化學反應產生瞬時高壓氣體，推動發(fā)動機罩后端抬升，因此常為一次性使用的產品，保護區(qū)域較大，包含發(fā)動機罩、風擋下沿和A柱等;機械抬升式發(fā)動機罩通過釋放加載彈簧或者高壓氣體抬升發(fā)動機罩，動作過程可逆，但保護區(qū)域僅為發(fā)動機罩區(qū)域。

2 主動彈起式發(fā)動機罩的行人頭部保護2.1 主動彈起式發(fā)動機罩試驗

2.1.1 主動彈起式發(fā)動機罩的行人探知

按照2018版C-NCAP管理規(guī)則，PDI2可作為最難探知行人假人用于評價主動彈起式發(fā)動機罩系統(tǒng)探知能力。如果車輛生產企業(yè)認為PDI2不適合作為最難探知行人假人，那么生產企業(yè)應證明系統(tǒng)能探知主動發(fā)動機罩起保護作用的所有身高行人。不同身高行人假人可以是6歲兒童假人、HybridⅢ型5百分位女性假人、HybridⅢ型50百分位男性假人或95百分位男性假人。應通過物理試驗和數值模擬相結合的方式證明感應系統(tǒng)具有探知不同身高行人的能力。數值模擬結果中應包含系統(tǒng)探知PDI2響應信息以及不同身高假人的頭部沖擊時間。[4]

2.1.2 主動彈起式發(fā)動機罩的動、靜態(tài)試驗

對于裝備主動彈起式發(fā)動機罩系統(tǒng)的車輛，如果車輛生產企業(yè)以數值模擬或其他可選方法證明在最小身高行人（一般為6歲兒童）頭部碰撞到車輛（速度45 km/h）之前發(fā)動機罩系統(tǒng)完全打開并保持在預期的位置，那么所有的頭型試驗可在發(fā)動機罩完全打開狀態(tài)進行，即采用靜態(tài)試驗方法進行評價。若某身高行人頭部沖擊時間HIT內主動彈起式發(fā)動機罩系統(tǒng)不能完全展開，則相應包絡距離前面的網格點應進行動態(tài)試驗。[4]

2.2 主動彈起式發(fā)動機罩抬升高度

主動彈起式發(fā)動機罩可在傳感器系統(tǒng)感知到人腿與車輛的碰撞后，通過不同形式的抬升裝置在70 ms內迅速地將發(fā)動機罩提升50～100 mm，從而避免行人頭部撞擊車輛堅硬的結構件或其他部件。[6]試驗表明，發(fā)動機罩下方自由空間越大，人體的頭部損傷指標HIC值越小。如果要使HIC值低于1 000，那么成人頭部模型與兒童頭部模型對于發(fā)動機罩下的空間需求至少分別為70 mm和50 mm。[7]

本文模型車輛通過設置抬升機構（彈簧式機構或者氣缸式機構）將發(fā)動機罩后端抬起70 mm。

2.3 傳感器系統(tǒng)響應時間

在汽車與行人碰撞過程中，需要通過傳感器探知行人撞擊到車輛。傳感器類型按照行人探知的時間起點可分為接觸式和非接觸式2種。接觸式傳感器探知時間的起點與行人碰撞時間起點相同。傳感器的動作時序圖見圖1。THI表示從行人接觸車輛到頭部觸及發(fā)動機罩時間，即行人頭部沖擊時間HIT;TS表示傳感器探測到行人碰撞及ECU感應的時間;TD表示發(fā)動機罩系統(tǒng)動作時間。THI>TS+TD表示當發(fā)動機罩完全彈起后行人頭部撞擊發(fā)動機罩（圖1a）;THI

如果頭部撞擊發(fā)動機罩時發(fā)動機罩還沒有完成彈起動作，那么行人頭部與發(fā)動機罩存在相向運動，會對行人造成更大的傷害。[8]苗強等[9]設計一種主動彈起式發(fā)動機罩，其中央控制單元在人車發(fā)生碰撞前約400 ms觸發(fā)抬升機構，可有效改善行人頭部保護性能;王宏雁等[10]設計另一種主動彈起式發(fā)動機罩，當車速為40 km/h時，車輛傳感系統(tǒng)能夠在距離行人6 m時做出判斷并發(fā)出信號，此時距離人車碰撞還有540 ms時間，因此當行人頭部接觸發(fā)動機罩時，發(fā)動機罩已完全展開。

2.4 主動彈起式發(fā)動機罩HIT仿真

ZELLMER等[7]研究車輛以40 km/h速度與行人碰撞時，從行人接觸汽車到行人頭部接觸發(fā)動機罩的過程中，當行人身高為152 cm時歷時97 ms，當行人身高為177 cm時歷時140 ms。身高越矮、車速越快，碰撞時間歷程就越短。中國成年人身高統(tǒng)計顯示，50百分位的女性身高為150.7 cm，50百分位的男性身高為167.8 cm。[11]

在與車輛碰撞過程中，3歲兒童假人的頭部會與車輛保險杠發(fā)生碰撞，彈起式發(fā)動機罩不能對3歲兒童假人起保護作用;6歲兒童假人頭部會撞擊發(fā)動機罩前緣，故應將6歲兒童作為彈起式發(fā)動機罩保護的最小對象。對于主動彈起式發(fā)動機罩，傳感器系統(tǒng)最難檢測的行人HTD一般為6歲兒童假人，目前Euro NCAP選擇PDI2模塊進行HTD物理測試，用于代表6歲兒童假人。[12]

2.4.1 BUCK標準車模型HIT仿真

利用LS-DYNA顯式分析算法，使用適用于轎車的BUCK標準車模型[13]，按照C-NCAP規(guī)定，以45 km/h的初始速度撞擊6歲兒童假人[14]進行仿真。由碰撞過程仿真分析動畫可以看出：0～30 ms主要表現為車前端與兒童腿部和髖部碰撞;60 ms左右6歲兒童頭部撞擊發(fā)動機罩;90 ms后兒童被車輛撞飛。BUCK標準車碰撞6歲兒童假人仿真動畫截圖見圖2。

因此，對于通用轎車車型，6歲兒童頭部沖擊時間約為60 ms。對于采用接觸式傳感器的主動彈起式發(fā)動機罩，系統(tǒng)的總響應時間TS+TD不大于60 ms時可采用靜態(tài)試驗評估主動彈起式發(fā)動機罩車輛的行人頭部傷害保護性能，否則應采用動態(tài)試驗評估。對于非接觸式傳感器，因為系統(tǒng)可提前預判碰撞的發(fā)生，提前彈起發(fā)動機罩以保護行人，所以可采用靜態(tài)試驗進行車輛行人保護頭部傷害評價。

2.4.2 具體車型HIT值仿真

為確定傳感器類型，應明確判定主動彈起式發(fā)動機罩的行人保護頭部測試方法，因此必須進一步進行具體車型的HIT值驗證。以某品牌轎車模型為基礎，采用LS-DYNA顯式分析算法對該車型進行有限元仿真，該轎車模型以45 km/h的初始速度撞擊6歲兒童假人的仿真動畫截圖見圖3。約在50 ms時6歲兒童頭部撞擊發(fā)動機罩，80 ms后兒童被車輛撞飛，因此該車型6歲兒童的HIT值為50 ms。

結合主動安全技術，該品牌轎車采用非接觸式傳感器，標定該車型主動彈起式發(fā)動機罩的響應總時間TS+TD為70 ms，在雷達和攝像頭等裝置預判行人碰撞不可避免的情況時，提前觸發(fā)舉升機構將發(fā)動機罩抬起至上止點位置（設計最高處70 mm），因此該車型可采用靜態(tài)試驗方法進行行人頭部傷害評價。

2.5 主動彈起式發(fā)動機罩行人頭部保護仿真

2.5.1 有限元網格劃分

以上述品牌轎車為基礎，搭建該車型行人保護有限元仿真模型。為保證有限元仿真精度，對關鍵零部件如發(fā)動機罩、翼子板、通風飾板等采用4 mm單元尺寸進行精細網格劃分。該有限元模型共計2 455 188個節(jié)點和2 821 244個單元。模型單元類型包括六面體單元、四面體單元、殼單元和節(jié)點剛體單元等。較復雜結構，如雨刮臂、前保險杠緩沖泡沫等采用四面體網格建模;結構較硬、碰撞過程幾乎沒有變形的發(fā)動機、蓄電池等采用剛體單元建模。

2.5.2 有限元分析模型

為提高仿真分析效率，建立該車型行人保護子系統(tǒng)有限元模型，見圖4。有限元模型包括汽車A柱、設定彈起位置的發(fā)動機罩總成、翼子板、雨刮總成、前保險杠總成、前大燈、發(fā)動機、蓄電池和空氣濾清器等部件。采用*BOUNDARY_SPC約束車輛模型截面處和減震器支架安裝孔位置單元節(jié)點的自由度，仿真分析約束示意見圖5。對于裝備主動彈起式發(fā)動機罩的車輛，C-NCAP以未展開狀態(tài)下的目標點為測試點。[4]

發(fā)動機罩總成和前保險杠總成是對行人保護劃線和分析影響最大的結構，發(fā)動機罩總成包括發(fā)動機罩內板和外板、發(fā)動機罩鎖和鉸鏈等重要結構件，發(fā)動機罩總成有限元模型見圖6。

主動彈起式發(fā)動機罩的抬升機構可以是彈簧式或者氣缸式。通過抬升機構將發(fā)動機罩總成以發(fā)動機罩鎖芯為軸心、沿車輛y軸（垂直于車身中垂面）向上旋轉，將發(fā)動機罩后端z向提高70 mm。

2.5.3 關鍵算法參數選擇

采用LS-DYNA顯式算法對車輛進行行人頭部碰撞保護工況仿真。對鋼材和多數塑料件選擇24號多線段彈塑性材料，材料參數定義時輸入密度、彈性模量、泊松比、屈服應力和有效應力-應變曲線。為避免出現沙漏模式且提高計算效率，大變形件使用ELEFORM16的殼單元公式計算，其余選用ELEFORM2的殼單元公式計算。對于厚度大于1 mm的部件，在厚度方向采用5個積分點。分析時間步長DT2MS取-6.7×10-4，質量縮放僅僅施加在步長小于DT2MS的單元上，可節(jié)省計算時間。

2.5.4 仿真分析結果

提取分析結果，采用HyperView后處理模塊提取頭部碰撞加速度曲線，通過積分軟件可一鍵獲得每個頭部碰撞點的HIC結果。綜合所有頭部碰撞點的得分，按照2018版C-NCAP行人保護評價規(guī)則，將所有網格點總分除以網格點總數得到頭部碰撞得分率，得分率乘以滿分12分可獲得頭部總得分。

未使用主動彈起式發(fā)動機罩時，該車型頭部碰撞得分為6.05分;配備主動彈起式發(fā)動機罩后，該車型頭部碰撞得分提高到8.51分，腿部碰撞按滿分計。非主動彈起式和主動彈起式發(fā)動機罩行人保護性能對比見表1。非主動彈起式發(fā)動機罩行人保護最高得分率為60.34%，僅達到C-NCAP的4星水平;采用主動彈起式發(fā)動機罩后，行人保護最高得分率為76.74%，達到C-NCAP行人保護5星+水平。綜合考慮車型整體結構變更最小，在不影響汽車造型風格的前提下，采用主動彈起式發(fā)動機罩方案，可使該車型行人保護達到五星及以上水平。

對比不同碰撞點的得分提高效率，非彈起式發(fā)動機罩和彈起式發(fā)動機罩的得分占比對比見表2。滿分點的頭部碰撞高分點占比明顯提高，由8.40%提高到40.40%，增幅達32.00%;0.5分點的頭部碰撞低分點占比明顯減小，由28.70%減小到5.10%，降幅達23.60%。因此，主動彈起式發(fā)動機罩可大幅度提高行人頭部碰撞保護性能。

3 結 論

基于某轎車車型，按照2018版C-NCAP評價規(guī)則，通過仿真分析計算其HIT值，對其主動彈起式發(fā)動機罩的行人保護性能進行仿真分析，并與非主動彈起式發(fā)動機罩的行人保護進行對比，研究結論如下：

（1）主動彈起式發(fā)動機罩的傳感器類型有接觸式和非接觸式2種，非接觸式傳感器結合主動安全技術，提前將發(fā)動機罩抬起，可防止行人受到二次傷害，更有效地保護行人，是主動彈起式發(fā)動機罩的首選類型。

（2）將6歲兒童假人作為主動彈起式發(fā)動機罩車輛評價中的最小身高探知行人，在項目預研開發(fā)階段，采用BUCK標準車模型預估主動彈起式發(fā)動機罩車型的最小HIT值，可用于指導主動彈起式發(fā)動機罩系統(tǒng)的開發(fā)，有效提高研發(fā)效率。

（3）配備主動彈起式發(fā)動機罩的車輛能夠有效降低人車碰撞過程中對行人頭部的傷害，尤其是在發(fā)動機罩后部和兩側硬點區(qū)域，頭部碰撞保護效果提升明顯，但對發(fā)動機罩前端區(qū)域的HIC值影響較小。

（4）基于該車型的行人頭部碰撞分析，在不改變原車造型和總布置的前提下，主動彈起式發(fā)動機罩可顯著提升行人保護性能。

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（編輯 武曉英）