基于行人保护的汽车前舱吸能空间估算方法研究

基于行人保护的汽车前舱吸能空间估算方法研究梁亮上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240【摘要】在汽车开发的概念设计阶段，需要合理地设计前舱外型面与前舱零件间的间隙，即前舱吸能空间，以满足行人头部保护的要求。文章以某车型为例，通过理论计算的方法，对满足行人头部保护要求的前舱吸能空间进行估算，并建立了详细的行人头部碰撞有限元仿真分析模型，验证了估算得到的前舱吸能空间的合理性。【ABSTRACT】INTHEEAHYSTAGESOFTHECARDEVELOPMENTPROCESS，ITISVERYIMPORTANTTODETERMINETHENECESSARYCRASHDEPTH，THECLEARANCEBETWEENTHEHOODANDTHEUNDERLYINGPANS，CONSIDERINGPEDESTRIANHEADPROTECTIONTHEPAPERTAKESAVEHICLEMODELASANEXAMPLEANDPROPOSESAMETHODTOESTIMATETHENECESSARYCRASHDEPTHDURINGTHEEARLYDEVELOPMENTSTAGESTHEEFFECTIVENESSOFTHEPROPOSEDMETHODFORPEDESTRIANHEADPROTECTIONISVERIFIEDBYDETAILEDFINITEELEMENTANALYSIS【关键词】行人头部保护前舱吸能空间有限元仿真DOI103969JISSN10074554201210120引言汽车作为主要的交通工具，给人们的出行带来了极大的便利，同时，作为道路参与者之一，对其它道路参与者及其自身乘员的人身安全带来了重大威胁。而行人作为道路参与者中的弱势群体，最容易受到伤害，在道路交通事故中占有很高的伤亡比例。据世界卫生组织统计，每年全球约有120万人死于道路交通事故，其中46为步行者、骑自行车者或两轮机动车使用者，这一比例在一些低收入和中等收人国家会更高。另据IHRAINTERNATIONALHARMONISEDRESEARCHACTIVITIESCORNMITTEE的研究数据表明，在行人与车辆的碰撞过程中，行人头部受到伤害的概率在整个行人身体伤害区域中占到了314，是行人受伤概率和致死概率最高的区域。因此，根据我国道路交通情收稿日期20120823上海汽车201210况的特点，对车辆行人头部保护技术进行研究，从而减少道路交通事故中车辆对行人头部的伤害变得尤为重要。本文以某车型初期设计为例，从车辆前舱布置设计角度出发，根据GBT245502009汽车对行人的碰撞保护的法规要求，通过理论计算的方法，对满足行人头部保护要求的前舱吸能空间进行估算，并建立了详细的行人头部碰撞有限元仿真分析模型，验证了估算得到的前舱吸能空间的合理性。1行人头部保护试验法规我国对行人保护法规的研究始于2007年，在研究比较了欧洲、日本和全球技术法规后，决定采用全球技术法规“GTRNO9”2008年版作为我国行人保护法规的依据，并于2009年10月30日47发布了汽车对行人的碰撞保护GBT245502009法规，该法规于2010年7月1日实施。在GBT245502009中，行人头部伤害指标用HICHEADINJURYCRITERION值来评价，其表达式如公式1所示R11125HICF2一1I_L。0DTI12一1JT1其中，N为合成加速度，G；T。、T为记录开始与记录结束两个时刻之间某一段时间间隔，S，在该时间间隔内HIC取最大值，T2一。15MS。行人头部试验的试验条件分别如表1和图1所示。表1GBT245502009头型试验条件试验项目试验条件儿童头型冲击器质量KG35儿童头型冲击器直径MM165儿童头型冲击器撞击发动机罩35上部，撞击速度KMH儿童头型冲儿童头型冲击器撞击发动机罩击器撞击发上部，撞击角度。50动机罩上部WAD1000BLERL825取儿童头型冲击器撞击发动机罩最后点上部，测试区域MMWAD1700BRRL一825取最前点SRL825成人头型冲击器质量KG45成人头型冲击器直径MM165成人头型冲击器撞击发动机罩35上部，撞击速度KMH成人头型冲成人头型冲击器撞击发动机罩65击器撞击发上部，撞击角度。动机罩上部D1700成人头型冲击器撞击发动机罩WAD21OOBRRL25取上部，测试区域MM最前点SRL825说明WAD包络线；BLERL发动机罩前缘基准线；BRRL发动机罩后面基准线；SRL侧基准线；撞击角度定义在车辆纵向垂直平面内，相对于水平面的试验冲击角度。试验冲击方向相对于前部结构应向下和向后。在GBT245502009中规定在儿童头型试验区域，其HIC值1000区域的面积应该50；在成人头型和儿童头型合计的试验区域，其HIC值1000区域的面积应该I67，而剩余区域的HIC值1700；如果车辆只有儿童头型试验48图1GBT245502009头型试验条件区域，其HIC值1000区域的面积应该67，而剩余区域的HIC值1700。2前舱吸能空间估算在汽车开发的概念设计阶段，定义发动机罩外板与前舱舱内零件的间隙十分重要。为了满足行人头部保护要求，在头部碰撞区域必须留有足够的吸能空间，以免行人头部在撞击发动机罩的过程中，由于发动机罩的吸能空间不足而使头部与前舱零件如发动机、蓄电池等发生二次碰撞，造成更为严重的伤害。21头部加速度曲线的确定行人头部与汽车前舱不同位置发生碰撞时，行人头部加速度波形各不相同，对吸能空间的要求也随之变化。而在概念设计阶段，为了能够快速指导前舱的布置，将实际的加速度曲线简化为在碰撞方向上的一维理想方波加速度曲线模型如图2所示来估算吸能空间的大小。将加速度曲线简化为碰撞方向上的一维理想方波加速度曲线模型时1在一维模型中，碰撞方向上的加速度等于合成加速度。即意味着用一维模型来代替三维模型时，无能量减少，其加速度值为最大，相对的HIC值也为最大值。2在碰撞方向上的发动机罩溃缩深度是最大的。同时，其他方向上的能量吸收会减小发动上海汽车201210，；平均加速度、K、0000002000400O60008OOLO00120014001600180N01220024时间S图2维理想方波加速度曲线机罩在碰撞方向上的溃缩深度。3从实际碰撞试验中可以发现，其他两个方向上的加速度对碰撞结果影响不大，简化的一维模型近似于实际的试验结果。因此，采用简化的一维理想方波加速度曲线模型来估算吸能空间的大小，得到的结果是相对保守的。同时该方法的目的主要是在车辆前期的概念设计阶段指导前舱布置，因此用平均加速度构成的一维理想方波加速度曲线来估算平均吸能空间是可取的。22前舱吸能空间的估算前舱吸能空间估算以GBT245502009法规中的HIC计算公式为基础，其加速度曲线采用简化的一维理想方波加速度曲线。由公式1得眦A2VO五T2一13其中石为区间内平均加速度；为头形冲击器碰撞初速度。将式3代人式2后，得到，L、25HICFLAT4、GAT，由式4可计算出25HIC5由式2可计算出平均加速度面G6因此，将式7代人式8可计算出一维理想方波加速度曲线的理论吸能空间大小D，如下上海汽车201210。一JADT7JTLRT21DSJDTVOAT一AT8JTL根据GBT245502009法规要求，取35KMH，AT15MS，HIC1000，可计算出吸能空间的理论值为52MM。因此，在汽车概念设计阶段进行车辆前舱布置时，为了满足GBT245502009法规的安全性要求，可以将发动机罩外造型面沿碰撞方向偏置65MM对最小52MM吸能空间留有25左右的设计余量形成行人头部保护控制面图3所示，前舱内的零件布置在行人头部保护控制面的下方，以保证舱内零件与发动机罩间具有足够的吸能空间。图3行人保护控制面3有限元仿真分析31头型试验区的确定行人