（车辆工程专业论文）深入的事故调查与行人头部损伤防护措施研究.pdf

深入的市故调查与 j 人大部损伤防护措施研究 摘要 易受伤害道路交通使用群体的损伤防护研究已逐步受到世界各国的关注。在 中国，行人及骑自行车人是伤亡率极高的两个易受伤道路交通使用群体。 本文主要在于分析不同碰撞条件与行人头部动力学响应的联系，并同时对比 了行人与骑自行车人头部动力学响应的异同，进一步分析了汽车前部结构中发动 机罩系统对行人头部损伤的影响，并讨论相应的损伤防护措施。 首先，本文利用深入的事故调查研究中筛选的数据，重建了多起轿车行人事 故、轿车一骑自行车人，从而验证了仿真模型的有效性。基于验证模型建立参数分 析模型，设定不同的汽车车速、行人骑自行车人速度、碰撞位置及百分位人体模 型，从而分析了这些参数对两者头部动力学响应的影响。研究表明，车辆速度、 碰撞位置及百分位人体模型对行人及骑自行车人头部动力学响应较大。 之后，本文就发动机罩内外板厚度对头部损伤的影响进行了回归分析，并进一 步讨论了发动机罩铰链的改进措施。研究结果表明，内板厚度参数对头部h i c 值 和侵入量的影响明显大于外板；通过线性回归的方法可得到h i c 值、头部碰撞侵 入量与发动机罩内外板厚度间的关系，从而为发动机内外板设计提供参考依据； 合理的铰链结构改进可以有效地提高发动机罩系统的吸能能力，特别是降低铰链 区域头部碰撞的h i c 值。 最后，研究分析了主动式发动机罩的设计原理，提出了相应的机械设计及电 子控制基本原理。并在此基础上，建立了主动式发动机罩弹出高度多刚体分析模 型及头部碰撞有限元仿真模型，分析了主动式发罩对行人头部动力学响应及损伤 的影响。研究表明，弹出高度的增加将减少行人头部与发动机罩碰撞的角度，从 而使行人的头部动力学响应值朝有利于降低行人头部损伤风险的方向变化；主动 式发动机罩具有明显的吸能缓冲效果，可有效地降低行人头部损伤的风险。 本文为轿车行人碰碰撞中颅脑损伤防护技术的开发，提供了一套有效的分析 思路及方法，仿真分析结果可作为车辆行人安全设计的参考依据。 关键字：行人；骑自行车人；颅脑损伤；碰撞仿真；参数研究 l i 硕f ：学位论文 a b s t r a c t i n j u r yp r o t e c t i o nr e s e a r c ho nv u l n e r a b l er o a du s e r sh a sb e e na r i s i n gm o r ea n d m o r ea t t e n t i o ns t e pb ys t e p p e d e s t r i a na n db i c y c l i s ta r et w ov u l n e r a b l er o a du s e r sw i t h t h eh i g hi n j u r yr a t ei nr o a dv e h i c l et r a m ca c c i d e n ti nc h i n a t h em a i na i mo ft h i st h e s i si st oa n a l y z er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n tc r a s h c o n d i t i o n sa n dh e a dk i n e m a t i c sr e s p o n s e s ，a n dc o m p a r et h ep e d e s t r i a na n db i c y c l i s t h e a dd y n a m i c s m o r o v e r ，t h i sr e s e a r c ha n a l y z et h ei n f l u e n c e so fh o o ds y s t e mo n h e a d b r a i ni n j u r yi nc a r p e d e s t r i a nc r a s h ，a n d d i s c u s sr e l a t i v ei n j u r yp r o t e c t i o n m e a s u r e so np e d e s t r i a ns a f e t y f i r s t ，m a n yc a r p e d e s t r i a na n dc a r b i c y c l i s ta c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n sw e r ec a r r i e d o u tu s i n gs e l e c t e da c c i d e n td a t af r o ma ni n d e p t hs t u d yf o rv a l i d a t i n gt h es i m u l a t i o n m o d e l b a s e do nt h ev a l i d a t e dm o d e l ，t h i sp a p e rs e tu pt h ep a r a m e t e ra n a l y s i sm o d e la s w e l la s a d o p t i n gd i f f e r e n tv e h i c l ev e l o c i t y ，p e d e s t r i a n o rb i c y c l i s tv e l o c i t y ，c r a s h p o s i t i o na n dp e r c e n th u m a n b o d y3 dm a t h e m a t i c a lm o d e l t h e n ，t h ei n f l u e n c e so f t h e s ep a r a m e t e r so np e d e s t r i a na n db i c y c l i s th e a dd y n a m i cr e s p o n s e sw e r ea n a l y z e d c a r e f u l l y a st h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w n ，v e h i c l ev e l o c i t y ，p e d e s t r i a nv e l o c i t y ，c r a s h p o s i t i o na n dp e r c e n th u m a n b o d y3 dm a t h e m a t i c a lm o d e l c a na f f e c th e a dd y n a m i c r e s p o n s e sl a r g e l y t h e n t h ec u r r e n tt h e s i sa n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ft h i c k n e s s e so fo u t e ra n di n n e r h o o do nh e a di n j u r yt h r o u g hr e g r e s s i o na n a l y s i s ，m o r e o v e r ，d i s c u s s e ds o m ei m p r o v i n g m e a s u r e so nh o o dj o i n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti n n e rh o o dt h i c k n e s sc a n a f f e c th i ca n di n t r u d i n gv a l u eo fp e d e s t r i a nh e a dm o r eo b v i o u s l yc o m p a r e dw i t ht h a t o fo u t e rh o o d c o r r e l a t i o no fh i ca n di n t r u d i n gv a l u et ot h i c k n e s s e so fo u t e ra n d i n n e r h o o dc o u l db eg o tt h r o u g hr e g r e s s i o na n a l y s i s t h er e s u l t sc a np r o v i d er e f e r e n c e sf o r v e h i c l eh o o dd e s i g n i na d d i t i o n ，r e a s o n a b l ei m p r o v e m e n to nh o o dj o i n tc a ni m p r o v e a b s o r b i n ge n e r g ya b i l i t yo f h o o ds y s t e ma v a i l a b l yw i t hd e c r e a s i n gh i co fh e a di m p a c t a r o u n djo i n ta r e al a r g e l y f i n a l l y ，t h i sr e s e a r c ha n a l y z e db a s i cd e s i g nt h e o r yo fa c t i v eh o o da n dp r e s e n t c o r r e s p o n d i n g m e c h a n i c a ld e s i g na n de l e c t r o n i cc o n t r o lt h e o r y i nt h a tc a s e ，t h i sp a p e r a n a l y z e dt h ei n f l u e n c e so fa c t i v eh o o do nh e a di n j u r ya n d h e a dd y n a m i cr e s p o n s e so f p e d e s t r i a n a st h er e s e a r c hr e s u l t ss h o 味m ，a c t i v eh o o dc a nd e c r e a s et h ec r a s ha n g l e b e t w e e nh e a da n dh o o d ，a n dm a k et h ev a l u eo fh e a dd y n a m i cr e s p o n s e sc h a n g et ot h e d i r e c t i o no fd e c r e a s i n gh e a di n j u r yr i s k a n di ta l s od e c l i n e ，r i s ko fh e a di n j u r yl a r g e l y t h i ss t u d yp r o v i d e ds o m ee f f e c t i v em e a s u r e sf o rp e d e s t r i a ns a f e t yp r o t e c t i o n ， i i i 行人头部损伤防护研究 w h i c hc a nb eu s e da sv e h i c l ed e s i g nr e f e r e n c e k e yw o r d s ：p e d e s t r i a n ；b i c y c l i s t ；h e a d - b r a i ni n j u r y ；c r a s hs i m u l a t i o n ； p a r a m e t e rs t u d y i v 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 汽车工业和道路路交通运输的飞速发展，导致世界各国交通事故发生频率急 速增加。世界卫生组织( w h o ) 和世界银行共同发表的预防道路交通伤世界报告 指出2 0 0 4 年全世界有1 2 0 万人死于道路交通事故，约2 5 0 0 万人因交通事故而导 致永久性残废；同时预计2 0 0 0 年至2 0 2 0 年，全球交通伤亡的总数将上升6 5 左 右【l 】。行人作为道路使用者中的弱势群体，一直处于高死亡率的风险之中，如2 0 0 0 年世界各地区交通事故中行人伤亡所占百分比为：欧洲1 9 0 ( 7 0 0 0 人) ，美国 1 1 3 ( 4 7 3 9 人) ，日本2 8 3 ( 2 6 0 5 ) ，韩国3 8 0 ( 3 8 9 0 人) 瞄j 。 随着我国经济的迅速发展，汽车保有量迅速增加以及混合式交通运行方式使 国内的交通事故问题愈加严峻，并使道路交通伤成为了威胁人们生命的一大公害。 公安部交通管理局发布的易受伤害道路使用者死亡人员统计表明，2 0 0 0 2 0 0 6 年间 中国交通死亡人数中行人占到了1 4 3 j ；而2 0 0 7 年我国因道路交通事故死亡的行 人2 1 1 0 6 人，骑自行车人7 5 5 3 人，分别占道路交通事故死亡人数的2 4 7 6 、9 2 5 纠4 1 。 行人一汽车碰撞事故发生的原因复杂多变，受道路交通环境、交通安全法规 制定与实施、公民交通安全意识、汽车安全性能等诸多因素影响，研究工作的复 杂性是显而易见的。目前，我国的行人保护工作才刚刚起步。因此，行人交通事 故特征及保护行人的汽车安全结构的研究，具有极为重要的经济及社会意义。 1 2 研究背景 行人碰撞安全保护的研究起源于1 9 7 0 1 9 8 0 年初，欧盟会员国在其欧洲车辆 安全促进委员会( e u r o p e a ne n h a n c e dv e h i c l e s a f e t yc o m m i t t e e ，简称e e v c ) 中设立 了e e v cw g l 0 工作小组，负责研究有关行人碰撞保护的试验方法。目前，被动 安全中行人保护研究工作主要集中在以下四个方面： ( 1 ) 深入的事故调查； ( 2 ) 损伤生物力学； ( 3 ) 行人法规； ( 4 ) 保护行人的车辆前部结构设计。 其中，深入的事故调查及损伤机理研究是行人法规制定的依据；车辆前 部结构则针对法规进行设计改进；最终，深入的事故调查分析及损伤机理研 深入的事故调查与行人头部损伤防护研究 究又将对车辆前部结构保护行人的有效性进行评估，促使法规及车辆结构改 进的进一步发展。四个方面的研究相辅相承，将促使行人保护的研究的逐步 深入。 1 2 1 深入的事故调查 深入的事故调查主要包括事故数据统计分析以及事故重建。 行人事故数据统计分析主要根据交通流行病学，分析行人事故的特征，如伤 亡行人的年龄分布、事故车型的特征、行人碰撞损伤部位及严重度等。 德国g i d a s 数据库显示，行人事故中车辆7 5 为乘员车辆，其中主要包含轿 车、s u v 及m p v ( 图1 1 ) ，而发生碰撞的位置5 4 位于车辆前部( 图1 2 ) p j 。 口乘员车辆 工程车 口轻卡n _ 你巴士 口卡车及其他 摩托车 口单车 - 未知 图1 1 碰撞车型分布 图1 2 车辆碰撞位置分布 表1 1 行人人体各部位损伤统计6 l 行人事故中，行人损伤部位主要集中在下肢与头部( 表1 1 ) 【6 1 ，其中造成行人 死亡的最常见部位是头部。而造成头部损伤的最主要的车辆结构部分为挡风玻璃 ( 3 3 5 ) ，发动机罩和翼子板表面( 1 9 5 ) ，以及挡风玻璃边框和a 柱( 1 7 2 ) ；引 言其械僦胧糊 囝口口弘 硕士学位论文 起腿部损伤的是保险杠( 6 1 2 ) 和发动机罩垂直部分( 1 2 1 ) j 。 行人事故重建主要包括推算汽车的初始速度、汽车的碰撞速度、反应地点、 碰撞点、行人的行走速度和方向等，透彻地了解碰撞行人事故的碰撞或初始接触 的过程是分析行人交通事故的重要环节，事故再现的基础是事故现场的勘查物证 ( 如痕迹、证据) ，勘查的重要内容涉及到工程、医学、天气方面、心理学方面等【8 j 。 详尽的事故数据信息是事故重建真实性的前提，通常需采集的主要事故数据，如 表1 2 。 表1 2 行人事故信息采集表 目前，基于事故调查的用于事故重建研究工作的行人多刚体模型( 图1 4 ) 主要 有以上几种9 1 ，并且鉴于儿童与成人生物力学响应特性的区别，各种模型均分成人 与儿童分别建模。本文采用的行人模型为a 中所示瑞典查尔摩斯大学的 c m p ( c h a l m e r sp e d e s t r i a nm o d e l ，y a n ge ta 1 ，19 9 7 ) ，良好的生物逼真度已使 其广泛用于行人事故重建研究【10 1 。 ( b )( c )( d ) 图1 4 常用行人多刚体模型 ( a ) 瑞典c h a l m e r s 大学行人模型( y a n ge ta 1 ，1 9 9 7 ) ( b ) t n o 行人模型( t n o ，2 0 0 1 ) ( c ) j a r i 行人模型( n e a l ee ta 1 ，2 0 0 3 ) ( d ) 澳大利亚a d e l a i d e 大学行人模型( g a r r e t t m ，19 9 8 ) ( e ) 本田行人模型( o k a m o t oe ta 1 ，2 0 0 0 ) ( e ) 深入的事故调查0 行人头部损伤防护研究 1 2 2 损伤生物力学 碰撞事故中，人体暴露在一个机械冲击载荷的环境中，在惯性力和接触力的 作用下，人体的各部分组织将产生一定的生物力学响应；若生物力学响应使人体 组织超过可以恢复的限度或导致解剖学组织破坏或使正常生理功能变化或丧失， 就会造成人体损伤；人体组织在碰撞过程中所包含的相关力学问题称为损伤生物 力学。损伤生物力学是汽车被动安全性研究中人体损伤防护的重要理论基础之一， 其主要研究内容包括人体各部位的损伤机理、人体在冲击载荷下的耐受限度、损 伤评估标准、损伤准则的研究和制定以及在汽车安全开发研究中的应用等。 就损伤评估标准而言，可从力学、生理学或社会学的角度对人体功能丧失、 解剖结构损坏、社会经济损失等进行定量表示。从这些角度出发，损伤评估标准 可分为三类： ( 1 ) 解剖学尺度：按损伤发生的部位、损伤类型和损伤程度来评定。这种评定 标准用损伤本身而不是损伤产生的后果来衡量受伤程度。这类损伤评定标准中最 有名的是简略损伤标准a b b r e v i a t e di n j u r ys c a l e ( a i s ) 。 ( 2 ) 生理学尺度：按损伤导致人体生理学变化的程度来评定；其评定值会在损 伤的治疗期间变化。这类标准中的代表是格拉斯哥昏迷分级g c s ( g l a s g o wc o m a s c a l e ) 。 ( 3 ) 社会学尺度：主要按对伤员和社会造成的损害来评定。这类标准并不对伤 害本身进行评定，而是评定伤害对伤员造成的经济损失、生活质量损失和对社会 造成的损失。其有i c s ，i p r ，h a r m 等。 其中简化伤害标准a i s ( 表1 3 ) 是目前广泛采用的交通伤等级衡量指标，其从 损伤生物力学角度出发，根据器官、组织的损伤程度量化分级。它是由美国医学 会和美国汽车医学学会于1 9 6 9 年邀请了各专科医学专家，结合他们自己的实践经 验，查阅对比了数千例不同类型的创伤资料，制订而成，并成为了现代医院内创 伤评分的基础。a i s 大体将损伤分为8 个等级，等级编号本身没有含义( 表1 3 ) 。 表1 3a i s 损伤分类标准 a i s 损伤程度 无损伤 轻伤 轻微伤 重伤 严重损伤 致命伤 死亡或明显不能救活 4 o 2 3 4 5 巧 硕士学位论文 1 2 3 行人安全法规 1 2 3 1e c 指令 为大幅度降低行人死亡人数，2 0 0 3 年1 1 月1 7 日，欧洲联盟的权力机关 欧洲议会( e c ) 颁布行人安全技术指令“2 0 0 3 1 0 2 e c 与机动车辆发生碰撞前和发生 碰撞时对行人和其他易受伤害的道路使用者的保护【1 2 1 。e c 指令分为两个阶段执 行： 第一阶段( p h a s e1 ) ：到2 0 0 5 年7 月1 日为止，欧洲汽车工业协会( a c e a ) 成员 中所有新车型都必须通过2 项部件冲击试验( 下肢和儿童头部) 。到2 0 1 0 年7 月1 日为止，所有新车中的8 0 必须通过试验，2 0 11 年达到9 0 ，到2 0 1 2 年达到1 0 0 。 第二阶段( p h a s e2 ) ：到2 0 0 5 年7 月1 日为止，所有新车型都必须通过全部4 项部件冲击试验。到2 0 1 0 年7 月1 日为止，所有新车中的8 0 必须通过试验，2 0 1 1 年达到9 0 ，到2 0 1 2 年达到1 0 0 。 成人头部 图1 5 子系统冲击器试验 “2 0 0 4 9 0 e c ，指令明确了各个阶段的测试方法【1 3 1 ，采用了欧盟e e v cw g l 7 工作小组的测试方案【14 1 ，包括三个子系统试验：头部冲击器、大腿冲击器以及腿 部冲击器碰撞试验( 图1 5 ) 。其中头部冲击试验相关参数见表1 4 1 5 。 表1 4e c 指令p h a s e1 头部冲击器试验条件与要求 深入的事故调查与行人头部损伤防护研究 表1 5e c 指令p h a s e2 头部冲击器试验条件与要求 试验项目儿童头部冲击器 成人头部冲击器 冲击器质量 碰撞速度 碰撞角度 w a d l 0 0 0 至w a d l 5 0 0 或发w a d l 5 0 0 至w a d 2 1 0 0 或 应用区域 动机盖后缘参考线b r r发动机盖后缘参考线b r r 测试要求hicsl000 而绕转距离( w a d ) 是指碰撞过程中行人躯体与车体表面碰撞接触所包络的曲 线距离( 图1 6 ) 。 图1 6 绕转距禹定义 1 2 3 2e u r o n c a p 测试 相对于官方的2 0 0 3 1 0 2 e c 指令，创始于1 9 9 7 年的e u r o n c a p 碰撞测试则是 以消费者角度针对汽车安全性进行评价的非官方组织。其将所获得的车辆评估公 布于网页上，供大众作为购车参考，有着广泛的影响力。与欧洲2 0 0 4 9 0 e c 指令 相似，e u r o n c a p 行人测试规范也采用e e v cw g l 7 工作小组提出的测试方法，其 测试条件与e c 法规第二阶段相似，并设定了具体的评分方法量化评价车辆行人保 护的性能。 a c 田 d 2 1 0 0 姗 钾 d 1 8 0 0 m 四 d 1 5 0 0 皿b 例1 2 5 0 m 刚国1 0 0 0 u n 图1 7 头部碰撞区域划分 6 g 几 幽 m 酽 蚴 舒 g n 鲰 舻 勰 嘶 如 硕士学位论文 e u r o n c a p 头部碰撞区域如图1 7 所示，其由侧面参考线以及w a d l0 0 0 m m 和w a d 2 10 0 m m 围成，其中w a d l0 0 0 15 0 0 m m 为儿童冲击器试验区域， 1 5 0 0 2 1 0 0 m m 为成人头部冲击器试验区域【l5 | 。图中a 、c 碰撞区域分别代表成人 与儿童头部碰撞区域，均从左至右划分为六个小区，每个子区域又划分为a b c d4 个子区。 如图1 8 ，e u r o n c a p 规定在儿童和成人头部的1 2 个区域内任意选择一点作 为碰撞点，儿章头部碰撞点至少距离发动机罩侧参考线6 5 m m ，且两点之间的间隔 至少为1 3 0 m m ；成人头部碰撞点至少距离发动机罩侧参考线8 2 5 m m ，且两点之间 的间隔至少为16 5 m m ，a 柱附近可不受此条件约束；且每个碰撞点都应选择最有 可能造成较大伤害值的点。 此外，除e u r on c a p 规定的1 2 个测试点外，厂家可自行增加测试点；如果 碰撞点选择在挡风玻璃区域，则不进行试验，直接得2 分；如果碰撞点选择在a 柱区域，则也不进行试验，直接得0 分。单个试验点最高得分为0 5 ，若未增加试 验点，每个子区最高得分为2 分，则儿童及成人碰撞试验最高得分均为12 分，具体 测试要求及评分方法如表1 6 。 域 专磊雾冀赛字1 羹虽誉 图1 8 头部碰撞点标记方法示意图 表1 6e u r o n c a p 头部冲击器试验条件与评分方法 试验项目儿童头部冲击器成人头部冲击器 冲击器质量 碰撞速度 碰撞角度 应用区域 评分方法 w a d l 0 0 0 至w a d l 5 0 0w a d l 5 0 0 至w a d 2 1 0 0 h i c 1 3 5 0p = 0 1 0 0 0 h i c t = ，：j 月小。时，否定凰，即该变量的回归系数对回归值影响显著。 本节将运用此方法分析内外板厚度参数对h i c 值及侵入量的影响，仿真结果 4 9 深入的事故调查与行人头部损伤防护研究 如表5 1 5 2 。 表5 1 内外板厚优化中h i c 值 表5 1 5 2 分别显示了以p l 、p 2 、p 3 三点及总体评估值、r 为评价指标的内 外板厚度优化中总共2 7 组仿真的h i c 及侵入量变化情况。从输出结果来看，由于 单独提取发动家罩分析，发动机罩下无硬点，因而拥有足够的吸能空间，h i c 值 均低于1 0 0 0 ；而内板侵入量在3 5 9 0 m m 之间变化，这表明若要达到较理想的吸能 效果，发动机罩w a d l5 0 0 m m 后部分需提供9 0 m m 左右的吸能空间。 由图5 1 4 所示h i c 总体评估值t 的折线图可知，外板厚度不变时，随着内板 厚度的减少h i c 值不断降低；同样，内板厚度不变，随着外板厚度的减少h i c 值 也有不断降低的趋势。 硕上学位论文 5 5 0 5 0 0 u4 5 0 王4 0 0 3 5 0 3 0 0 5 5 0 5 0 0 u4 5 0 王4 0 0 3 5 0 3 0 0 0 60 70 8 内板厚度( 姗) 0 60 70 8 外板厚度( m m ) 0 6 胁_ 0 7 胍 o 日肌 图5 1 4 内外板厚度对h i c 值影响 9 0 8 5 8 0 豁 6 5 6 0 5 5 0 6o 70 8 内板厚度( m m ) 5 1 深入的事故调查j 行人头部损伤防护研究 9 5 9 0 8 5 删8 0 f o o l = 1 0 9 2 回归系数显著性检验：t 1 = 7 6 9 t o 0 1 = 3 7 ，t 2 = 1 4 8 6 t o 0 1 = 3 7 ( 2 ) 侵入量与内外板厚度关系： y 2 = 1 7 2 7 8 5 7 4 8 x l - 8 4 3 2 5 x 2 回归方程显著性检验：f = 5 1 2 9 3 f o o l = 1 0 9 2 回归系数显著性检验：t l = 1 8 0 4 t o 0 l = 3 7 ，t 2 = 2 6 4 7 t o 0 1 = 3 7 式中y 1 为h i c 值，y 2 为侵入量，x l 为外板厚度，x 2 内板厚度，侵入量、内外 板厚度单位均为m m 。由回归方程及回归系数的显著性检验可知，两个自变量x i 、 x 2 都与因变量有线性关系；且自变量x l 、x 2 对y 影响显著，不应剔除。同时两方 程中均有t 2 t l ，由此可得出结论，内板厚度参数对侵入量及h i c 值影响均大于外 板。 5 3 发动机罩铰链结构改进 发动机罩铰链设计是行人头部保护设计的一个关键点，由于刚度较大，这个 区域的h i c 值通常偏高，适当的铰链刚度和有效的吸能能力是降低该区域h i c 值 的有效方式。本文铰链设计的主要目的是降低铰链区域的刚度_ 从而降低h i c 值。 5 2 硕士学位论文 5 3 1 铰链结构改进 由于本文基于已完成设计的车型进行行人安全性能的改进设计，铰链安装空 问大小相对固定，无法提供复合铰链足够的安装空间。因此，生产实际改进时， 通常基于原有铰链采用单一变形形式的铰链改进方案，如图5 1 6 所示为铰链侧面 图，方案一只改变铰链与车身相连接的部分；方案二则改进了整个铰链。 b ) 方案一 c ) 方案二 图5 1 6 铰链改进方案 如图5 17 ，车身侧铰链部分1 处中部挖孔且设计成溃缩槽形式，更容易变形 吸能以及降低碰撞加速度；车身侧铰链部分2 处折叠弯曲形式的辅助支撑结构能 有效地吸收能量，缓冲发罩侧铰链部分向下运动；发罩侧铰链部分3 微量倾斜弯 曲，可有效的将竖直方向的载荷转化为斜向力沿发罩侧铰链部分传递到车身侧铰 链部分，从而使l 、2 处最大程度地发挥吸能能力。 图5 1 7 吸能铰链设计原理 5 3 2 改进效果分析 如表5 2 所示铰链改进方案仿真结果与初始情况的对比。对于p 1 ，p 2 点，改 深入的事故调查与行人头部损伤防护研究 进后h i c 值反而有所上升，这是因为p 1 、p 2 点远离铰链区域，但由于铰链刚度降 低，同样的变形空间所吸收的能量降低，导致发动机罩内板与硬点接触时能量相 对较大且时间较长，从而导致h i c 值增加。但其值均保持在1 0 0 0 以下，对于 e u r o n c a p p 行人保护性能评价影响不大。对于在铰链附近的p 3 点，由于铰链刚 度的降低和其吸能及变形能力的提高，为铰链附近点碰撞提供了相对较多的变形 空间，因此h i c 值有显著降低。而用于整体评价的值，两种改进方案其值均有 所降低，其中第二种改进方案效果较显著，其使p 1 、p 2 点h i c 值保持在1 0 0 0 以 下，p 3 点h i c 下降了约1 5 低于了2 0 0 0 ，值低于1 3 5 0 。 表5 2 铰链改进仿真分析结果 6 憾 缎 口 r 舍 越 制 口 r a ) p 1 点加速度曲线对比 b ) p 2 点加速度曲线对比 硕士学位论文 6 蜊 删 r 时同( m s ) c ) p 3 点加速度曲线对比 图5 1 8p 1 、p 2 、p 3 点加速度曲线对比 图5 18 a c 为不同铰链结构下p 1 、p 2 、p 3 点的加速度曲线对比。对于p l 点， 由于变形空间充足，加速度曲线均较为理想。初始时刻峰值原型为1 4 5 4 9 ，改进 方案一为1 4 6 4 9 ，改进方案二为1 5 2 4 9 ，如5 1 4 所述初始峰值稍大有利于h i c 值 降低。紧接着的内外板接触二次峰值分别为9 8 2 2 9 ，9 9 8 4 9 ，9 8 4 8 9 ，各值均稍大于 其后较平稳的变形吸能阶段加速度值，且波形较窄，对h i c 值影响不大。 而p 2 点原型、方案一和方案二的初始峰值分别为1 4 8 7 、1 4 6 0 、1 5 6 3 9 ；内 外板接触时峰值分别为1 0 2 2 、1 0 8 6 和11 3 0 9 ；而第三个波形较长峰值较大的为 减震塔与发罩接触产生的，其值分别为1 1 3 7 、1 2 0 1 、1 1 8 9 ，如图5 1 5 b 。图5 1 9 中第三个峰值附近时刻发罩z 向侵入量的云图显示两者接触后在硬点的支撑下发 罩变形明显向车辆左边减震塔反方向扩散。 e i 篡 争+ - ：2 铭7 治 eo 。o ： 鼍黧 。喇。，蔫躜器 f r 甜，崎2 图5 1 9p 2 点发动机罩z 向侵入量云图 p 3 点位于铰链区域，为铰链改进的主要目标区域，是对此次铰链改进吸能评 价的主要碰撞点。该处发罩内外板间有铰链加强板，而内板下又存在铰链，刚度 较大，变形空间不足，加速度波形接近单波峰形式，其对于三种方案的峰值分别 为2 3 6 4 、2 4 0 0 、2l5 7 9 。而方案一中峰值虽较原铰链时稍大，但其作用时间较短， 深入的事故调查与行人头部损伤防护研究 从而碰撞h i c 值较原铰链情况有所降低。相比较而言，方案二对于降低头部损伤 h i c 值有着更为显著的作用。 5 4 主动式发动机罩 5 4 1 主动式发动机罩原理 图5 2 0 弹出式发罩系统示意图 主动式发动机罩系统由传感器，嵌入运算公式e c u 和升起发动机罩的执行器、 连接铰链组成5 2 1 ，如图5 2 0 。通常，系统采用位于保险杠的传感器检测行人，如 果发生碰撞，信号送达升起发罩的执行器，从而使发动机罩抬起。 5 4 1 1 响应时间确定 如图5 2 1 所示，弹出式发动机罩系统的响应时间包括触发时间、执行器展开 时间应小于头部与发罩的接触时间【5 引。当然传感器必须能判定是否与行人碰撞， 否则，如果车辆与刚性墙类物体碰撞，发动机罩弹出会引起更大的车身变形从而 增大乘员损伤的风险【5 4 1 。 s t ：传感器反应时间d t ：执行时间 t r t ( 总的响应时间) = s t + d t h i t ：头部碰撞时间 图5 2 3 系统响应时间 根据已往的研究，l i ua n dy a n g ( 2 0 0 1 ) 报告在一个7 岁儿童、车速4 0 k m h 事 故中头部与发动机罩的碰撞时间为6 0 m s ，9 岁儿童3 0 k m h 事故中头部与发罩碰撞 时间为9 0 m s 【5 ”。文献 5 3 】的研究中，用一名6 岁儿童模型与轿车在车速4 0 k m h 时发生碰撞，其头部与车辆发动机罩的接触时间为5 8 m s ，如图5 2 2 。因此，由于 硕士学位论文 该机构的设计是为普遍应用于各种车型，整个运行过程应在6 0 m s 以内，设定执行 器弹出发动机罩的时间为3 0 m s 左右；而考虑到系统响应的空白时间，车速4 0 k m h 时触发时间应少于l5 m s 。 图5 2 2 六岁儿重碰撞仿真 5 4 1 2 发动机罩抬升装置 目前，发动机罩提升装置的执行器有许多种类，如安全气囊、由微量气体生 成器和推动轴组成的热执行器、电控马达以及预加载弹簧阻尼执行机构。本文采 用弹簧阻尼单元模拟主动式发动机罩的执行器。而发动机罩铰链有限元模型如图 5 2 3 所示，当弹簧被释放后，铰链的剪切销在力的作用下断裂使发罩能在铰链旋 转范围内自由运动。 a ) 碰撞前b ) 碰撞后 图5 2 3 主动式发动机罩铰链示意图 5 4 1 3 控制系统基本原理 控制系统的硬件结构框架如图5 2 4 所示，它主要由直流稳压电源电路、微处 理器、传感器、信号调理电路、采样保持电路、a d 转换电路、输出控制驱动电 路等几部分组成。 控制系统的工作逻辑如下：传感器实时地采集并输出与车辆制动加速度信号 成正比的电压信号，经过信号调整电路驱动放大后，a d 转换电路对放大后的模 拟电压信号进行a d 转换，使其变成单片机能够读取的数字信号，单片机对读入 的加速度信号按照一定的控制算法进行分析、处理后判断是否与行人发生碰撞， 如是，则发送信号给执行器，使电磁铁通电，并吸出插销，使发罩弹出。 5 7 深入的事故调查与行人义部损伤防护研究 图5 2 4 控制系统的硬件结构示意图 5 4 2 主动式发动机罩对于行人头部动力学响应的影响 为了分析弹出式发罩对行人头部动力学响应的影响，类似第三章所述车体模 型建立方法，本文建立了t o r u s 的多刚体模型，运用l u i sm a r t i n e z 等人总结的 e u r o n c a p 行人保护试验中部件力变形曲线设定了车体刚度，并通过改变发动机 罩弹出高度这一单一因子，分析它对行人头部动力学响应的影响。通过计算可得 到0 、2 5 、5 0 、7 5 、1 0 0 m m 弹出高度对应的发动机角度分为1 1 2 6 、1 2 5 、1 3 、7 6 、 l5 0 1 、1 6 2 7 度。采用第四章所述5 0 百分位多刚体行人模型，并由此建立发动机 罩弹出高度变化影响分析模型，如图5 2 5 ，其中h a 为发动机罩角度。 图5 2 5 发动机罩弹出高度变化影响分析模型 表5 3 发动机罩弹出高度变化对行人头部动力学响应的影响 发动机罩角度( o ) 弹出高度( m m ) 1 1 2 6 01 2 5 2 51 3 7 6 5 01 5 0 l 7 5 1 6 2 7 1 0 0 如表5 3 所示仿真分析结果，随着发动机罩弹出高度的增加，碰撞时刻逐渐提 前；同时，如图5 2 6 ，随着发动机罩弹出高度的增加，头部碰撞相对速度呈直线 下降趋势，这将有利于降低颅脑损伤的风险。而头部碰撞角度及w a d 受发动机罩 5 8 硕士学位论文 弹出高度的变化影响较小。由此可见，增大发动机罩弹出高度将使行人的头部动 伤风险的方向变化。 u2 bb u。，bl u u 弹出高度( r a m ) 图5 2 6 发动机罩弹出高度对头部碰撞相对速度影响 5 4 3 主动式发罩防护性能分析 5 4 3 1 模型建立 去除原行人头部碰撞模型车模中车身侧铰链部分，改用5 4 1 2 中所述铰链结 构，设定头部碰撞初始条件，如图5 2 7 所示为弹出式发动机罩p 1 点碰撞示意图。 5 2 7 弹出式发动机罩碰撞仿真模型示意图 时间( m s ) 5 2 8 弹出式发动机罩仿真位移图 5 9 损5 4 3 2 8 9 8 7 6 脑0 6 & & & & 一l l l 颅 合v越蹲靛罂覃：崔鼯水 低降朝值 应 响学力 一ee一漤q弭歌 深入的事故调食与行人头部损伤防护研究 仿真中赋予弹出结构弹簧部分不同刚度和阻尼值来进行预模拟，最终得到劲 度系数5 0 k n 、阻尼为0 6 5 的数值来模拟弹出结构，其时间位移图如图5 2 8 。仿 真中发动机罩弹出时间低于3 0 m s ，弹出高度于1 0 0 m m 左右，并且发动机罩弹出 后振动较小。因此，该仿真系数适用于主动式发动机罩的模拟。 5 4 3 2 对比分析 表5 3 弹出式发动机罩仿真分析结果 如表5 3 ，弹出式发罩的改进方法明显地降低了三点的h i c 值，并使它们的值 均低于1 0 0 0 。为进一步分析其防护性能，图5 2 9 5 3 1 列出了主动式发动机罩中三 个碰撞点加速度曲线与原型中曲线的对比。 图5 2 9p 1 点加速度曲线对比 如图5 2 9 ，对于p 1 点，弹出式与原型仿真中加速度初始峰值分为1 7 5 7 9 、 1 4 5 4 9 。而4 m s 以后平稳阶段弹出式发动机罩下加速度曲线值相对原型较低，这 也反映发动机罩刚度有了较为明显的降低，并提供了较好的吸能能力。 如图5 3 0 ，p 2 点中主动式与原型加速度初始峰值分为1 5 4 9 9 、1 4 8 7 9 。由加 速度曲线可以容易地发现，由于弹出式发动机罩下留有充足的变形空间，有效地 避免了发动机罩与减震塔处硬点相撞产生二次峰值，从而明显地降低了h i c 值。 硕士学位论文 令 毯 ! l f 口 r 图5 3 0p 2 点加速度曲线对比 由于弹簧的缓冲作用及可运动的铰链设计，铰链区域的变形空间得到了大幅 度地提高。因此，p 3 点中弹出式与原型仿真中加速度初始峰值分为1 4 4 5 9 、2 3 6 4 9 ， h i c 值也由原型的2 3 0 9 降到了7 0 0 ( 图5 3 1 ) 。 s 魁 蚓 亡i r 5 5 本章小结 图5 3 1p 3 点加速度曲线对比 本章简述了行人头部碰撞试验仿真模型的建立过程，同时简要说明了头部碰 撞中的加速度值的理想目标。由于本文研究是改进分析，为能够减少仿真次数， 同时有效地评估车辆前部结构的行人头部保护性能，文中选择了特征点进行测试， 并采用加权系数进行总体评估。 在介绍了各种头部保护的基本改进方法后，本章着重进行了发动机罩内外板 厚度对h i c 值及侵入量的影响分析和铰链结构改进仿真分析。在发动机内外板厚 度分析中，内板厚度参数对头部h i c 值和侵入量的影响大于外板。同时通过回归 分析的方法可以在保证内外板弯曲扭转性能符合条件的情况下，为合理地设计内 6 1 深入的事故调查与行人头部损伤防护研究 外板厚度打下基础，并进一步为车