汽车行人保护开发与研究进展.doc

丝窒Design research汽车行人保护开发与研究进展刘庭志 陈吉清(华南理工大学机械与汽车工程学院 广州 510640)摘 要：行人保护是汽车安全技术领域的前沿和热点问题。随着各国立法的推进，各汽车厂商面临的行人保护压力将越来越大。现行主要法规有 EEVC系列、GTR、Euro NCAP等 。文中综述了国内外行人保护研究的最新方法和技术，展望了行人保护技术的发展趋势和方向。面向行人保护的被动安全技术核心在于碰撞能量的吸收，主要的技术路线包括新材料的应用和安全结构的改进。而能避免事故发生的主动安全技术将逐渐成为汽车安全领域研究的新趋势。关键词：汽车碰撞；行人保护；安全技术The LatestProgressofthe Research for Pedestrian Protection ofCarAbstract：Pedesian protection is the forefrontand hotissues ofautomotive safety technologyThe research ofpedesian protectionwillbemoreandmoreurgentashetlegislation forwardThereareEEVC series，GTR andEuroNCAP,etchT elatestresearch methodsnda techniquesathomeand abroad ofpedestrian protection weredescribedLook into het future ofpedestrian protectionhT e passive safety technology ofpedestrian protection lies in the absorption ofimpactenergy,them ain techn icalroute ishet application ofnew materials and hetimprovementof security structureIn order to avoid accidents，active safety technology hasbecoming het focusand trendsofhet automotivesafetyresearchKey words： Carcrash；Pedestrian protection；Safety technology前言行人是道路交通使用者中的弱势群体，人一车碰撞是以行人高致死率、高重伤率和高致残率为特征的碰撞。欧盟对道路交通事故分析显示，行人在交通事故中的死亡率是车内乘员的 9倍 。在我国，据中华人民共和国道路交通事故统计年报 (2007年度) 数据显示，2007年行人因交通意外死亡的人数为 21106人，占全部交通死亡人数的 2585，行人交通事故受伤人数为70838人，占全部交通受伤人数的 1862。在国外，行人占交通事故死亡人数的比例为：英国 21，德 国14，美国 11。汽车驾驶员摩托车驾驶员拖拉机驾驶员他机动车驾驶员非机动车驾驶员机动车乘员非机动车乘员行人U5lUlbZUZ530图 1 不同交通参与者在事故中的死亡比例Fig1 The death rate ofdifferenttraffic participants in the caraccident汽车从诞生至今，很长一段时问其安全性都是围绕如何保证车内人员的安全，而对如何保护车外行人则考虑甚少。直到上世纪 90年代行人保护才在欧洲被真正重视起来。随后各国的行人保护立法大大推进了行人保丽万方数据护技术的研究。今天，加强行人保护研究已成为各国、各汽车企业的共识，各种行人保护技术得以发展和应用。被动安全技术方面有日产、捷豹、本田等公司的主动弹升式发动机罩技术，本田的 GCON技术 ，福特的行人保护安全气囊等；主动安全技术方面有宝马的人车沟通系统、沃尔沃的碰撞警示系统(CWAB)等。1、行人保护研究方法行人保护的研究方法主要有试验研究和计算机仿真模拟两类。而研究领域已经拓展到了交通事故统计研究和人体损伤生物力学。试验研究一种是部件试验，一种是立姿假人试验。假人模型试验能够很好地再现行人在碰撞过程中受到的伤害及运动情况，确定车身撞击行人时的具体部位。李向荣，吕恒绪等 在对比研究了人体模块试验的局限性之后对立姿假人及其试验方法与装置进行了全面介绍。Denton公司设计的立姿假人以混合型假人为蓝本，在设计中考虑了假人与车辆的接触部位，以便于进行对假人头部和胸部伤害的评价。本田公司最新开发的PolarI型立姿假人具有更好的生物仿真性。除此之外，还有志愿者试验、人体尸体试验等方法。但出于安全和伦理方面的考虑较少使用。随着计算机技术的发展，计算机模拟在工程辅助分析中占有越来越突出的地位。行人保护研究方面的计算机仿真软件一类是基于多刚体系统动力学理论，如MADYMO。采用多刚体计算模型的优点是计算模型的建立较为方便，工作量小，计算快捷，可以高效率地了解行人的运动情况，但是对行人具体伤害情况的掌握却比较困难。另一类是基于有限元理论建模，如PAMCRASH。有限元计算模型可以精确地了解行人不同身体部位的伤害情况，从而更准确地评价车辆在行人保护方面的性能。但是人体有限元模型的建立十分复杂，涉及到生物力学和人机工程学等领域的复杂理论和试验数据，工作量很大，而且计算时间也相对较长。对已发生的大量交通事故进行调查、统计、再现，分析得出其中具有的普遍性规律，研究车辆碰撞与人体伤害之间的相关性联系，可以作为行人保护研究的辅助而进婴窒Design research性依据，也可用于验证行人碰撞有限元模型的有效性。国内外的许多研究成果已表明利用统计方法研究交通事故人车接触特点及人体损伤的必要性。交通事故信息的采集与分析方面，国内外已经做了大量研究。Hassan等 研究了面向道路交通安全研究的道路交通事故收集与分析。JianfengYao等 做了基于行人事故再现的头部伤害分析与研究。杨群印 提出采用序列线性规划的优化方法来再现真实事故，为快速的行人交通事故再现提出了一种新方法。而清华大学袁泉、李一兵等n已经着手构建汽车碰撞行人事故深入数据源，用于有关人车碰撞特点分析的研究。人J满大图2 实体人头部有限元模型Fig2 Head finite elementmodel汽车安全技术与人体损伤生物力学有着依赖关系，对汽车安全性能研发的成功与否，很大程度上取决于是否能通过人体损伤生物力学的损伤标准。人体损伤生物力学的科学研究和汽车安全的技术研发是保护乘员和行人安全的两大前提。JikuangYang等 研究了在不同加载条件下的人一车碰撞中行人的生物力学表现，包括动力学响应、损伤机理、耐受限度等。阮世捷，胡习之等 ”研 究了汽车安全与人体损伤生物力学的因果关系，指出实体人有限元模拟研究将是今后人体损伤生物力学研究中的一个重点。国外的韦恩州立大学、路易斯巴斯德大学、瑞典皇家工学院，国内的湖南大学、天津科技大学等建立的有限元模型处于领先地位。RuanS Jie等 朝人建立的有限元实体人模型己取得了在所有的碰撞模拟人中极高的仿生可靠性能。赵玮，阮世捷等提出了应用于头部损伤生物力学研究的三维模型的万方数据窒Design research改进方法，以建立具有更高生物逼真度的有限元模型。虽然至今仍没有完善的有限元模型来重构行人碰撞，但人体损伤生物力学的研究必将促进人体有限元模型的改善，具有高生物逼真度的有限元模型将可以替代一些昂贵的部件试验。2、行人保护技术的研究进展通过对交通事故数据的研究分析表明，头部和下肢是行人受伤害最多的部位。针对于此，目前国内外的行人保护技术主要有四个方面：一是汽车前端系统的改进；二是发动机盖的改进；三是行人安全气囊系统；四是车辆智能安全系统。21汽车前端系统的改进图3 基于行人保护的汽车前端系统Fig3 Carfront-end system based on pedestrian protection汽车前端系统包括保险杠面罩、缓冲装置、保险杠横梁、保险杠支架、纵梁等零部件，是人一车碰撞中首先与人接触的汽车部件，会造成行人腿部及膝盖的伤害。评价行人腿部的伤害指标有：膝部剪切位移、膝关节弯曲角度、胫骨加速度。基于行人腿部的伤害机理，目前的行人腿部保护技术主要集中在前端系统结构的改进和新材料的应用，以增加碰撞空间、提高吸能效果。徐中明，刘世谦等 建立了行人与汽车碰撞的多刚体模型，综合考虑行人头部与下肢损伤的保护，对汽车前部结构参数进行了多目标优化。仿真结果表明，发动机罩与水平面夹角对头部损伤有较大影响，保险杠离地高度显著影响下肢损伤指标。刘卫国、颜海棋等 提出了满足行人保护的汽车前端系统设计方法。研究表明车头平缓圆润的造型可以增加碰撞时腿部的接触面积，减小腿部伤害。先进的吸能型保险杠可以显著提高行人保护性能，目前主要技术有：液压缓冲吸能式、填充物吸能式 (由添加在横梁 内部的泡沫、树脂类填料变形而吸收能量)、结构吸能式 (利用薄壁钢的压溃特性)。添加副保险杠可以在碰撞过程中很好地支撑胫骨，防止它向保险杠下侧旋转，降低膝盖受到的侧向弯曲，减小膝关节弯曲角度。曾必强，胡远志等 研究了保险杠与车身连接方式对行人保护的影响，结果表明采用阻尼连接能够改善前端系统的行人腿部保护性能。22发动机罩的改进IHRA (国际协调研究组织 )的研究数据表明，头部在整个行人身体伤害区域中占到了 314，在行人致死的原因分析中，头部伤害占到了 62。造成头部伤害的主要部件是发动机罩和前挡风玻璃。基于行人保护的发动机罩技术主要有发动机罩及其铰链机构的结构与材料改进、弹升式发动机罩。图 4 欧宝蜂窝型发动机罩内板Fig。4 OPEL Hood Innerwith MultiCone Design影响行人保护性能的发动机罩参数主要有机罩质量、厚度，机罩刚度 (屈服极 限、弹性模量等)，发动机罩材料、结构等。葛如海、王广阔等 研究了铝质发动机罩的行人保护性能。研究表明铝质发动机罩具更良好的缓冲吸能性，能够更好地保护行人的头部。C Kerkeling 的研究表明采用蜂窝结构的发动机罩内板刚度均匀，具有良好的行人保护性能。张轶川I、朱西产等 的研究表明发动机罩减震胶的使用对改善行人保护性能有显著效果。赵桂范、崔东等 研究了使用夹层材料的发动机罩行人保护性能。除此之外，发动机罩蕊万方数据附近的硬点 (铰链、雨刮等 )u是行人保护设计的难点，将其设计成可压溃的吸能结构是解决方法之一。发动机罩结构与材料改进的核心是提高对行人头部碰撞能量的吸收，防止头部撞击硬物。头部模块冲击发动机罩的试验表明，发动机罩下方自由空间越大，头部伤害值(HIC)越小。当碰撞速度为40kmh时，要使 HIC低于 1000，那么成人头部模型与儿童头部模型对于发动机罩下的空间需求至少分别为70mm和 50mm。由于布置空间所限，很多汽车不能达到这个空间要求，导致碰撞时行人头部撞击发动机舱内的坚硬部件，造成行人头部的严重伤害。基于此开发的弹升式发动机罩能够显著地提高行人保护性能。王宏雁，朱育民等 对主动式发动机罩抬升装置的性能进行了评估，结果表明主动式发动机罩具有良好的行人保护性能。崔宇硕、张金换等 探讨了主动式发动机罩关键问题并提出了 AHLS(主动式弹升系统)的概念设计。发动机罩举升系统主要有火药式和机械式两种。本田的 “里程 ”、法 国雪铁龙的 “C6”、英国捷豹 的 “XK” 和 “XF”、日产汽车的 “SkylineCoupe”及 “FairladyZ”等都采用了弹升式发动机罩。除 C6外均为火药式 。而C6利用弹簧的力量掀起发动机罩，使用火药开锁。图 5 弹升式发动机罩原理图Fig5 The schematic diagram ofactive hood liftsystem23行人安全气囊系统乘员安全气囊系统已经普及，其安全性能也得到了验证和肯定。行人安全气囊则还处于研究发展阶段。目前行人安全气囊主要有发动机罩安全气囊和前围安全气囊。发动机罩安全气囊在两个前大灯之间的部位展开，由保险杠顶面向上伸展到发动机盖表面以上，保证Design research 上 窒 麟了儿童头部和成人腿部的安全。前围气囊系统的作用则提供二次碰撞保护，防止行人被甩到发动机罩上，然后被前车窗底部碰伤。图 6 安全气囊的行人保护效果Fig6 The pedestrian protection efectofairbag沃尔沃、萨博等公司成立了 IVSS组织进行道路交通安全研究，包括行人安全气囊的研究 。福特等公司已经在其概念车上装备行人安全气囊。24车辆智能安全系统车辆智能安全保障系统的发展，实现了对行人的主动保护，在事故发生以前就及时通知司机，避免车祸的发生，将事故的损伤降到最小程度。车辆智能安全保障系统是智能交通系统的一部分，它包括安全系统、危险预警系统、防撞系统等。通过安装在车身各个部位的传感器、激光雷达、红外线、超声波传感器、盲点探测器等，实时监控车辆周围的交通状况，对潜在的交通事故进行预判、预处理。宝马公司与德国政府合作开发的 Car-2一xCommunication 沟通技术，透过行人与车辆两者数据传输整合与追踪科技的运用，实现主动避免行人遭撞击意外与降低行人受伤程度。这套系统最核心的设计架构，就是为行人与车辆架构专属的 RF1D无线射频辨识系统，若 RFID系统侦测行人进入车辆行驶路线时，将立即透过车辆 HUD抬头显示器的警报系统提出警示。带全力自动刹车和行人探测功能的行人安全系统是沃尔沃最新推出的新一代碰撞避免技术。装此系统的汽车不仅能够对前方静止或行驶的汽车做出反应，还可以探测到任何身高 80厘米 以上的行人，并在发生碰撞前施加全力刹车，完全规避或最大可能减少事故发生的丽 百万方数据瓣鲨Designresearch壅伤亡程度。在车速小于每小时 35公里时，可使汽车避免与行人相撞。此外，奥迪的 “行人和骑车人安全技术”，奔驰 的“夜视辅助系统”，美国的 “高智能 InsuranceAvoid系统”也是主动安全技术应用的典范。图 7 宝马 Car-2一XCommunication人车沟通技术Fig7 The Ca卜 2一X Communication technology ofBMW综上行人保护技术的研究历史与现状，行人保护技术的发展趋势有：1翼子板、风挡玻璃下边缘、A柱等头部碰撞硬点的行人保护性能将得到改善。2基于碰撞安全的人体损伤生物力学研究将得到加强，更加接近人体损伤机理的碰撞 CAE模型将被开发。3针对行人保护的设计将提前到车辆的概念设计阶段，在车辆设计自由度丰富、改进成本低的阶段将行人保护的问题解决。4行人安全气囊和弹升式发动机罩相结合能够很好地提升车辆前部的行人保护性能。5车辆智能安全系统是车辆安全技术发展的最终方向。3、总结发达国家的行人保护法规已经陆续颁布并在不断完善中，我国的推荐性标准 汽车对行人的碰撞保护也已于 2010年 7月开始实施。随着行人保护法规的完善，将进一步促进行人保护技术的研究和发展。1现行最主要的行人保护法规是 EEVC 系列，随着汽车产业全球化和 GTR法规的发展，各国试验法规在试验项 目及方法上将趋于统一。2计算机仿真模拟方面：人体损伤生物力学的研究将推进行人碰撞模型的改进，具有高度生物仿生性的有限元实体人模型将取代现有模型；试验方面：立姿行人假人碰撞试验有望取代现有部件试验成为新的试验标准。3针对行人保护的设计将提前到车辆的概念设计阶段，在车辆设计自由度丰富、改进成本低的阶段将行人保护的问题解决。4车辆智能化是汽车发展的大趋势，基于 ITS(智能交通 )概念的车辆主动安全技术将成为新的研究热点。当前我国迫切的研究工作应围绕以下几个方面：1研究机构应与公安部门合作，尽快建立我国的交通事故数据库，进行有关人车碰撞特点及规律的研究，为行人保护的研究和法规的改善提供依据。2损伤生物力学研究方面应进行更多的动物试验和尸体试验来确定生物组织材料特性和力学参数，为有限元模型提供能够验证有效性的数据；研究其损伤机理，确定其损伤阈值。建立具有更