机动车与被撞行人保护研究——基于行人碰撞保护机动车发盖铰链区设计解决方案

文/祁鹤兴 贺春桃 于 峰

车辆的安全性是目前社会大众所关注的，安全性高也作为汽车重要的卖点之一。因此，对于汽车制造商而言，车辆的安全性设计显得尤为重要。随着现代汽车的发展，对于车内乘员的保护已经处于一个较高的水平，而路边的弱势群体——行人的安全性还处于一个待发展阶段。

据调查显示，行人在交通事故中的死亡率很高。2005年日本的比率为60%，美国为22%，法国为36%，英国为43%，德国为39%，而我国在2006年已达到了63%。在人—车碰撞事故中，对行人头部造成的伤害比例为30%以上，行人头部伤害导致的死亡比例达62%。

全球技术法规（GTR）、欧盟、日本、美国等地区和国家法规相继出台，我国也已于2009年10月正式颁布行人保护标准GB/T 24550-2009《汽车对行人的碰撞保护》，明确规定了对行人头部和腿部的保护要求。对于行人头部保护，要求头部伤害指标（HIC）15的三分之二区域不大于1 000，三分之一的区域不大于1 700。

本文提出了两种发盖铰链区域的设计，在满足强度可接受范围内，通过CAE软件分析优化结构来实现行人保护头部碰撞的要求。

一、行人保护模型的建立

1. 行人保护车辆模型

对于行人保护车辆有限元模型的形状、材料、厚度等所有信息均需与实车状态保持一致。同时，为了保证试验中汽车后部基本保持静止，需要约束模型后部6个自由度。

2. 行人保护头部模型

GTR9制定了交通事故中保护的相关标准，其中，对于行人保护也给出了相应的试验方法和评价标准。本文所使用的行人保护头部模型符合GTR法规的儿童头部模型（如图1所示）。质量为3.5 kg，冲击速度为35 km/h，冲击方向与水平夹角为50°。

图1 儿童头部模型

3. 仿真分析

确定发动机罩前缘基准线，并在基准线上选取铰链区域的撞击位置，标记为A。确定撞击点A的坐标，将头部移至撞击点A处。A点的头部加速度仿真结果如图2所示。

图2 撞击点A的加速度图

由图2可知，由于初始撞击时，发动机罩外板吸能不够，导致头部直接撞击至发动机罩下方的铰链处硬点，使得之后头部的加速度出现较大的峰值，头部的伤害值较大，不满足车辆的行人保护设计要求。 因此，对于发动机罩下方的铰链硬点处，需要进行改进来满足该位置的性能需求。

二、优化

发盖铰链区域实现了发动机舱盖的开启与闭合，须满足相关零部件的强度和疲劳耐久要求。一般车辆在发盖铰链区域（如图3所示）Z向刚度较大，溃缩空间小。在人—车碰撞中，当行人头部与发动机边缘铰链处接触时（如图4所示），导致头部HIC较大，超过法规规定值1 700，不满足性能需求。

图3 铰链与下部结构

图4 行人头部撞击发动机罩铰链区域

合理的铰链区域设计在碰撞中对行人头部的保护作用显得尤为重要。本文在进行铰链区域的设计时，提出了几种解决头部HIC值优化的方案。按照方案分别进行CAE分析。

1. 优化方案

方案一：在铰链的设计推荐降低前端翻边高度（见图5），以增加与下端结构间隙，保证行人头部与发盖板接触时，延长与下端结构的接触时刻，以达到降低头部HIC值的目的。

图5 铰链前端的翻边设计

方案二：由于铰链的下端通常为翼子板安装支架，故可以通过降低安装支架Z向的刚度设计，使得在头部碰撞时此区域变得易于压溃，从而达到降低头部HIC值效果。如图6所示，翼子板支架侧边开孔，Z向高度较高，易压溃，以降低刚度。

图6 翼子板支架开孔设计

2. 优化结果

为了验证上述方案的准确性，选取铰链区域的4个撞击点（见图7）进行分析验证。利用LSDYNA软件进行计算分析，并提取头部HIC值，得到如下结果（见表1）。

图7 发动机罩撞击点俯视图

表1 计算结果

由表1可以看到，头部模型在铰链区域的HIC值大大降低。

3. 试验结果

对于优化后的方案进行实车试验。图8 为撞击点1的仿真与具体试验对标的结果图。

图8 撞击点1的仿真与试验结果对标图

表2为铰链处的撞击点仿真结果与试验结果的对比。由于实际试验时可能存在误差，故仿真分析时将仿真撞击点偏移一点，进行计算结果对比。通过结果对比可以看出，在第一个波峰处，试验的加速度值为167 g，仿真原始位置的值为156 g，偏移后的位置的仿真值分别为：156 g和168 g。铰链处的加速度与试验的吻合较高。对于试验值误差分别为：0.6%、6.7%、0.6%。对于头部HIC值，试验值为1 574，初始位置仿真值为1 359，偏移后的位置的仿真值分别为：1 385和1 473。对于试验值的误差分别为：13.7%、12%、6.4%。铰链处的HIC也吻合得较好。同时，我们可以发现经过优化后的铰链处的头部HIC值都处于法规要求的1 700以内。

表2 撞击点1的加速度和HIC值对比

三、结 论

本文提出了对于发动机罩铰链区域的改进方法，并建立了相应的整车模型。通过仿真对比、试验对比，验证了模型的准确性。铰链的前端设计成翻边设计，增加与下端结构间隙，可以改善人车碰撞过程中对头部的保护性能。通过降低铰链下方翼子板安装支架Z向的刚度，使得此区域在头部碰撞时变得易于压溃，可以明显改善人车碰撞中头部的保护性能。