基于儿童头部碰撞保护要求的后退式前灯设计

李祥兵，王春才，王 坦，王全保，严永攀

(1.神龙汽车有限公司技术中心, 湖北 武汉 430050；2.东风汽车公司技术中心，湖北 武汉 430050)

引言

汽车在给人们生活带来便利的同时，也给人类的安全带来严重的威胁。多年来，因为法规的驱使以及市场竞争的需要，汽车安全方面的研究主要集中在保护驾驶员和乘客安全。随着人们安全意识的增强，行人保护变得日趋重要。在行人和车相撞的过程中，行人头部是伤害最多的部位之一。因此，研究人的头部在不同形式碰撞中的伤害机理、伤害极限、碰撞的机械响应特性对行人保护具有重要意义。汽车前大灯作为一种照明和信号工具，在行车安全中对保护驾驶员和行人也具有重要作用。在行人保护方面，目前的焦点集中在保险杠和机罩的研究，且已有非常成熟的设计规则和验证方法，但对灯具而言，目前还完全处于起步阶段。在一些主机厂的相关设计法规中[1]，对于前大灯的行人保护，也只是规定了在某一方向作用力下灯具应在多大的位移量范围内运动,但对其设计细节没有过多描述。本文基于以往的项目经验，提出基于行人保护的后退式前大灯设计，用于满足出口法规的需求。

1 汽车行人保护法规演变

近年来，汽车的行车安全一直强化行人保护方面的性能要求，欧标的行人保护已经成为中国的国标，并且在2010年实施。而GTR的要求和欧洲第一阶段的行人保护标准相同。欧盟2003 年颁布了2003/102/EC行人碰撞法规，该法规分两阶段执行。第一阶段由2005年10月1 日开始，第二阶段开始于2010年9月1日，欧盟成员国所有新生产的乘用车都要配备行人保护系统。两个阶段都包括头部试验、大腿试验和小腿试验，其中第一阶段头部对挡风玻璃的碰撞及大腿试验属监测范围，非强制执行[2]。

据欧洲委员会(EC)指令2003/102/EC称，从2005年10月1日开始的第一阶段中，所有在欧盟销售的新车必须符合新的行人碰撞法规，如图1所示。

图1 欧洲行人保护第一阶段图和第二阶段要求图Fig.1 Pedestrian protection requirement for phase 1 and phase 2 in Europe

在2010年开始的第二阶段，欧标要求根据碰撞严重程度完成5种试验，其中2项试验覆盖头部伤害，另外3项则重点关注腿部和骨盆伤害，有关成年人与儿童的标准也必须满足要求，如表1所示。在行人保护中，头部碰撞的具体要求用HIC(头部伤害指标：head injury criterion)值表示。HIC的计算公式如下：

(1)

其中，a为碰撞过程中的加速度。如果t2和t1的间隔大于15 ms，可忽略HIC值。欧盟关于行人保护定义了不同阶段的不同要求，如表1所示。

而GB/T 24550—2009借用GTR9《关于机动车碰撞时对行人及弱势道路使用者加强保护和减轻严重伤害的统一规定》[3，4]，目前仍为推荐性法规，它只规定了汽车发生碰撞时，对行人保护方面的技术要求和试验方法，并没有说明为满足行人保护要求，具体的零件如车灯应该如何设计。

表1 欧洲行人保护的头部碰撞性能要求

2 碰撞过程中车灯的影响区域界定

如图2所示，行人保护一般分为成人头部碰撞、儿童头部碰撞、大腿碰撞和小腿碰撞。各个碰撞区域的碰撞角度，碰撞速度和加速度如图2所示[5，6]。对前大灯而言，在车辆与行人发生碰撞时，根据具体车辆的高度和碰撞角度，核实前大灯是否在上述四种碰撞区域内，然后在整车上完成相关的数字验证和物理验证实验。一般而言，影响前大灯性能的头部碰撞主要关注儿童头部碰撞(影响最大)以及大腿碰撞(影响相对较小)对灯具的影响,如图3所示。

图2 行人保护的碰撞区域界定Fig.2 Crash area definition on pedestrian protection

图3 儿童头部碰撞区和大腿碰撞区Fig.3 Crash area for child head and upper leg

3 后退式前大灯设计

由于造型需求以及国标对前大灯的法规要求，前大灯部分位于行人保护的头部碰撞区域，尤其是法规规定的儿童头部碰撞区域。根据前文所述的HIC影响因子，为了满足行人保护的法规要求，减少行人头部碰撞的损伤值，必须减小碰撞时的加速度。当儿童头部与前大灯发生碰撞的时候，车灯灯体发生溃缩，形成头部和前大灯一起往X负方向运动的趋势。适当延长头部和前大灯碰撞距离，减少碰撞时候的头部加速度，在一定程度上可以减少头部的损伤值。

要尽可能减小碰撞过程中的加速度，设计方案需要满足如下要求：

1)前大灯安装固定支架必须弱化，以便在儿童头部碰撞瞬间车灯能发生变形和溃缩。

2)前大灯变形和溃缩要有足够空间，因此灯壳后部必须留有充分的空余空间，这样可达到吸收冲击能量的目的。

3)前大灯在发生碰撞后的后退运动过程中，不应该有刚性较大的零件与前大灯运动包络干涉或阻碍，以便碰撞后前大灯能更好的运动或旋转。

4)前大灯外透镜表面不应有凸出物或比较锋利的棱角，防止在碰撞过程中对人体造成致命伤害。

5)采用轻量化设计前大灯，减少前大灯碰撞过程中的惯性冲击力。

为了实现在碰撞过程中前大灯整体向后运动，前大灯的固定点需要设计成一种特殊的支架结构，即可修复性行人保护支架，以满足安装支架的弱化要求。在车灯与行人发生碰撞的时候，支架首先断裂，然后整个灯体沿着X负方向一起溃缩或者与保险杠一起发生X负向运动。为保证前大灯在发生溃缩后有足够的运动空间，要求前大灯后部(如后盖，电调等区域)保持120 mm的运动空间(即前大灯后部与周围环境件之间的距离至少为120 mm)。此外，为减少前大灯与翼子板、机罩和前保之间所形成的锐角区域，减少前大灯和引擎盖的重合区域，避免碰撞时的刚性接触，尽可能减少大灯与周围零件(机罩、翼子板、保险杠和格栅等)之间的运动包络干涉和造型锐角区域。此外，为满足前大灯的可变形要求，在满足前大灯自身关键性能(配光，耐热，密封，振动等)的情况下，需要采用一系列轻量化的策略来尽量减少大灯的重量,如减少前大灯面罩壳体的厚度，采用重量更轻的光源模组，或采用PC 材料,以满足耐热方面的设计要求。另外，对于采用双色注塑的车灯零件，应尽可能降低单层的注塑厚度，以减少大灯的重量，使得大灯在碰撞过程中的惯性冲击力尽可能降低，更好地实现灯具在碰撞过程中的完全变形和溃缩，如图4所示(带行人保护支架)。

图4 某款车型的行人保护支架Fig.4 Pedestrian protection bracket

设计值材料数目位置灯壳厚度3 mmPP+30%GF——透镜厚度2.2 mmPC——行人保护支架——1个翼子板上支架区域后盖与环境件距离125 mm———透镜外轮廓锐角区域——1翼子板区域

4 仿真分析

为了验证上述优化方案在车辆发生碰撞时对儿童头部的影响，采用模拟器对其进行模拟。通常而言，用于EEVC NCAP实验的标准儿童头型冲击器为铝制、均质结构，球形。直径为(165±1) mm；质量为(3.5±0.07)kg。相对于过质心且垂直于冲击方向轴的惯性矩应在(0.008～0.012) kg/m2范围内。儿童头部冲击器由后段支撑盘、模型本体、模型蒙皮、安装于基座上的加速度传感器构成。包括仪器的头型冲击器的质心应位于球的几何中心，偏差在(±2) mm 内。球体用(14±0.5) mm 厚的合成皮肤覆盖，覆盖面积至少为球体的一半[5]，模型如图5所示。

图5 儿童头部模型Fig.5 Child head model

根据NCAP头部模型有效性检测实验，对建立头部冲击器的有限元模型从376 mm的高度自由下落撞击刚性平面时，加速度峰值必须介于(225～275) g 之间，这样才能符合NCAP的设计要求。采用UG三维实体建模技术，将头部简化为包括粘接在一起的模型本体和蒙皮两层材料的实体模型，两者之间没有相对滑动。本体(实心球体)采用刚性材料，蒙皮为乙烯基非线性费弹性材料。具体参数如表3所示。

表3 儿童头部碰撞模型材料参数

头型冲击器在跌落时冲击器后表面与垂直方向夹角，对于儿童头部应在车辆纵向垂直平面内，相对于水平面的试验冲击角度为50°，冲击速度大小为9.7 m/s(NCAP标准)。对球体采用实体单元，前大灯需要壳体单元。在划分网格单元时，对球体采用了经纬式网格划分方法，对前大灯采用了规则影射网格划分法，以便节点分布更加符合力的传递和分布规律，力求结果的准确。经过网格划分，头部模型和前大灯模型分别有6 346个节点和7 843个节点。前大灯的具体材料参数，如表2所示。

在UG界面中，通过建立前大灯结构有限元模型和儿童头部有限元模拟模型，开展碰撞分析。首先需要确认前大灯的回退式结构的设计。运用有限元Anasys软件分析，记录碰撞各阶段前大灯安装脚的应力应变状态。在分析的过程中，在前大灯的安装支架断面上标识了6个位置，通过碰撞模拟，测试各时间段每一处测量断面位置上的应力，如图6所示。两个支架承受大部分载荷，在头部加速度出现峰值时，此时行人保护支架发生断裂，以保证头部伤害值满足相关法规要求，要满足此要求，应考虑此处的行人支架结构弱化。

图6 前大灯支架6个点对应的应力图Fig.6 Stress for 6 points on headlamp bracket

基于上述后退式前大灯支架结构模型，分析在碰撞过程中儿童头部受力情况，头部加速度，头部损伤值和头部位移。从图7可以大致看出，t≈8 ms，头部的最大受力为2.17 kN，头部的最大加速度为119g(其中g为重力加速度，g=9.8 m/s2)。

图7 头部应力和加速度曲线Fig.7 Curve for stress and accelerator

根据图7分析可以看出，头部位移的最大值为45 mm。头部损伤最大值HIC为1 735。综合上面的分析，后退式结构前大灯有利于在碰撞过程中保护儿童头部，并且基本满足EECV NCAP的标准。通过大量的数据看出，至少一半的儿童头型试验区域，HIC 值不大于1 000；至少三分之二的成人头型和儿童头型合计的试验区域，HIC 值不大于1 000，剩余区域的HIC 值不大于1 750。

5 结束语

本文基于欧洲关于行人保护的法规要求和现有的车型项目， 分析了行人保护在车灯方面的法规要求，提出了满足基本欧洲行人保护要求的设计规则，基于模拟验证了行人保护方面车灯相关参数设计的合理性，并得出了以下结论：

1)行人保护中最重要的控制参数是加速度，优化碰撞加速度可以作为优化行人保护设计的重要突破口。

2)通过设计和模拟分析，得出采用后退式前大灯设计方案有利于减少头部损伤值，并基本满足欧洲法规。