发动机罩气囊在人车碰撞事故中对行人的保护作用

魏玉钊，曹军帅，任传波，孙志钏，吴凯伟, 颜廷浩

(山东理工大学 交通与车辆工程学院, 山东 淄博 255049)

汽车作为一种代步工具，在给人们出行带来方便的同时，也引发了大量的交通事故。在人车碰撞事故中，由于行人缺乏相应的安全保护措施，伤亡比较严重，因此我国在2009年制定了人车碰撞事故中行人保护标准[1]。在人车碰撞事故中行人身体各部位都可能会受到不同程度的损伤，其中行人头部是最容易受到重度损伤的部位(80%)，其次为胸部(7%)、脊柱(6%)及腹部(6%)；而受到中度损伤比例最高的部位为下肢(37%)，其次为头部(35%)[2]。通过对人体受伤位置的分析研究发现，头部受伤通常是与前风窗玻璃、发动机罩及A柱碰撞造成的[3]。为了降低人车碰撞事故中行人损伤，在前风窗玻璃下端与发动机盖上端设置安全气囊，使得人车碰撞事故中行人与发动机盖上部及前风窗玻璃进行“软接触”，可降低行人损伤。

1 行人与发动机罩气囊碰撞模型

1.1 行人碰撞模型

在碰撞实验中，行人碰撞模型的建立是仿真研究的基础，具有较高人体生物相似度的假人模型对仿真实验的精准性有很大的影响[4]。国内外在假人模型方面开展了大量的研究工作，已经取得了很大的成果，研发出了一系列的Hybrid假人模型。根据人车碰撞事故中行人身高及碰撞前行人状态统计情况：中等身高的行人(1.52～1.83 m)占据了人车碰撞事故中的72%，且有74%的成年行人处于行走或奔跑状态[5]。因此本文选用长度为1.67 m的HybridIII男性假人，并将假人模型经LS-Prepost前处理，调整为走路姿态。

根据人车碰撞事故中行人身体主要部位与车辆发生接触的分布情况，事故中行人与车身前部接触比例最高约占67.1%，并且有68%的行人是从侧面受撞[5]，则将假人模型放置在汽车正前方83 mm处，与汽车前保险杠呈90°夹角。

1.2 安全气囊模型

基于某款国产轿车的结构尺寸创建汽车模型，人车碰撞时行人主要与车辆前端发生接触，为了节省计算时间，对车辆前端主要部件进行创建，包括前保险杠、前防撞梁、大灯，发动机、发动机舱盖、前挡风玻璃等，其余部件进行简化处理。

安全气囊材料通过关键字MAT_FABRIC_(034)进行设置，采用平面卷绕式折叠法，展开形状为长方体，在车辆与假人模型接触的同时，气囊向挡风玻璃上方及发动机罩下方展开。气囊刚度参照某款国产轿车驾驶室安全气囊刚度参数进行设置，安全气囊气体流量曲线如图1所示。

图1 安全气囊气体流量曲线Fig.1 Airbag flow rate curve

通过关键字AUTOMATIC_SURFACE_SURPACE设置车辆与假人模型接触、AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE设置车辆自身接触、CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE设置气囊自身接触、AUTOMATIC_SURFACE_SURPACE设置气囊与假人接触。假人碰撞前姿势及安全气囊放置位置如图2所示。

图2 碰撞模型示意图Fig.2 Collision model diagram

2 碰撞仿真分析

将有无发动机罩安全气囊的汽车模型和假人模型分别在LS-Prepost中设置好相同的环境变量参数(碰撞车速40 km/h，保险杠前端距离假人模型右腿外侧83 mm，仿真时间300 ms)，然后导入LS-DYNA进行求解，得出仿真结果，对两种碰撞条件下假人头部、颈部、胸部损伤值进行分析比较。

2.1 仿真过程

图3 无发动机罩气囊人车碰撞Fig.3 The human-car crash without hood airbag

从图3无气囊人车碰撞仿真动画可以看出：人车碰撞后，假人运动包括直线运动和旋转运动。假人右腿膝关节首先与前保险杠接触，80 ms时大腿与发动机罩边缘接触，此时碰撞产生的冲击力大于人体与地面的静摩擦力，使得假人双脚与地面产生相对滑动，直至离开地面；130 ms时假人下肢产生向前的加速度带动上半身向汽车前部倾斜，臀部及右臂与发动机罩接触，随后头部与前风窗下端发生接触；200 ms时人体被抛向汽车行驶方向，身体以右臂为支撑，且头部向上掀起，颈部向下弯曲；275 ms假人开始向汽车尾部翻转。

根据无气囊人车碰撞仿真中假人头部碰撞点的位置分布，为保证假人头部更好的与安全气囊接触，将气囊安装在发动机罩上端，完全展开时气囊覆盖发动机后部及前风窗下部。由于假人头部在130 ms左右开始与前风窗玻璃接触，则设置气囊充气时间为70 ms。

仿真过程如图4所示，t=70 ms气囊完全展开，随后头部与安全气囊接触，头颈部陷入安全气囊中得到保护。

图4 有气囊人车碰撞Fig.4 The human-car crash with hood airbag

2.2 头部损伤对比分析

对于HybridIII碰撞假人，头部损伤程度通常用HIC值和3ms合成加速度来进行评价，其计算公式为

式中：t1到t2是碰撞过程中HIC计算值最大的时间间隔；a(t)表示头部的质心加速度，以重力加速度g为单位[6]。通过分析计算得出有/无发动机罩气囊人车碰撞事故中假人头部质心合成加速度对比结果，如图5所示。

图5 头部合成加速度曲线Fig.5 The curves of head synthesis acceleration

由图5可以看出两种碰撞情况下假人头部合成加速度曲线变化基本一致。无气囊碰撞条件下假人头部加速度，在110～122 ms出现最大加速度239.213 g，有气囊碰撞条件下在113～125 ms出现最大加速度109.877 g，相比降低了54.03%。同时有气囊碰撞条件下头部加速度曲线变化较为平稳，说明气囊的保护作用是因为将头部接触时间延长，使碰撞产生的能量较为均匀的分布在一个较长的接触时间内，从而减小头部受力[2]。结合仿真动画分析，由于安全气囊充气后的刚度低于前风窗玻璃，假人头部在接触前风窗玻璃达到最大加速度前与已经完全展开的气囊进行“软接触”，降低了加速度,使得头部损伤值HIC从2029减至838，相比降低58.7%，达到标准要求HIC值低于1000的规定，实现了保护头部安全的效果。

2.3 颈部损伤对比分析

在基础医学研究方面，一些研究者发现在颈部运动的过程中产生的弯矩会对人体颈部造成伤害，其内部的剪切力也会对各个组织造成严重伤害[7]。本文选用颈部剪切力和弯矩作为人车碰撞过程中假人颈部损伤情况的评价指标，经过仿真得出假人颈部剪切力和弯矩曲线，如图6、图7所示。

图6 颈部剪切力曲线Fig.6 The curves of neck shear force

图7 颈部弯矩曲线Fig.7 The curves of neck monment

由对比曲线可以看出两种碰撞条件下剪切力和弯矩曲线变化基本一致，无气囊碰撞条件下111～134 ms出现最大剪切力0.941 1 kN，114～149 ms连续出现最大弯矩和最小弯矩65.864 1 kN·mm、-34.474 9 kN·mm。有气囊碰撞条件下剪切力曲线变化较为平缓，最大剪切力减小40.66%，最大弯矩减小52.08%，最小弯矩减小15.56%。

结合仿真动画分析，假人头部在130 ms左右与前风窗玻璃开始接触，由于人车相对速度较大，产生的冲击力使得假人头部向前甩，颈部产生较大剪切力及弯矩，产生较大的弯曲变形。相对比在设置了发动机罩气囊的人车碰撞中，假人头颈部未与前风窗玻璃直接接触，而是陷在刚度较小的安全气囊中，抵消了部分冲击力，使得剪切力和弯矩都得到了降低，达到减小颈部损伤的效果。

2.4 胸部损伤对比分析

有研究表明胸部损伤对人的伤害严重程度仅次于头部，在人车碰撞事故中行人胸部直接与发动机盖及前风窗玻璃接触，造成胸骨断裂、内脏器官破损等伤害行为[8]。胸部损伤准则主要包括胸部3 ms准则和胸部压缩量，FMVSS208规定胸部3 ms内合成加速度不得超过60 g，胸部压缩量THPC(Thorax Perfor-mance Criteria)为胸骨相对于脊柱的压缩量[9]。以假人胸部变形量的绝对值表示胸部性能指标，THPC≤75 mm[10]。

如图8、图9所示，无气囊碰撞条件下胸部合成加速度在110～123 ms时出现最大加速度30.553 g，51～80 ms时出现最大扩张量4.90 mm，192～204 ms时出现最大压缩量3.00 mm。相比较有气囊碰撞条件下胸部在50～67 ms时出现最大扩张量4.70 mm，186～203 ms时出现最大压缩量3.90 mm，压缩量降低了4.08%，胸部合成加速度和变形量均符合安全标准。

图8 胸部加速度曲线Fig.8 The curves of chest synthesis acceleration

图9 胸部压缩量曲线Fig.9 The curves of chest deflection

结合仿真动画分析，由于假人侧面先受到撞击，胸部侧面与发动机罩发生碰撞使得胸部产生扩张变形，在碰撞过程中冲击力使得假人产生旋转运动，随后胸部正面与发动机罩发生接触，产生压缩变形。在有气囊碰撞仿真中假人胸部在产生最大变形及加速度之前就已经与气囊进行软接触，避免了胸部与发动机盖直接接触，减缓了胸部加速度，达到了保护了行人胸部安全的效果。由于主要考虑头部保护，设置气囊刚度稍大，使得胸部压缩量增加了0.3 mm，后期可通过对气囊气体流量速率曲线进行优化解决此问题。

3 结论

通过对有无发动机罩气囊条件下人车碰撞事故进行仿真，并对结果分析得出结论：

1)车辆在时速达到40 km/h时的人-车正面碰撞中，车辆安装发动机罩安全气囊，且气囊充气时间为70 ms时与不安装发动机罩气囊时相比假人头部HIC值降低58.70%。假人头部最大合成加速度相比减小了54.03%。

2)车辆安装发动机罩安全气囊时假人颈部和胸部损伤情况较不安装发动机罩安全气囊时明显降低，其中颈部最大剪切力相比减小40.66%、最大弯矩力减小15.56%。胸部最大合成加速度和最大压缩量降低了19.63%和4.08%。证明车辆与行人发生碰撞时，发动机罩安全气囊能够一定程度上影响行人的运动姿态，并有效的降低人车碰撞事故中行人主要部位的损伤。