面向行人保护的车辆主动弹起式发动机罩数值仿真

孙贺 汪家胜 董传林 王金成

摘要：
为研究在车辆碰撞过程中主动弹起式发动机罩对行人头部的保护作用，考查行人头部损伤指标HIC值，比较接触式和非接触式发动机罩抬升传感器的动作时序，仿真BUCK标准车模型撞击6岁儿童假人的冲击过程，得到传感器的最小反应时间，据此判断主动弹起式发动机罩的作用效果。采用LS-DYNA显式分析算法对某型轿车以45 km/h的初始速度撞击6岁儿童假人进行仿真分析，对比主动弹起式和非主动弹起式发动机罩的行人保护性能及其星级评定结果，由行人头部保护得分占比可知主动弹起式发动机罩可大幅提高行人头部碰撞保护性能。

关键词：
主动弹起; 发动机罩; 行人保护; 儿童假人; 头部冲击

中图分类号：
U463.833; TB115.1   文献标志码：
B

Abstract：
To study the protection effect of active hood on pedestrian head during vehicle collision， the HIC value of pedestrian head injury index is studied， and the action sequence of the contact and non-contact lift sensors for active hood is compared， and the collision process of the BUCK standard car model hitting the 6-year-old child dummy is simulated， and the minimum response time of the sensor is obtained， which is used to judge the effect of the active hood. LS-DYNA explicit analysis algorithm is used to simulate the collision of a car with initial speed of 45 km/h on a 6-year-old child dummy. The pedestrian protection performance and star rating results between active and non-active hood are compared. It can be seen from the percentage of pedestrian head protection ratio that the active hood can greatly improve the pedestrian head impact protection performance.

Key words：
active lift; hood; pedestrian protection; child dummy; head impact

0 引 言

中國汽车经过近几十年的发展，车内乘员保护技术日趋成熟，而对行人等弱势道路参与者保护的研究相对滞后，显著制约汽车碰撞中行人安全保护的评级。因此，作为一项重要的汽车碰撞安全性能，行人保护性能越来越受到重视。相关研究表明，在我国的道路交通事故中，汽车对行人的碰撞事故发生率超过20%;在道路交通事故死亡人数中，行人死亡占比高达30%。这些数据可以直观地反映我国公路交通秩序管理水平和力度的欠缺，以及对汽车在行人保护安全性方面的重视程度不足。

欧美国家和澳大利亚的汽车安全专家最早提出在汽车设计过程中考虑对行人保护这一概念，而后随着技术水平的提高，各国在该领域进行大量的研究工作，并制定相应标准和规范，应用最广的是欧洲新车评价规程（Euro NCAP）[1]。2009年，我国参照GTR9指令[2]，颁布GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》标准[3]，后续推出2018版中国新车评价规程（C-NCAP）[4]等。2021版C-NCAP草案拟定考虑两轮车行人头部保护，确定将行人腿部评价升级为aPLI腿型。aPLI腿型增加碰撞过程中行人上肢的影响因素，比Flex-PLI腿型具有更大的质量和冲击惯性，这对车辆的行人保护性能开发提出更高的要求。

C-NCAP行人保护评价试验包括头型和腿型。通过对行人事故数据统计发现，行人头部与汽车前部碰撞是主要的致死原因[5]，因此开发先进的主动弹起式发动机罩，提升车辆的行人头部碰撞保护性能，对于汽车行人保护开发具有十分重要的意义。

1 主动弹起式发动机罩原理简介

车辆的行人头部保护性能评价通常采用头锤壁障进行行人头型冲击试验。头型内部安装加速度传感器，用以采集质心处x、y和z方向的加速度，结合式（1）计算行人头部损伤指标HIC值，以此评估对行人的伤害程度。XHIC=（t2-t1）∫t2t1aRdtt2-t12.5

（1）式中：XHIC为头部损伤指标的值;aR为头部质心合成加速度;t1和t2为检测的加速度脉冲开始时间和结束时间，t1-t2≤15 ms。通过选取合适的时间区域t2-t1，可求取HIC的最大值。

当发生人车碰撞事故时，主动弹起式发动机罩能够自动升起，增加发动机罩与机舱的空间，避免行人头部与发动机舱内硬点接触。同时，通过发动机罩的变形，增加头部撞击缓冲，吸收头部的碰撞能量。采用发动机罩抬升技术可以大幅减轻行人的头部伤害。主动弹起式发动机罩技术有2种形式：气囊抬升式和机械抬升式。气囊抬升式发动机罩通过化学反应产生瞬时高压气体，推动发动机罩后端抬升，因此常为一次性使用的产品，保护区域较大，包含发动机罩、风挡下沿和A柱等;机械抬升式发动机罩通过释放加载弹簧或者高压气体抬升发动机罩，动作过程可逆，但保护区域仅为发动机罩区域。

2 主动弹起式发动机罩的行人头部保护2.1 主动弹起式发动机罩试验

2.1.1 主动弹起式发动机罩的行人探知

按照2018版C-NCAP管理规则，PDI2可作为最难探知行人假人用于评价主动弹起式发动机罩系统探知能力。如果车辆生产企业认为PDI2不适合作为最难探知行人假人，那么生产企业应证明系统能探知主动发动机罩起保护作用的所有身高行人。不同身高行人假人可以是6岁儿童假人、HybridⅢ型5百分位女性假人、HybridⅢ型50百分位男性假人或95百分位男性假人。应通过物理试验和数值模拟相结合的方式证明感应系统具有探知不同身高行人的能力。数值模拟结果中应包含系统探知PDI2响应信息以及不同身高假人的头部冲击时间。[4]

2.1.2 主动弹起式发动机罩的动、静态试验

对于装备主动弹起式发动机罩系统的车辆，如果车辆生產企业以数值模拟或其他可选方法证明在最小身高行人（一般为6岁儿童）头部碰撞到车辆（速度45 km/h）之前发动机罩系统完全打开并保持在预期的位置，那么所有的头型试验可在发动机罩完全打开状态进行，即采用静态试验方法进行评价。若某身高行人头部冲击时间HIT内主动弹起式发动机罩系统不能完全展开，则相应包络距离前面的网格点应进行动态试验。[4]

2.2 主动弹起式发动机罩抬升高度

主动弹起式发动机罩可在传感器系统感知到人腿与车辆的碰撞后，通过不同形式的抬升装置在70 ms内迅速地将发动机罩提升50～100 mm，从而避免行人头部撞击车辆坚硬的结构件或其他部件。[6]试验表明，发动机罩下方自由空间越大，人体的头部损伤指标HIC值越小。如果要使HIC值低于1 000，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70 mm和50 mm。[7]

本文模型车辆通过设置抬升机构（弹簧式机构或者气缸式机构）将发动机罩后端抬起70 mm。

2.3 传感器系统响应时间

在汽车与行人碰撞过程中，需要通过传感器探知行人撞击到车辆。传感器类型按照行人探知的时间起点可分为接触式和非接触式2种。接触式传感器探知时间的起点与行人碰撞时间起点相同。传感器的动作时序图见图1。THI表示从行人接触车辆到头部触及发动机罩时间，即行人头部冲击时间HIT;TS表示传感器探测到行人碰撞及ECU感应的时间;TD表示发动机罩系统动作时间。THI>TS+TD表示当发动机罩完全弹起后行人头部撞击发动机罩（图1a）;THI

如果头部撞击发动机罩时发动机罩还没有完成弹起动作，那么行人头部与发动机罩存在相向运动，会对行人造成更大的伤害。[8]苗强等[9]设计一种主动弹起式发动机罩，其中央控制单元在人车发生碰撞前约400 ms触发抬升机构，可有效改善行人头部保护性能;王宏雁等[10]设计另一种主动弹起式发动机罩，当车速为40 km/h时，车辆传感系统能够在距离行人6 m时做出判断并发出信号，此时距离人车碰撞还有540 ms时间，因此当行人头部接触发动机罩时，发动机罩已完全展开。

2.4 主动弹起式发动机罩HIT仿真

ZELLMER等[7]研究车辆以40 km/h速度与行人碰撞时，从行人接触汽车到行人头部接触发动机罩的过程中，当行人身高为152 cm时历时97 ms，当行人身高为177 cm时历时140 ms。身高越矮、车速越快，碰撞时间历程就越短。中国成年人身高统计显示，50百分位的女性身高为150.7 cm，50百分位的男性身高为167.8 cm。[11]

在与车辆碰撞过程中，3岁儿童假人的头部会与车辆保险杠发生碰撞，弹起式发动机罩不能对3岁儿童假人起保护作用;6岁儿童假人头部会撞击发动机罩前缘，故应将6岁儿童作为弹起式发动机罩保护的最小对象。对于主动弹起式发动机罩，传感器系统最难检测的行人HTD一般为6岁儿童假人，目前Euro NCAP选择PDI2模块进行HTD物理测试，用于代表6岁儿童假人。[12]

2.4.1 BUCK标准车模型HIT仿真

利用LS-DYNA显式分析算法，使用适用于轿车的BUCK标准车模型[13]，按照C-NCAP规定，以45 km/h的初始速度撞击6岁儿童假人[14]进行仿真。由碰撞过程仿真分析动画可以看出：0～30 ms主要表现为车前端与儿童腿部和髋部碰撞;60 ms左右6岁儿童头部撞击发动机罩;90 ms后儿童被车辆撞飞。BUCK标准车碰撞6岁儿童假人仿真动画截图见图2。

因此，对于通用轿车车型，6岁儿童头部冲击时间约为60 ms。对于采用接触式传感器的主动弹起式发动机罩，系统的总响应时间TS+TD不大于60 ms时可采用静态试验评估主动弹起式发动机罩车辆的行人头部伤害保护性能，否则应采用动态试验评估。对于非接触式传感器，因为系统可提前预判碰撞的发生，提前弹起发动机罩以保护行人，所以可采用静态试验进行车辆行人保护头部伤害评价。

2.4.2 具體车型HIT值仿真

为确定传感器类型，应明确判定主动弹起式发动机罩的行人保护头部测试方法，因此必须进一步进行具体车型的HIT值验证。以某品牌轿车模型为基础，采用LS-DYNA显式分析算法对该车型进行有限元仿真，该轿车模型以45 km/h的初始速度撞击6岁儿童假人的仿真动画截图见图3。约在50 ms时6岁儿童头部撞击发动机罩，80 ms后儿童被车辆撞飞，因此该车型6岁儿童的HIT值为50 ms。

结合主动安全技术，该品牌轿车采用非接触式传感器，标定该车型主动弹起式发动机罩的响应总时间TS+TD为70 ms，在雷达和摄像头等装置预判行人碰撞不可避免的情况时，提前触发举升机构将发动机罩抬起至上止点位置（设计最高处70 mm），因此该车型可采用静态试验方法进行行人头部伤害评价。

2.5 主动弹起式发动机罩行人头部保护仿真

2.5.1 有限元网格划分

以上述品牌轿车为基础，搭建该车型行人保护有限元仿真模型。为保证有限元仿真精度，对关键零部件如发动机罩、翼子板、通风饰板等采用4 mm单元尺寸进行精细网格划分。该有限元模型共计2 455 188个节点和2 821 244个单元。模型单元类型包括六面体单元、四面体单元、壳单元和节点刚体单元等。较复杂结构，如雨刮臂、前保险杠缓冲泡沫等采用四面体网格建模;结构较硬、碰撞过程几乎没有变形的发动机、蓄电池等采用刚体单元建模。

2.5.2 有限元分析模型

为提高仿真分析效率，建立该车型行人保护子系统有限元模型，见图4。有限元模型包括汽车A柱、设定弹起位置的发动机罩总成、翼子板、雨刮总成、前保险杠总成、前大灯、发动机、蓄电池和空气滤清器等部件。采用*BOUNDARY_SPC约束车辆模型截面处和减震器支架安装孔位置单元节点的自由度，仿真分析约束示意见图5。对于装备主动弹起式发动机罩的车辆，C-NCAP以未展开状态下的目标点为测试点。[4]

发动机罩总成和前保险杠总成是对行人保护划线和分析影响最大的结构，发动机罩总成包括发动机罩内板和外板、发动机罩锁和铰链等重要结构件，发动机罩总成有限元模型见图6。

主动弹起式发动机罩的抬升机构可以是弹簧式或者气缸式。通过抬升机构将发动机罩总成以发动机罩锁芯为轴心、沿车辆y轴（垂直于车身中垂面）向上旋转，将发动机罩后端z向提高70 mm。

2.5.3 关键算法参数选择

采用LS-DYNA显式算法对车辆进行行人头部碰撞保护工况仿真。对钢材和多数塑料件选择24号多线段弹塑性材料，材料参数定义时输入密度、弹性模量、泊松比、屈服应力和有效应力-应变曲线。为避免出现沙漏模式且提高计算效率，大变形件使用ELEFORM16的壳单元公式计算，其余选用ELEFORM2的壳单元公式计算。对于厚度大于1 mm的部件，在厚度方向采用5个积分点。分析时间步长DT2MS取-6.7×10-4，质量缩放仅仅施加在步长小于DT2MS的单元上，可节省计算时间。

2.5.4 仿真分析结果

提取分析结果，采用HyperView后处理模块提取头部碰撞加速度曲线，通过积分软件可一键获得每个头部碰撞点的HIC结果。综合所有头部碰撞点的得分，按照2018版C-NCAP行人保护评价规则，将所有网格点总分除以网格点总数得到头部碰撞得分率，得分率乘以满分12分可获得头部总得分。

未使用主动弹起式发动机罩时，该车型头部碰撞得分为6.05分;配备主动弹起式发动机罩后，该车型头部碰撞得分提高到8.51分，腿部碰撞按满分计。非主动弹起式和主动弹起式发动机罩行人保护性能对比见表1。非主动弹起式发动机罩行人保护最高得分率为60.34%，仅达到C-NCAP的4星水平;采用主动弹起式发动机罩后，行人保护最高得分率为76.74%，达到C-NCAP行人保护5星+水平。综合考虑车型整体结构变更最小，在不影响汽车造型风格的前提下，采用主动弹起式发动机罩方案，可使该车型行人保护达到五星及以上水平。

对比不同碰撞点的得分提高效率，非弹起式发动机罩和弹起式发动机罩的得分占比对比见表2。满分点的头部碰撞高分点占比明显提高，由8.40%提高到40.40%，增幅达32.00%;0.5分点的头部碰撞低分点占比明显减小，由28.70%减小到5.10%，降幅达23.60%。因此，主动弹起式发动机罩可大幅度提高行人头部碰撞保护性能。

3 结 论

基于某轿车车型，按照2018版C-NCAP评价规则，通过仿真分析计算其HIT值，对其主动弹起式发动机罩的行人保护性能进行仿真分析，并与非主动弹起式发动机罩的行人保护进行对比，研究结论如下：

（1）主动弹起式发动机罩的传感器类型有接触式和非接触式2种，非接触式传感器结合主动安全技术，提前将发动机罩抬起，可防止行人受到二次伤害，更有效地保护行人，是主动弹起式发动机罩的首选类型。

（2）将6岁儿童假人作为主动弹起式发动机罩车辆评价中的最小身高探知行人，在项目预研开发阶段，采用BUCK标准车模型预估主动弹起式发动机罩车型的最小HIT值，可用于指导主动弹起式发动机罩系统的开发，有效提高研发效率。

（3）配备主动弹起式发动机罩的车辆能够有效降低人车碰撞过程中对行人头部的伤害，尤其是在发动机罩后部和两侧硬点区域，头部碰撞保护效果提升明显，但对发动机罩前端区域的HIC值影响较小。

（4）基于该车型的行人头部碰撞分析，在不改变原车造型和总布置的前提下，主动弹起式发动机罩可显著提升行人保护性能。

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（編辑 武晓英）