行人与汽车碰撞中头部伤害与保护的研究

2006年9月农业机械学报第37卷第9期行人与汽车碰撞中头部伤害与保护的研究乔维高　朱西产 【摘要】　对行人与汽车碰撞中头部保护研究方法进行了分析,建立了行人头部与发动机罩碰撞的数学模型和有限元模型,并进行了试验验证。

利用该模型研究了发动机罩参数的变化对行人头部伤害的影响。

关键词:汽车　碰撞　行人头部中图分类号:U 49112+5;X 91219文献标识码:AStudy of Head I n jury and Protection i nVeh icle -pedestr i an Coll ision sQ iao W eigao 1　Zhu X ichan2(1.W uhan U n iversity of T echnology 2.Ch ina A u to m otive T echnology &R esea rch Cen tre )AbstractB ased on the in troducti on and analysis of research m ethods abou t p edestrian head p ro tecti on ,th is p ap er bu ilds the m athem atics equati on s and FEA m odels and com p ares the calcu lating resu lts w ith the test resu lts abou t the co llisi on m odels betw een the p edestrian head and the engine hood .T he hood facto rs affecting the head in ju ry w ere analyzed ,w h ich include the po siti on of i m p act ,the th ickness of the hood ,cu rvatu re radiu s of the hood ,the length of the hood and the m aterial of the hood and so on ,and the am eli o rating m ethods fo r the head p ro tecti on w ere given .Key words V eh icle ,Co llisi on ,Pedestrian head收稿日期:20051111乔维高　武汉理工大学汽车工程学院　副教授　博士,430070　武汉市朱西产　中国汽车技术研究中心　研究员级高级工程师　博士,300162　天津市 引言行人与汽车碰撞中,行人的头部是最容易受到损伤的部位,而且往往是致命伤害。

当汽车碰撞速度达到40km h 时,行人碰撞头部伤害指数H I C 基本达到或超过人体头部严重伤害的界限值1000。

因此,对行人碰撞头部保护的研究很有必要。

1　行人头部保护研究方法行人头部保护的研究方法主要是采用人体部位的模型试验及计算机仿真试验研究。

根据EEV C 的要求,采用头部撞击器装置对汽车前部的主要部位进行撞击试验。

头部撞击器试验条件相当于行人与时速40km h 的汽车相碰撞时的事故形态,试验条件为:头部撞击器质量418kg ,撞击速度40km h ,撞击角度65°。

2　头部撞击力学方程和有限元模型的建立根据球体与薄板碰撞的力学原理[1],可以得到头部模型和发动机罩板的微分方程M 1x β1+R (x 1-A )=0M 2A β+k bA +k mA 3=R (x 1-A )(1)式中　M 1——头部模型质量M 2——发动机罩板的等效质量x 1——头部模型的位移k b ——发动机罩板的等效弯曲刚度k m ——等效薄膜刚度R (x 1-A )——头部模型的力位移函数A ——发动机罩板的变形位移利用式(1)可以对头部模型与发动机罩撞击中的力学响应进行计算。

利用M AD Y M O 软件[2]建立头部有限元模型,该模型是用橡胶层包围的刚性球体,模拟行人头部结构。

中间是个刚性体,头皮则由625个单元组成。

将发动机罩结构简化为薄钢板,板的有关结构及性能参数为:薄板厚度h =110mm ,罩板宽度b =1380mm ,长度a =1200mm ,泊松比Μ=0128,密度Θ=7833kg m 3。

成人头部模型质量图1　头部与发动机罩撞击模型F ig .1　I mpact models of head and hood为M 1=418kg ,撞击角度为65°,撞击速度分别为30km h 、40km h ,进行模拟仿真试验,并与撞击器撞击试验比较。

有限元仿真的模拟试验如图1所示。

3　试验结果比较头部模型与发动机罩撞击的数学模拟、有限元仿真及撞击器试验结果如图2所示。

图2　试验结果比较F ig .2Comparison of resu lts betw een test and si m u lati on(a )撞击速度30km h (b )撞击速度40km h可以看出,随着撞击速度的增加,头部受到的最大加速度也随之增加,从而对人体头部的伤害也随之增大。

从结果可以看出数学计算结果与试验结果差异稍大,在第1个加速度峰值处的趋势大致相同,而在后面基本上无第2峰值,但由于主要是第1峰值的影响,因此,数学计算方法可以定性地分析头部模型与发动机罩撞击的影响。

有限元模拟的结果与试验结果基本吻合。

从图中可以看出,模拟仿真的结果稍高于撞击器试验值,但其误差基本上都在5%以内,因此,该有限元模型的建立是较合理的,从而可以利用它进行进一步模拟试验研究。

4　发动机罩板主要参数对头部伤害的影响411　发动机罩长度对头部伤害的影响利用建立的数学模型和有限元模型进行撞击试验,发动机罩板其他因素不变,罩板长度a 分别为110m 、112m 、115m 时,得到的头部撞击加速度如图3所示。

图3　发动机罩长度变化时头部撞击加速度曲线F ig .3　H ead i m pact accelerati on in differen t hood length由图3可以看出,发动机罩长度对头部撞击加速度的最大峰值及最大峰值的时刻基本上无影响,主要对加速度的第2峰值有影响。

这是由于第2峰值的产生是因为罩板受到冲击后,所产生的弹性波将向罩板边界扩散,到达边界后再反弹回来,从而引起板与撞击器的第2次碰撞。

因此,发动机罩板越长,头部加速度第2次峰值出现的时间就越迟。

发动机罩板长度变化时,头部伤害指数H I C 值分别为992、990、986。

说明罩板长度变化对H I C 的影响很小。

罩板宽度对头部伤害的影响与之相同。

因此可以说发动机罩板的大小不是行人头部伤害的主要影响因素。

412　发动机罩板厚度对头部伤害的影响发动机罩板其他因素不变,罩板厚度h 分别为018mm 、110mm 、112mm 时,模拟得到头部模型加速度如图4所示。

图4　发动机罩板厚度变化时头部撞击加速度曲线F ig .4　H ead i m pact accelerati on indifferen t hood th ickness由图4可以看出,罩板的厚度对头部模型加速度的值,特别是加速度的峰值有很大的影响。

罩板厚度越大,加速度第1峰值就越大。

这是由于厚度增加,其罩板的刚度增大,变形减小,从而由变形所吸收的能量减小,使得加速度峰值增大。

另外,罩板厚度增加,质量增大,则其惯性增大,因而变形较慢,从03农　业　机　械　学　报2006年　而吸收的能量减小,使得加速度峰值增大。

头部H I C 值为992、1087、1205,说明发动机罩板厚度增大,其头部伤害指数H I C 也随之增大。

因此,发动机罩板的厚度是行人头部伤害的一个重要影响因素。

413　发动机罩板曲率半径对头部伤害的影响发动机罩板其他因素不变,罩板的曲率半径Θ分别为25m 、35m 、70m ,模拟得到头部模型的加速度值如图5所示。

由图5可以得出,随着发动机罩板曲率半径的增大,其头部加速度第1峰值随之减小。

这是由于随着发动机罩板曲率半径的增大,罩板的变形增大,从而由罩板变形所吸收的能量增多,从而使头部加速度值减小。

其头部H I C 值为995、896、799。

因此,发动机罩板曲率半径变大,有利于行人头部的保护。

图5　发动机罩板曲率半径变化时头部撞击加速度曲线F ig .5　H ead i m pact accelerati on in differen thood cu rvatu re radiu s414　发动机罩板材料对头部伤害的影响发动机罩板材料不同,所具有的材料性能也不同,对行人头部伤害的程度也不相同。

图6为罩板材料屈服强度G 分别为200M Pa 、300M Pa 和400M Pa 时头部撞击加速度的变化值。

由此可以看出,发动机罩板材料屈服强度的增大对第1峰值基本没影响,但第2峰值出现的时间延迟,且峰值增大。

由此得出的头部H I C 值为810、913、1001。

因此, 降低发动机罩板的屈服强度有利于行人头部的保护。

图6　罩板材料屈服强度变化时头部撞击加速度曲线F ig .6H ead i m pact accelerati on in differen t hood m aterial415　不同的撞击位置对头部伤害的影响在发动机罩板上不同的撞击位置,对头部伤害程度也不同。

对112m 长的发动机罩板,取离发动机罩后缘距离分别为100mm 、300mm 、600mm 处进行模拟计算,运算得出各自的头部伤害指数H I C 值为1099、981、841。

由此可以看出,离发动机罩边缘越近,其H I C 值越大,即对人头部的伤害越大。

因此,有效降低发动机边缘处的刚度有利于行人头部的保护。

5　结论(1)行人与汽车碰撞中,行人的头部是最容易受到损伤的部位,而且往往是致命伤害。

(2)利用M AD Y M O 软件建立的行人头部与发动机罩的有限元模型,经撞击器与发动机罩撞击试验验证,表明模型的准确性较高,可以用于仿真分析。

(3)发动机罩板厚度越大、曲率半径越小、材料屈服强度越大、撞击位置离发动机罩后缘越近,其头部伤害指数H I C 越大;而发动机罩板长度的变化对H I C 的影响很小。

参考文献1　王心田,洪善桃,翁智远.在冲击荷载作用下弹塑性薄板的非线性动力响应[J ].固体力学学报,1985,6(3):281～294.2　TNO A u tomo tive .T heo ry m anual (M AD Y M O V 6.1)[M ].N etherlands D elft :TNO A u tomo tive ,2003.3　A li S ,A l 2Gham di .Pedestrian 2veh icle crash and analytial techn iques fo r stratifies con tingency tab les [J ].A cciden tA nalysis and P reven ti on ,2002,34(2):205～214.13　第9期乔维高等:行人与汽车碰撞中头部伤害与保护的研究。