在行人保护头部碰撞方案中，由于造型及总布置方面的限制，发动机罩铰链及铰链加强板通常位于头部碰撞区域内，为头部碰撞最主要的潜在危险区域。经过铰链及铰链加强板的优化改进，可以有效降低碰撞中对头部的伤害。

引言

随着汽车技术的发展，车辆的行人保护性能越来越被消费者、政府和各大厂商所重视。除了目前已经实施的行人保护EC法规REG.78/2009及《全球技术法规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》（简称“行人保护GTR法规”），我国已经计划在全球统一标准（GTR）的基础上制定符合我国国情的行人安全标准，该法规很可能将于2011年左右正式实施。除此之外，我国新车安全评价标准C-NCAP也在计划将行人保护纳入对新车安全性能的考查项。随着各种行人保护法规及规定的逐渐实施，国内外主机厂在整车研发中对行人保护的考虑将会越来越多。

在车型研发初期，根据车型需满足的行人保护法规要求的技术指标，对车体前部造型、总布置及初期结构设计均有相应的设计建议，从而可以在车辆研发的概念阶段将潜在危险结构规避到碰撞区域之外。对于儿童头部及成人头部碰撞来说，由于车辆定位、造型美观度等因素的限制，许多潜在危险结构无法被规避到碰撞区域之外，需要通过结构设计优化达到降低头部伤害值的目的。

本文将就发动机罩铰链及铰链加强板的设计进行相关分析研究，从而寻找满足行人保护GTR法规儿童头部碰撞要求的方法。

行人保护GTR法规头部碰撞试验要求

1. 头部撞击前部结构

（1）儿童头部撞击发动机罩上部

碰撞速度：35km/h；3.5kg的儿童头型，头部直径165mm，碰撞角度50°。

（2）成人头部

碰撞速度：35km/h；4.5kg的成人头型，头部直径165mm，碰撞角度65°。

2. 试验区：

儿童头型试验区域和成人头部碰撞区域。

3. 试验要求：

（1）1/2儿童头型试验区域，HIC（头部损伤指数）≤1000；

（2）2/3头型试验区域，HIC ≤1000；剩余区域两个头型的HIC≤1700；

（3）若只有儿童头型试验区域：2/3头型试验区域，HIC≤1000；1/3头型试验区域，HIC≤1700。

值得一提的是，本文主要研究当发动机罩铰链机构位于儿童碰撞区域内的优化改进方法，不对成人头部碰撞进行研究。

头部碰撞区域内车体前部基本设计原则

为满足儿童头部碰撞的试验要求，在车型设计初期，针对车型定位及安全目标要求，通常会从三方面对车体前部设计进行约束。主要有：

（1）造型：通过造型特征设计将发动机罩铰链、翼子板边缘等区域规避到碰撞区域之外；

（2）总布置：预留充足的变形吸能空间；

（3）设计：对于不能规避的设计硬点，通过优化结构设计达到压溃吸能从而减小头部伤害的目的。

以上设计原则可以做到规避大部分的潜在危险区域，减少后期结构优化的工作量。

对于许多车型来说，由于造型及结构设计的限制，发动机罩铰链安装点、发动机罩铰链加强板等部件无法完全规避到碰撞区域之外；另外，由于总布置空间方面的限制，在发动机罩内板与发动机罩铰链之间无法预留充足的变形吸能空间；因此，在通过造型和总布置均无法达到规避优化的目的以后，可以考虑的优化途径就只有从结构设计方面着手。

本文主要从结构方面对原不满足儿童头部碰撞的发动机罩铰链及铰链加强板进行结构优化研究，优化的主要方法为：增大吸能空间及弱化刚性部位。

结构优化有限元分析

1. 儿童头部碰撞车体有限元模型

此模型包括风挡玻璃总成、前罩板总成、发动机舱部件、翼子板总成、保险杠总成、前大灯总成、雨刮总成以及白车身车体前部结构（见图1）。

图1  儿童头部碰撞车体有限元模型

2. 碰撞点位置

碰撞点位置为：P1：铰链安装点；P2：铰链加强板附近（见图2）。

图2  碰撞点位置

3.头部碰撞边界条件输入

（1）头部碰撞块有限元模型

分析中使用的碰撞模型为ACEA 3.5kg儿童头部有限元模型，该模块共有8 930个单元组成，大体分为后部端盖（该顶端设有头部三向加速度传感器）、半球实体、肌肉以及表面空材料组这四大部分。该碰撞块具体组成信息见表1和图3。

图3  头部碰撞块组成

（2）初始边界条件

头部碰撞块以速度35km/h沿与水平面成50°的夹角方向撞向发动机罩板上部，车体在边界处采用6自由度约束（见图4）。

图4  儿童头部碰撞初始边界条件

（3）接触定义

在本优化分析模型中，主要包含以下三种接触定义：

（a）车辆本身的自接触：AUTOMATIC SINGLE SURFACE；定义车体内部各部件之间的接触关系；

（b）头部碰撞块与车辆上部（即发动机罩板）的接触：AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE；涉及接触两部分模块分别为：儿童头部碰撞块头皮部分以及车辆上端所有能与头部碰撞块相接触的部件；

4. 基础模型及优化方案

发动机罩铰链及铰链加强板的基础模型如图5所示。

图5  基础模型结构

（1）优化方案一

优化方法：弱化铰链，使之在头部碰撞过程中能够沿碰撞方向发生弯曲，从而有效吸收碰撞能，降低头部加速度，减小头部伤害值（见图6）。

图6 发动机罩铰链改进后结构

撞击位置：P1。

（2）优化方案二

优化方法：修改铰链及铰链加强件，将铰链加强板由L型结构改为平板型，增加变形吸能空间。P2撞击位置正对原铰链及其加强板垂直部分，原铰链及其铰链加强件在此处通过安装螺栓刚性连接，在头部碰撞中为刚度集中部位，无法变形吸能，由此导致头部伤害值远远超过法规限制（见图7）。

图7 发动机罩铰链及加强板改进后结构

撞击位置：P2。

5.分析结果对比

优化方案一的分析结果如图8所示。优化方案二的分析结果如图9所示。

图8 方案一分析结果

图9  方案二分析结果

结论

从以上对比分析可以看出：对于车体前部发动机罩铰链及其加强板的结构优化可以有效降低碰撞中儿童头部的伤害值，使得分析结果可以满足法规要求。

方案一与方案二提供了结构优化的两种方法及两种结构。根据车辆前部布置及结构的实际情况而选择两者其一的改进结构。

对于行人保护头部碰撞来说，造型的约束很多时候根本无法将铰链从碰撞区域总规避掉，而铰链本身的设计要求决定了其本身结构不可能太容易变形吸能。这给头部碰撞带来了很大的困难，但仔细分析不难发现：通过改变铰链或其加强件本身的结构，做到预留足够的变形吸能空间也可以达到降低头部伤害的目的。