汽車行人保護(hù)開發(fā)與研究進(jìn)展.doc

精品文檔絲窒Design research汽車行人保護(hù)開發(fā)與研究進(jìn)展劉庭志 陳吉清(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣州 510640)摘 要：行人保護(hù)是汽車安全技術(shù)領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)問題。隨著各國立法的推進(jìn)，各汽車廠商面臨的行人保護(hù)壓力將越來越大?，F(xiàn)行主要法規(guī)有 EEVC系列、GTR、Euro NCAP等 。文中綜述了國內(nèi)外行人保護(hù)研究的最新方法和技術(shù)，展望了行人保護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢和方向。面向行人保護(hù)的被動(dòng)安全技術(shù)核心在于碰撞能量的吸收，主要的技術(shù)路線包括新材料的應(yīng)用和安全結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。而能避免事故發(fā)生的主動(dòng)安全技術(shù)將逐漸成為汽車安全領(lǐng)域研究的新趨勢。關(guān)鍵詞：汽車碰撞；行人保護(hù)；安全技術(shù)The LatestProgressofthe Research for Pedestrian Protection ofCarAbstract：Pedesian protection is the forefrontand hotissues ofautomotive safety technologyThe research ofpedesian protectionwillbemoreandmoreurgentashetlegislation forwardThereareEEVC series，GTR andEuroNCAP,etchT elatestresearch methodsnda techniquesathomeand abroad ofpedestrian protection weredescribedLook into het future ofpedestrian protectionhT e passive safety technology ofpedestrian protection lies in the absorption ofimpactenergy,them ain techn icalroute ishet application ofnew materials and hetimprovementof security structureIn order to avoid accidents，active safety technology hasbecoming het focusand trendsofhet automotivesafetyresearchKey words： Carcrash；Pedestrian protection；Safety technology12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載。前言行人是道路交通使用者中的弱勢群體，人一車碰撞是以行人高致死率、高重傷率和高致殘率為特征的碰撞。歐盟對(duì)道路交通事故分析顯示，行人在交通事故中的死亡率是車內(nèi)乘員的 9倍 。在我國，據(jù)中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào) (2007年度) 數(shù)據(jù)顯示，2007年行人因交通意外死亡的人數(shù)為 21106人，占全部交通死亡人數(shù)的 2585，行人交通事故受傷人數(shù)為70838人，占全部交通受傷人數(shù)的 1862。在國外，行人占交通事故死亡人數(shù)的比例為：英國 21，德 國14，美國 11。汽車駕駛員摩托車駕駛員拖拉機(jī)駕駛員他機(jī)動(dòng)車駕駛員非機(jī)動(dòng)車駕駛員機(jī)動(dòng)車乘員非機(jī)動(dòng)車乘員行人U5lUlbZUZ530圖 1 不同交通參與者在事故中的死亡比例Fig1 The death rate ofdifferenttraffic participants in the caraccident汽車從誕生至今，很長一段時(shí)問其安全性都是圍繞如何保證車內(nèi)人員的安全，而對(duì)如何保護(hù)車外行人則考慮甚少。直到上世紀(jì) 90年代行人保護(hù)才在歐洲被真正重視起來。隨后各國的行人保護(hù)立法大大推進(jìn)了行人保麗萬方數(shù)據(jù)護(hù)技術(shù)的研究。今天，加強(qiáng)行人保護(hù)研究已成為各國、各汽車企業(yè)的共識(shí)，各種行人保護(hù)技術(shù)得以發(fā)展和應(yīng)用。被動(dòng)安全技術(shù)方面有日產(chǎn)、捷豹、本田等公司的主動(dòng)彈升式發(fā)動(dòng)機(jī)罩技術(shù)，本田的 GCON技術(shù) ，福特的行人保護(hù)安全氣囊等；主動(dòng)安全技術(shù)方面有寶馬的人車溝通系統(tǒng)、沃爾沃的碰撞警示系統(tǒng)(CWAB)等。1、行人保護(hù)研究方法行人保護(hù)的研究方法主要有試驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)仿真模擬兩類。而研究領(lǐng)域已經(jīng)拓展到了交通事故統(tǒng)計(jì)研究和人體損傷生物力學(xué)。試驗(yàn)研究一種是部件試驗(yàn)，一種是立姿假人試驗(yàn)。假人模型試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫卦佻F(xiàn)行人在碰撞過程中受到的傷害及運(yùn)動(dòng)情況，確定車身撞擊行人時(shí)的具體部位。李向榮，呂恒緒等 在對(duì)比研究了人體模塊試驗(yàn)的局限性之后對(duì)立姿假人及其試驗(yàn)方法與裝置進(jìn)行了全面介紹。Denton公司設(shè)計(jì)的立姿假人以混合型假人為藍(lán)本，在設(shè)計(jì)中考慮了假人與車輛的接觸部位，以便于進(jìn)行對(duì)假人頭部和胸部傷害的評(píng)價(jià)。本田公司最新開發(fā)的PolarI型立姿假人具有更好的生物仿真性。除此之外，還有志愿者試驗(yàn)、人體尸體試驗(yàn)等方法。但出于安全和倫理方面的考慮較少使用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬在工程輔助分析中占有越來越突出的地位。行人保護(hù)研究方面的計(jì)算機(jī)仿真軟件一類是基于多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，如MADYMO。采用多剛體計(jì)算模型的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算模型的建立較為方便，工作量小，計(jì)算快捷，可以高效率地了解行人的運(yùn)動(dòng)情況，但是對(duì)行人具體傷害情況的掌握卻比較困難。另一類是基于有限元理論建模，如PAMCRASH。有限元計(jì)算模型可以精確地了解行人不同身體部位的傷害情況，從而更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)車輛在行人保護(hù)方面的性能。但是人體有限元模型的建立十分復(fù)雜，涉及到生物力學(xué)和人機(jī)工程學(xué)等領(lǐng)域的復(fù)雜理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，工作量很大，而且計(jì)算時(shí)間也相對(duì)較長。對(duì)已發(fā)生的大量交通事故進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、再現(xiàn)，分析得出其中具有的普遍性規(guī)律，研究車輛碰撞與人體傷害之間的相關(guān)性聯(lián)系，可以作為行人保護(hù)研究的輔助而進(jìn)嬰窒Design research性依據(jù)，也可用于驗(yàn)證行人碰撞有限元模型的有效性。國內(nèi)外的許多研究成果已表明利用統(tǒng)計(jì)方法研究交通事故人車接觸特點(diǎn)及人體損傷的必要性。交通事故信息的采集與分析方面，國內(nèi)外已經(jīng)做了大量研究。Hassan等 研究了面向道路交通安全研究的道路交通事故收集與分析。JianfengYao等 做了基于行人事故再現(xiàn)的頭部傷害分析與研究。楊群印 提出采用序列線性規(guī)劃的優(yōu)化方法來再現(xiàn)真實(shí)事故，為快速的行人交通事故再現(xiàn)提出了一種新方法。而清華大學(xué)袁泉、李一兵等n已經(jīng)著手構(gòu)建汽車碰撞行人事故深入數(shù)據(jù)源，用于有關(guān)人車碰撞特點(diǎn)分析的研究。人J滿大圖2 實(shí)體人頭部有限元模型Fig2 Head finite elementmodel汽車安全技術(shù)與人體損傷生物力學(xué)有著依賴關(guān)系，對(duì)汽車安全性能研發(fā)的成功與否，很大程度上取決于是否能通過人體損傷生物力學(xué)的損傷標(biāo)準(zhǔn)。人體損傷生物力學(xué)的科學(xué)研究和汽車安全的技術(shù)研發(fā)是保護(hù)乘員和行人安全的兩大前提。JikuangYang等 研究了在不同加載條件下的人一車碰撞中行人的生物力學(xué)表現(xiàn)，包括動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、損傷機(jī)理、耐受限度等。阮世捷，胡習(xí)之等 ”研 究了汽車安全與人體損傷生物力學(xué)的因果關(guān)系，指出實(shí)體人有限元模擬研究將是今后人體損傷生物力學(xué)研究中的一個(gè)重點(diǎn)。國外的韋恩州立大學(xué)、路易斯巴斯德大學(xué)、瑞典皇家工學(xué)院，國內(nèi)的湖南大學(xué)、天津科技大學(xué)等建立的有限元模型處于領(lǐng)先地位。RuanS Jie等 朝人建立的有限元實(shí)體人模型己取得了在所有的碰撞模擬人中極高的仿生可靠性能。趙瑋，阮世捷等提出了應(yīng)用于頭部損傷生物力學(xué)研究的三維模型的萬方數(shù)據(jù)窒Design research改進(jìn)方法，以建立具有更高生物逼真度的有限元模型。雖然至今仍沒有完善的有限元模型來重構(gòu)行人碰撞，但人體損傷生物力學(xué)的研究必將促進(jìn)人體有限元模型的改善，具有高生物逼真度的有限元模型將可以替代一些昂貴的部件試驗(yàn)。2、行人保護(hù)技術(shù)的研究進(jìn)展通過對(duì)交通事故數(shù)據(jù)的研究分析表明，頭部和下肢是行人受傷害最多的部位。針對(duì)于此，目前國內(nèi)外的行人保護(hù)技術(shù)主要有四個(gè)方面：一是汽車前端系統(tǒng)的改進(jìn)；二是發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的改進(jìn)；三是行人安全氣囊系統(tǒng)；四是車輛智能安全系統(tǒng)。21汽車前端系統(tǒng)的改進(jìn)圖3 基于行人保護(hù)的汽車前端系統(tǒng)Fig3 Carfront-end system based on pedestrian protection汽車前端系統(tǒng)包括保險(xiǎn)杠面罩、緩沖裝置、保險(xiǎn)杠橫梁、保險(xiǎn)杠支架、縱梁等零部件，是人一車碰撞中首先與人接觸的汽車部件，會(huì)造成行人腿部及膝蓋的傷害。評(píng)價(jià)行人腿部的傷害指標(biāo)有：膝部剪切位移、膝關(guān)節(jié)彎曲角度、脛骨加速度?；谛腥送炔康膫C(jī)理，目前的行人腿部保護(hù)技術(shù)主要集中在前端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和新材料的應(yīng)用，以增加碰撞空間、提高吸能效果。徐中明，劉世謙等 建立了行人與汽車碰撞的多剛體模型，綜合考慮行人頭部與下肢損傷的保護(hù)，對(duì)汽車前部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)罩與水平面夾角對(duì)頭部損傷有較大影響，保險(xiǎn)杠離地高度顯著影響下肢損傷指標(biāo)。劉衛(wèi)國、顏海棋等 提出了滿足行人保護(hù)的汽車前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。研究表明車頭平緩圓潤的造型可以增加碰撞時(shí)腿部的接觸面積，減小腿部傷害。先進(jìn)的吸能型保險(xiǎn)杠可以顯著提高行人保護(hù)性能，目前主要技術(shù)有：液壓緩沖吸能式、填充物吸能式 (由添加在橫梁 內(nèi)部的泡沫、樹脂類填料變形而吸收能量)、結(jié)構(gòu)吸能式 (利用薄壁鋼的壓潰特性)。添加副保險(xiǎn)杠可以在碰撞過程中很好地支撐脛骨，防止它向保險(xiǎn)杠下側(cè)旋轉(zhuǎn)，降低膝蓋受到的側(cè)向彎曲，減小膝關(guān)節(jié)彎曲角度。曾必強(qiáng)，胡遠(yuǎn)志等 研究了保險(xiǎn)杠與車身連接方式對(duì)行人保護(hù)的影響，結(jié)果表明采用阻尼連接能夠改善前端系統(tǒng)的行人腿部保護(hù)性能。22發(fā)動(dòng)機(jī)罩的改進(jìn)IHRA (國際協(xié)調(diào)研究組織 )的研究數(shù)據(jù)表明，頭部在整個(gè)行人身體傷害區(qū)域中占到了 314，在行人致死的原因分析中，頭部傷害占到了 62。造成頭部傷害的主要部件是發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前擋風(fēng)玻璃。基于行人保護(hù)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩技術(shù)主要有發(fā)動(dòng)機(jī)罩及其鉸鏈機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與材料改進(jìn)、彈升式發(fā)動(dòng)機(jī)罩。圖 4 歐寶蜂窩型發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板Fig。4 OPEL Hood Innerwith MultiCone Design影響行人保護(hù)性能的發(fā)動(dòng)機(jī)罩參數(shù)主要有機(jī)罩質(zhì)量、厚度，機(jī)罩剛度 (屈服極 限、彈性模量等)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩材料、結(jié)構(gòu)等。葛如海、王廣闊等 研究了鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的行人保護(hù)性能。研究表明鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩具更良好的緩沖吸能性，能夠更好地保護(hù)行人的頭部。C Kerkeling 的研究表明采用蜂窩結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板剛度均勻，具有良好的行人保護(hù)性能。張軼川I、朱西產(chǎn)等 的研究表明發(fā)動(dòng)機(jī)罩減震膠的使用對(duì)改善行人保護(hù)性能有顯著效果。趙桂范、崔東等 研究了使用夾層材料的發(fā)動(dòng)機(jī)罩行人保護(hù)性能。除此之外，發(fā)動(dòng)機(jī)罩蕊萬方數(shù)據(jù)附近的硬點(diǎn) (鉸鏈、雨刮等 )u是行人保護(hù)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，將其設(shè)計(jì)成可壓潰的吸能結(jié)構(gòu)是解決方法之一。發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)與材料改進(jìn)的核心是提高對(duì)行人頭部碰撞能量的吸收，防止頭部撞擊硬物。頭部模塊沖擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩的試驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)罩下方自由空間越大，頭部傷害值(HIC)越小。當(dāng)碰撞速度為40kmh時(shí)，要使 HIC低于 1000，那么成人頭部模型與兒童頭部模型對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)罩下的空間需求至少分別為70mm和 50mm。由于布置空間所限，很多汽車不能達(dá)到這個(gè)空間要求，導(dǎo)致碰撞時(shí)行人頭部撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的堅(jiān)硬部件，造成行人頭部的嚴(yán)重傷害?；诖碎_發(fā)的彈升式發(fā)動(dòng)機(jī)罩能夠顯著地提高行人保護(hù)性能。王宏雁，朱育民等 對(duì)主動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)罩抬升裝置的性能進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明主動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)罩具有良好的行人保護(hù)性能。崔宇碩、張金換等 探討了主動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)罩關(guān)鍵問題并提出了 AHLS(主動(dòng)式彈升系統(tǒng))的概念設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)罩舉升系統(tǒng)主要有火藥式和機(jī)械式兩種。本田的 “里程 ”、法 國雪鐵龍的 “C6”、英國捷豹 的 “XK” 和 “XF”、日產(chǎn)汽車的 “SkylineCoupe”及 “FairladyZ”等都采用了彈升式發(fā)動(dòng)機(jī)罩。除 C6外均為火藥式 。而C6利用彈簧的力量掀起發(fā)動(dòng)機(jī)罩，使用火藥開鎖。圖 5 彈升式發(fā)動(dòng)機(jī)罩原理圖Fig5 The schematic diagram ofactive hood liftsystem23行人安全氣囊系統(tǒng)乘員安全氣囊系統(tǒng)已經(jīng)普及，其安全性能也得到了驗(yàn)證和肯定。行人安全氣囊則還處于研究發(fā)展階段。目前行人安全氣囊主要有發(fā)動(dòng)機(jī)罩安全氣囊和前圍安全氣囊。發(fā)動(dòng)機(jī)罩安全氣囊在兩個(gè)前大燈之間的部位展開，由保險(xiǎn)杠頂面向上伸展到發(fā)動(dòng)機(jī)蓋表面以上，保證Design research 上 窒 麟了兒童頭部和成人腿部的安全。前圍氣囊系統(tǒng)的作用則提供二次碰撞保護(hù)，防止行人被甩到發(fā)動(dòng)機(jī)罩上，然后被前車窗底部碰傷。圖 6 安全氣囊的行人保護(hù)效果Fig6 The pedestrian protection efectofairbag沃爾沃、薩博等公司成立了 IVSS組織進(jìn)行道路交通安全研究，包括行人安全氣囊的研究 。福特等公司已經(jīng)在其概念車上裝備行人安全氣囊。24車輛智能安全系統(tǒng)車輛智能安全保障系統(tǒng)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)行人的主動(dòng)保護(hù)，在事故發(fā)生以前就及時(shí)通知司機(jī)，避免車禍的發(fā)生，將事故的損傷降到最小程度。車輛智能安全保障系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的一部分，它包括安全系統(tǒng)、危險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)、防撞系統(tǒng)等。通過安裝在車身各個(gè)部位的傳感器、激光雷達(dá)、紅外線、超聲波傳感器、盲點(diǎn)探測器等，實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛周圍的交通狀況，對(duì)潛在的交通事故進(jìn)行預(yù)判、預(yù)處理。寶馬公司與德國政府合作開發(fā)的 Car-2一xCommunication 溝通技術(shù)，透過行人與車輛兩者數(shù)據(jù)傳輸整合與追蹤科技的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避免行人遭撞擊意外與降低行人受傷程度。這套系統(tǒng)最核心的設(shè)計(jì)架構(gòu)，就是為行人與車輛架構(gòu)專屬的 RF1D無線射頻辨識(shí)系統(tǒng)，若 RFID系統(tǒng)偵測行人進(jìn)入車輛行駛路線時(shí)，將立即透過車輛 HUD抬頭顯示器的警報(bào)系統(tǒng)提出警示。帶全力自動(dòng)剎車和行人探測功能的行人安全系統(tǒng)是沃爾沃最新推出的新一代碰撞避免技術(shù)。裝此系統(tǒng)的汽車不僅能夠?qū)η胺届o止或行駛的汽車做出反應(yīng)，還可以探測到任何身高 80厘米 以上的行人，并在發(fā)生碰撞前施加全力剎車，完全規(guī)避或最大可能減少事故發(fā)生的麗 百萬方數(shù)據(jù)瓣鯊Designresearch壅傷亡程度。在車速小于每小時(shí) 35公里時(shí)，可使汽車避免與行人相撞。此外，奧迪的 “行人和騎車人安全技術(shù)”，奔馳 的“夜視輔助系統(tǒng)”，美國的 “高智能 InsuranceAvoid系統(tǒng)”也是主動(dòng)安全技術(shù)應(yīng)用的典范。圖 7 寶馬 Car-2一XCommunication人車溝通技術(shù)Fig7 The Ca卜 2一X Communication technology ofBMW綜上行人保護(hù)技術(shù)的研究歷史與現(xiàn)狀，行人保護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢有：1翼子板、風(fēng)擋玻璃下邊緣、A柱等頭部碰撞硬點(diǎn)的行人保護(hù)性能將得到改善。2基于碰撞安全的人體損傷生物力學(xué)研究將得到加強(qiáng)，更加接近人體損傷機(jī)理的碰撞 CAE模型將被開發(fā)。3針對(duì)行人保護(hù)的設(shè)計(jì)將提前到車輛的概念設(shè)計(jì)階段，在車輛設(shè)計(jì)自由度豐富、改進(jìn)成本低的階段將行人保護(hù)的問題解決。4行人安全氣囊和彈升式發(fā)動(dòng)機(jī)罩相結(jié)合能夠很好地提升車輛前部的行人保護(hù)性能。5車輛智能安全系統(tǒng)是車輛安全技術(shù)發(fā)展的最終方向。3、總結(jié)發(fā)達(dá)國家的行人保護(hù)法規(guī)已經(jīng)陸續(xù)頒布并在不斷完善中，我國的推薦性標(biāo)準(zhǔn) 汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)也已于 2010年 7月開始實(shí)施。隨著行人保護(hù)法規(guī)的完善，將進(jìn)一步促進(jìn)行人保護(hù)技術(shù)的研究和發(fā)展。1現(xiàn)行最主要的行人保護(hù)法規(guī)是 EEVC 系列，隨著汽車產(chǎn)業(yè)全球化和 GTR法規(guī)的發(fā)展，各國試驗(yàn)法規(guī)在試驗(yàn)項(xiàng) 目及方法上將趨于統(tǒng)一。2計(jì)算機(jī)仿真模擬方面：人體損傷生物力學(xué)的研究將推進(jìn)行人碰撞模型的改進(jìn)，具有高度生物仿生性的有限元實(shí)體人模型將取代現(xiàn)有模型；試驗(yàn)方面：立姿行人假人碰撞試驗(yàn)有望取代現(xiàn)有部件試驗(yàn)成為新的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。3針對(duì)行人保護(hù)的設(shè)計(jì)將提前到車輛的概念設(shè)計(jì)階段，在車輛設(shè)計(jì)自由度豐富、改進(jìn)成本低的階段將行人保護(hù)的問題解決。4車輛智能化是汽車發(fā)展的大趨勢，基于 ITS(智能交通 )概念的車輛主動(dòng)安全技術(shù)將成為新的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前我國迫切的研究工作應(yīng)圍繞以下幾個(gè)方面：1研究機(jī)構(gòu)應(yīng)與公安部門合作，盡快建立我國的交通事故數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行有關(guān)人車碰撞特點(diǎn)及規(guī)律的研究，為行人保護(hù)的研究和法規(guī)的改善提供依據(jù)。2損傷生物力學(xué)研究方面應(yīng)進(jìn)行更多的動(dòng)物試驗(yàn)和尸體試驗(yàn)來確定生物組織材料特性和力學(xué)參數(shù)，為有限元模型提供能夠驗(yàn)證有效性的數(shù)據(jù)；研究其損傷機(jī)理，確定其損傷閾值。建立具有更高生物逼真度的有限元模型，從而取代其它昂貴試驗(yàn)。3開展關(guān)于主動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)罩