发动机罩试验报告

1、HUNANUNIVERSITY汽车碰撞安全理论与技术研 究 题 目研 究 题 目发动机罩安全性测试技术研究报告学生姓名林诗远学生学号S140200231专业班级机械工程 1 班学院名称机械与运载工程学院授课老师白中浩2015 年5 月 23 日目录目录1 绪论.31.1 研究背景.31.2 研究概况.31.2.1 国外研究概况.31.2.2 国内研究概况.41.3 行人保护研究内容和方法. 41.3.1 行人保护研究内容. 41.3.2 主要研究方法.51.4 本章小结.62 行人碰撞保护法规.72.1 EEVC 行人保护法规.72.2 GTR 行人保护法规.82.3 日本行人保护法规.82.

2、4 中国行人保护标准.82.5 本章小结.93 测试方法和评价指标.103.1 儿童头部模块与发动机罩碰撞测试.103.1.1 测试方法.103.1.2 评价指标.123.2 小腿模块与发动机罩（包括前保险杠）碰撞测试.133.2.1 测试方法.133.2.2 评价指标.143.3 本章小结.154 测试设备.164.1 测试装置配置.164.2 本章小结.161 绪论1.1 研究背景近几年，中国汽车保有量平稳增长，2010年月平均产销量超过150万辆，全年累计产销量突破1900万辆，再次刷新全球纪录。汽车保有量的增长导致了中国道路交通事故频发，严重威胁到了人民群众的人身安全，中国的交通事故数

3、量与死亡人数一直位于世界前列。中国道路仍处在人-车混合型阶段，车辆-行人碰撞事故发生率高；部分人口素质较低，闯红灯、横穿马路的现象较多，这又提升了行人碰撞事故发生的概率。据公安部统计，最近十余年来，我国交通事故死亡人数一直在世界首位，我国的汽车保有量仅占世界总数的3，但是交通事故死亡人数却占到了16。行人作为弱势群体，在道路交通事故中往往是容易受伤亡的一方。 头部和下肢是交通事故中行人最容易受伤的部位。头部受伤往往是行人致死的主要原因；下肢受伤虽不易导致亡，但极易造成下肢伤残，影响到受害人的生产、生活，从而影响整个家庭的幸福，造成巨大的社会负担。除了经济、美观、舒适、动力性能等以外，汽车的安全

4、性能受到了广大消费者越来越多的关注。汽车安全分两部分：主动安全和被动安全。智能驾控汽车，使汽车具有较好的事故避免能力称为主动安全。汽车发生交通事故时，最大可能地保护乘员和行人称之为被动安全。通过对人体损伤机理、碰撞事故特征的研究，制定行人保护标准或法规，积累针对行人安全保护的设计技术，对保护行人人身安全、降低社会负担、促进社会和谐有重大意义。1.2 研究概况为了分析碰撞事故中行人受到的伤害， 评价汽车前部结构设计对行人的保护性能，欧洲、日本、美国等汽车工业发达的国家和地区已经在行人碰撞安全性研究领域完成了许多卓有成效的工作。随着汽车安全性能研究的不断发展，行人安全保护也引起了我国相关研究机构的

5、广泛重视， 并成为汽车安全性能研究的重点。1.2.1 国外研究概况澳大利亚的Robertson等人早在20世纪60年代中期就开始从事行人交通事故的安全研究。美国和欧盟先后于20世纪70年代中期开展对行人安全问题的研究，通过机械假人、生物样本、数学模型等展开了对人体损伤生物力学、行人保护技术、人体防护对策的研究。20世纪80年代，美国将行人安全研究的重点转移到了行人交通事故数据上，1977年创建了行人交通事故数据库PICS(Pedestrian Injury Causation Study)国家高速公路交通安全管理局(NHTSA)于1994-1998年实施行人碰撞数据研究， 行人事故的调查与统计

6、机构相继建立， 并将PICS发展成为了行人碰撞数据库-PCDS，为行人保护法规的制定提供了数据依据。德、日两国也分别地建立相关的调查机构和数据库，如日本的ITARDA和德国的GIDAS。欧盟下属的欧洲车辆安全委员会(EEVC)在 1997 年成立了 WGl7 工作组， 该工作组主要负责制定行人安全法规，工作组在 2003 年首次颁布基于行人保护的“Directive2003102EC”法规。欧洲 NCAP 将 WGl7 工作组提出的试验方法应用于新车检验。1.2.2 国内研究概况国内对行人保护的研究相对于国外来说起步较晚， 但有关行人保护的研究已经引起了国内各大车企、高校以及科研单位的广泛重视

7、。湖南大学汽车碰撞实验室根据EEVC WG17制订的试验方法，利用计算机仿真技术进行了部件冲击试验的仿真研究，对行人头部和下肢保护的安全性评价方法进行了改进。2007年，上汽通用泛亚技术中心引入法国BIA公司生产的冲击试验系统。该系统满足欧洲EEVC和美国FMVSS201有关行人保护的试验标准，可进行行人保护的实车测试试验，实车测试试验数据可以为汽车安全性设计提供科学的指引。2009年8月23日，中国汽车技术研究中心用广汽本田第八代雅阁在碰撞实验室进行了国内行人首次碰撞试验。同时，我国国内有关汽车行人保护的法规标准GBT 245502009汽车对行人的碰撞保护已经于2010年7月1日开始施行。

8、1.3 行人保护研究内容和方法1.3.1 行人保护研究内容国外已对人体各部位损伤机理、引起损伤的相关因素、安全法规的制定、试验模型的开发、行人安全保护设计方法等进行了大量的研究。其内容可归纳为六点：(1)行人交通事故调查、分析；(2)损伤机理和生物力学的研究；(3)行人安全法规的研究；(4)行人碰撞事故的重建；(5)数值假人模型、冲击器模型的开发和验证；(6)行人安全保护设计方法的研究。1.3.2 主要研究方法行人安全保护研究的主要方法分为试验研究和计算机模拟两大方面。1.3.2.1 试验研究试验研究包括：部件模型试验、子系统试验、志愿者试验、生物样本试验、假人模型试验等方法。假人模型试验较为

9、接近地反映出了碰撞事故的实际情况， 仅仅是把事故中的行人换为假人。但是“实车-试验用行人假人碰撞测试过程复杂、试验费用高、试验结果的重复性较低，并且碰撞前，假人相对位置、假人姿势等因素对碰撞结果影响较大。综上因素，该试验方法多用于与计算机仿真结果的对比分析。部件模型试验，常用的是由欧洲车辆安全委员会(EEVC)制定的试验方法。通过对部件模型试验结果进行分析研究， 评价车体不同零部件或部位与行人发生碰撞时对人体的损伤。 部件模型试验可根据不同的试验条件要求和人体的不同碰撞部位，有针对性地进行试验。志愿者试验一定要确保志愿者安全，要严格地遵守试验规范和制度。志愿者试验试验可提供出人体在损伤前的很多

10、响应信息， 这些信息对机械式假人和人体数学模型的开发很重要。生物样本试验，主要用于人体损伤生物力学的研究。试验中，死亡时间、样本组织、制作技术等对试验结果都会产生影响。生物样本试验数据结果为数学仿真模型和机械试验模型的验证提供依据。1.3.2.2 计算机仿真模拟利用计算机仿真模拟技术，可得到行人碰撞过程中身体各部位的运动情况、与汽车前部的接触情况和损伤情况。在汽车被动安全性研究方面，有代表性的商品化软件有LSTC公司开发的LS-DYNA3D软件，荷兰TNO开发的MADYMO软件，法国ESI公司的PAM-CRASH软件。根据建模方法及功能的不同， 可将这些软件分为两类： 一类用显式有限元理论建模

11、，描述车身结构的耐撞性；另一类用多刚体系统动力学理论建模，模拟碰撞事故中乘员与环境的相互作用。计算机仿真模拟的优越性：(1)周期短；(2)成本低；(3)可重复性好；(4)结果信息全面；(5)可准确定位。计算机仿真模拟方法虽然有着试验方法无法比拟的优越性， 但计算机仿真模拟方法中建立的汽车模型和人体模型本身存在的局限性较多， 不能完全准确的反映碰撞过程，所以计算机仿真模拟不能完全脱离试验，更不能完全替代试验。一种较好的评价方法是将计算机仿真与试验结合， 从而进行更加符合实际的试验评价。该试验方法是基于实际事故数据，采用计算机仿真技术，根据不同车型的构造特点来计算行人在实际碰撞过程中的力学、 运动

12、学特性及行人与试验车的相互作用， 然后以此作为指导，计算机仿真模拟结果的正确与否最终要通过试验来验证。在研究阶段中，主要采用仿真试验，可以改变各种参数进行对比分析，不仅可以节省成本，还能提高研究效率。1.4 本章小结本章概述了研究行人碰撞安全技术在我国汽车工业发展进程中的重大意义，阐述了国内外对行人安全性研究的发展概况， 指出了建立交通事故数据库对于研究行人保护的重要性，总结了国际上行人保护的主要研究内容和主要研究方法。2 行人碰撞保护法规欧洲在行人碰撞方面的研究开展较早，现在已经基于肢体模块的试验方法，制定并实施了行人碰撞保护的法规。全球技术法规（GTR）和欧洲新车评价章程（Euro NCA

13、P）基于此引入了行人碰撞安全试验方法和评级体系。2.1 EEVC行人保护法规早在 2003 年，经过政府部门与汽车厂商协商，欧洲颁布了行人保护法规，实施过程分为两个阶段:阶段一对自 2005 年欧洲新上市的车型，要求进行 3.5kg的行人头模型的冲击试验和行人下肢模块的冲击试验。 阶段二在试验项目和参数上都有较大提升，自 2010 年起，欧洲新上市的车型须通过 4 个项目试验，包括 2.5kg 儿童头模块、4.8kg 成人头模块、大腿模块和下肢模块的冲击试验。其中，头模块在其质心处安装三个相互垂直加速度计，或一个三向加速度传感器，用以测量撞击过程的三向合成加速度，从而来评估头模块的损伤程度。法

14、规两阶段的不同试验方法对比如图 2.1 所示。由于第二阶段对于实验测试要求过于苛刻， 该法规的合理性和实用性在业界广泛讨论，很多汽车厂商和研究机构表示难以达到标准。最终，该法规的第二阶段在 2009 年 1 月发布了更新的版本，与 GTR 要求保持一致。图2.1: 欧盟法规两阶段测试项目对比1997 年欧洲颁布 Euro NCAP（欧洲新车评价章程） ，从消费者角度出发，对车辆安全性能进行了全方位的评价，其行人评价方法与官方的 2003/102/EC 法规类似。根据法规所规定方法，将汽车前端结构划分为儿童头部和成人头部碰撞两个大区域，每个大区域将划分为 6 个小区域，分别进行冲击试验；另外还需

15、要进行 3 次腿型冲击和 3 次上腿型冲击试验。每项试验满分均为 2 分，对于测试参数设置上、下阈值，通过测试参数对其进行评分。以 HIC 计算为例，测量头模型冲击过程中处在质心处的三向合成加速度的曲线， 采用特定算法计算出HIC，当 HIC 值低于 1000 时此测试区域得两分，当 HIC 大于 1350 时测试区域得零分，当测得 HIC值处于 1000 到 1350 之间时，采用线性插值的方法求解对应的分数。在 Euro NCAP 中最终会以星级的方法将测试结果展示给消费者。2.2 GTR行人保护法规联合国欧洲经济委员会-世界车辆规章协调论坛上（WP29） ，日本学者提出建立全球通用的行人

16、保护评价技术标准（Global Technical Regulation，GTR） ，会后成立了工作小组，起草 GTR 相关法规。GTR 法规对行人碰撞保护的要求与Euro NCAP 第二阶段要求基本一致。2.3 日本行人保护法规日本在2005年颁布步行者头部保护基准 ，该法规内容覆盖面较小，指标较为严格， 与欧盟法规类似采用头型冲击器与发动机罩撞击， 得出加速度曲线，依据头部伤害指数对汽车的行人保护性能评价。具体的实施细则存在不同，如采用35 kg儿童头冲击器和45 kg成人头冲击器以35kmh的速度冲击。行人保护研究领域日本取得的最为显著的成果是FLEXPLI柔性腿型。与当前广泛采用的TR

17、LLFI腿型相比较，此腿型具有更好的生物仿真性，可更好地检测碰撞中腿部的变形，使评价结果更形象和准确。J-NCAP目前已采用FLEX-PLI腿型冲击器；Euro NCAP计划于2014年引入FLEX-PLI腿型；GTR9已把FLEXPLI腿型作为推荐使用的冲击器，并积极开展关于FLEXPLI腿型的技术评估工作。2.4 中国行人保护标准我国行人保护的法规标准GBT 245502009汽车对行人的碰撞保护已于2010年7月1日开始施行，对我国行人保护工作的开展起到了积极的促进作用。我国行人保护标准主要在欧洲2003102EC法规的基础上，根据我国国情发展而来。总体上与欧洲EC782009法规类似，

18、在一些基准线、面的定义，试验条件和评价指标上有些差别。中国行人保护测试项目和评价标准如表 2.1 所示。表 2.1中国测试项目和评价标准儿童头型成人头型小腿冲击器大腿冲击器冲击器质量3.5kg4.5kg13.4kg9.5kg碰撞速度9.7m/s9.7m/s11.1m/s11.1m/s碰撞角度050065水平水平评价指标2/3 区域HIC10001/3 区域HIC17002/3 区域HIC10001/3 区域HIC1700小 腿 加 速 度170g膝部剪切位移6mm弯曲角度19最大冲击力7.5kN最大弯矩510Nm2.5 本章小结本章主要介绍了的欧洲、日本等汽车工业发达国家行人保护法规，其中欧洲

19、的法规更为完善和详细，世界上许多国家都是参照欧洲的法规，然后根据本国国情制定的。详细对比和分析了不同的试验规范和要求，为行人保护实验测试提供了参考和依据。3 测试方法和评价指标3.1 儿童头部模块与发动机罩碰撞测试3.1.1 测试方法EEVC 与 GTR 的儿童头部模块行人保护试验程序大致相同，包括行人模块标定、车辆试验区域确定、碰撞试验以及分析等步骤。EEVC 行人保护评价方法分为 Phasel 和 Phase2 两个阶段，分别采用 3.5kg 和 2.5kg 的儿童头模块，对应的冲击速度为 9.7m/s0.2m/s 和 11.1m/s0.2m/s，而 GTR 行人保护评价方法采用与EEVC

20、 Phasel 规定的头模块和冲击速度。头模块行人保护试验区域由发动机罩板前后边缘和侧边缘确定， 整个试验区域划分为三个部分，如图 3.1 所示。图 3.1：头模块行人试验区域划分示例EEVC 与 GTR 的儿童头部模块行人保护试验规定的试验区域不同，其中EEVC 行人法规 Phasel 阶段规定儿童头试验区域为 WADl000 至发动机罩盖后边缘，Phase2 阶段规定儿童头试验区域为 WADl000WADl500，而 GTR 行人法规规定的儿童头试验区域为 WADl000WADl700。在确定的试验区域内按照法规点距离和边缘距离要求进行合理选点， 其中 EEVC 行人法规规定 i 等分区域

21、内最少进行 18 次碰撞测试，每个区域至少 6 次。碰撞测试时进行儿童头模块速度、冲击响应和高速录像的测量记录， 还可以通过三维坐标仪进行碰撞前后测点形状的空间变化，如图 3.2 为头部模块与发动机罩板碰撞的过程示例：T=0 msT=10 msT=20 msT=30 ms图 3.2：头部模块与发动机罩板碰撞的过程示例3.1.2 评价指标对发动机罩板试验区域分为 A 区和 B 区，EEVC 行人法规 Phasel 阶段对 A区的定义为伤害值 HPC 不大于 1000 的区域，B 区的定义为伤害值 HPC 不大于2000 的区域，而且 B 区的面积不能超过发动机罩板试验区域的三分之一，而在EEVC

22、 行人法规 Phase2 阶段中要求试验区域全部满足 HPC 不大于 1000 的要求；GTR 行人法规规定 B 区的为伤害值 HPC 不大于 1700。因为试验区域边缘部分刚度大，散热器与发动机罩板之间的缓冲距离小，B区一般位于试验区域边缘部分(例如翼子板附近)和发动机散热器等位置，图 3.3和图3.4分别为靠近翼予板附近和发动机罩板中间位置某测点的头部合成加速度响应示例：图 3.3：靠近翼子板附近位置某测点的头部合成加速度响应图 3.4：发动机罩板中间位置某测点的头部合成加速度响应如 3.3 和 3.4 示例所示，计算得到 HPC 值分别为 1615.87 和 523.47。为了降低 HP

23、C 值可以采取的车身改进方法主要有调整发动机罩板尺寸、合理选取发动机罩板硬度、 充分保证发动机罩板和发动机之间的空间以及安装主动弹起式发动机罩板等。3.2 小腿模块与发动机罩（包括前保险杠）碰撞测试3.2.1 测试方法EEVC 与 GTR 的小腿模块行人保护试验规定都采用 13.4kg0.2kg 的模型。 碰撞速度为 11.1m/s0.2m/s， 而且试验区域由保险杠上下边缘和侧边缘确定， 整个试验区域划分为三部分，如图 3.1 所示。在确定的试验区域内按照法规要求进行选点，每个区域至少碰撞测试一次，碰撞测试时进行小腿加速度、膝部弯曲角度和剪切位移三个参数的测量，同时测量小腿模块碰撞速度，记录

24、碰撞过程的高速录像，碰撞示例过程如图 3.5 所示：T=0 msT=10 msT=20 msT=30 msT=40 ms图 3.5：小腿模块碰撞过程示例3.2.2 评价指标EEVC 与 GTR 的小腿模块行人保护法规试验流程的不同之处主要在于小腿模块飞行高度定义，在 EEVC 行人保护法规中规定小腿模块地面要贴近车辆轮胎所在地面飞行，误差为10mm，I 叮 GTR 行人保护法规中规定小腿模块地面要在乍辆轮胎所在地面以上 25mm 高度的平面上，误差为10mm。飞行高度定义的差异使相同车辆小腿模块撞击点小一致， 所以按照这两个法规测试的车辆小腿模块行人保护性能就小尽相同。而且两个法规规定的冲击响应阈值也不同，如表 3.1 所示：表 3.