行人碰撞保护

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事故机理法规测试吸能结构主动感知

行人碰撞保护

从事故机理到结构吸能,系统讲清行人保护每一层的工程权衡与边界

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事故机理法规测试吸能结构主动感知

行人碰撞保护

从事故机理到结构吸能,系统讲清行人保护每一层的工程权衡与边界

1第 1 页 · 行人碰撞保护

行人碰撞事故数据

自上而下读图:数据来源→统计结果→风险因素→趋势结论

图解渲染中…
a1三大数据源构成全球统计底座b3事故重建与现场分析揭示诱因d1识别高致死率群体的依据g1近年降幅趋缓,部分国家反弹
2第 2 页 · 行人碰撞事故数据

行人伤害类型与严重度

行人伤害按撞击部位分三类,每类在频率、严重度、机理上各有差异,共同决定保护设计的优先级。

1
下肢伤害最频繁
保险杠是首个接触点,胫骨股骨骨折在所有伤害中占比最高
2
头部伤害最致命
与挡风玻璃、A柱周边碰撞,AIS≥3的致死伤害比例最高
3
胸部伤害看体型
成人被抛向发动机罩,儿童多见胸部腹部碾压伤
4
综合分布定策略
伤害频率与致死率共同决定保险杠、罩面、挡风玻璃设计优先级
3第 3 页 · 行人伤害类型与严重度

成人与儿童伤害差异

成人与儿童体型、反应、保护机制都不同,伤害分布差异显著。

成人
  • 头部撞击概率低,但伤势致命
  • 下肢骨折是主要伤害类型
  • 重心高,撞击后易被抛飞
儿童
  • 头部是最主要撞击与致命部位
  • 下肢损伤轻,多为擦伤扭伤
  • 重心低,常被铲起卷入车底
儿童保护需重点覆盖车头前缘与引擎盖顶部,成人重点在保险杠与挡风下沿。
4第 4 页 · 成人与儿童伤害差异

下肢碰撞接触过程

上一节看到,成人和儿童的下肢伤害模式不同——这背后是车辆前端与腿部的碰撞时序在'挑选'不同伤害路径。本节拆开这段时间序列。

初始接触
保险杠下缘最先撞上胫骨中下部,时间约20ms
接触点上行
车体继续前推,撞击点沿胫骨向上迁移
膝部冲击
膝关节撞上发动机盖前缘或前围板上沿
弯曲加载
小腿绕保险杠'包裹'弯曲,弯矩与剪切力同时作用
侧面推一根立着的木棍对应 →小腿绕保险杠弯曲

木棍以接触点为支点弯曲,小腿同样绕保险杠被'包住'受力变形

5第 5 页 · 下肢碰撞接触过程

膝关节:关键伤害部位

自上而下读:撞击产生三种力,分别压骨、拉韧带,超载后各自断裂。

图解渲染中…
F骨结构以抗压为主G韧带以抗拉为主H髌骨或胫骨平台骨折I交叉或侧副韧带撕裂
6第 6 页 · 膝关节:关键伤害部位

下肢三段式损伤机制

下肢损伤不是一次碰撞造成的,而是大腿、膝部、小腿三段连续损伤的过程。

1
大腿受推
保险杠首先撞上大腿,股骨被向后推移,下肢开始弯曲
2
膝关节弯折
大腿后移、小腿被车头卡住,膝部承受巨大弯矩,韧带处于危险
3
小腿承压
力继续传到胫骨平台,轴向压应力集中,骨骼开始失效
4
骨折与卷绕
胫腓骨断裂或小腿绕到车头下方,下肢完全失去支撑
7第 7 页 · 下肢三段式损伤机制

小腿伤害评价指标MLS

前页我们知道了小腿在大腿推挤下承受复合载荷。光知道'受伤'还不够,工程师需要用数字量化'伤到什么程度'。这页讲两把尺子:轴向力限值与胫骨指数。

胫骨轴向力限值
沿小腿方向的挤压力阈值约4.0kN,超则胫骨平台骨折风险陡增
上胫骨弯矩
膝下端弯折力矩限值约340Nm,对应胫骨上段楔形骨折
下胫骨弯矩
踝上端弯折力矩限值约340Nm,对应胫骨下段螺旋骨折
胫骨指数 TI
TI=|M/My|+|F/Fy|,任一处TI≥1即判定伤害超限
综合评分 MLS
取各测点最差等级作为小腿整体得分,决定行人保护星级
承重柱的多项验收对应 →小腿多项伤害指标联合判定

柱子要同时抗压、抗弯、抗剪,任一项不过关柱子就废;小腿也一样

TI=MMy+FFy1TI = \left|\frac{M}{M_{y}}\right| + \left|\frac{F}{F_{y}}\right| \leq 1
8第 8 页 · 小腿伤害评价指标MLS

大腿伤害评价指标

上一页用 MLS 衡量了小腿弯曲损伤。现在视线往上移——整条腿最粗最硬的大腿股骨,受力其实最复杂:它不仅要扛弯曲,还要扛住沿骨轴方向的巨大挤压。两种伤害模式,对应两个评价指标。

大腿轴向力
沿股骨长轴方向的挤压力,过大时股骨被压碎或失稳
大腿弯矩
股骨受到的弯折力矩,过大时发生弯曲骨折
双指标并行
轴向力与弯矩是两种独立损伤模式,必须同时考核
测试方法
用大腿冲击器撞击,传感器同时记录力与力矩
建筑立柱对应 →大腿股骨

顶部重压对应轴向压碎,侧向推力对应弯曲折断

9第 9 页 · 大腿伤害评价指标

行人保护法规体系架构

先看属性:GTR9 是技术法规框架,J-NCAP、C-NCAP 是评价体系;再纵向比较三列输出,最后汇入共同目标。

图解渲染中…
a0联合国全球技术法规第9号,提供统一技术框架j0日本新车评价体系,结果以星级与分项呈现c0中国新车评价规程,汇总各安全项目得分o0法规边界与评价结果共同影响车辆设计
10第 10 页 · 行人保护法规体系架构

主要法规差异对比

E-NCAP与C-NCAP同为行人保护标杆,但试验项目、冲击点位、限值指标都有细节差异,开发常需双线并行验证。

E-NCAP规程
  • 试验项目:头型+上腿型+下腿型三模块
  • 头部冲击速度:40km/h统一取值
  • 头部撞击点:6点位按区域预设
  • 上腿型限值:膝弯折角+剪切位移
C-NCAP规程
  • 试验项目:头型+上腿型+下腿型三模块
  • 头部冲击速度:40km/h统一取值
  • 头部撞击点:WAD分级分带判定
  • 上腿型限值:股骨压缩+位移
C-NCAP先保基准、E-NCAP再补强——点位描述和判据选择是两体系核心分歧,造型设计阶段就要分线思考。
11第 11 页 · 主要法规差异对比

试验模块体系全貌

中心是整车试验,向下分叉三大模块及各模块的覆盖部位、冲击区域、评价指标。

图解渲染中…
A3HIC:头部伤害准则,综合加速度与碰撞持续时间C3TI:小腿伤害指数;MCL:膝关节内侧副韧带张力
12第 12 页 · 试验模块体系全貌

头模块:成人vs儿童

成人与儿童头模块不是同款缩小版——质量、尺寸、撞击区域各有法规规定,必须分别测试。

成人头模块
  • 代表:50百分位成年男性头颅
  • 质量 4.5 kg,直径 165 mm
  • 撞击区:发动机盖主区域
  • 测点网格:165 mm 均匀分布
儿童头模块
  • 代表:6 岁儿童头颅
  • 质量 3.5 kg,直径 150 mm
  • 撞击区:近挡风玻璃的后段
  • 测点网格:165 mm,区域更靠后
成人管发动机盖主区、儿童专攻近风窗后段——两款各守一片,缺一不可。
13第 13 页 · 头模块:成人vs儿童

腿型模块试验体系

中心分两路:左柔性腿 FlexPLI、右刚性腿 aPLI,沿分支看各自适用场景。

图解渲染中…
F1上下两个膝关节铰链 同时可弯可剪F2测弯曲+剪切生物响应R1仅一个膝关节机构R2只能反映弯曲伤害 对剪切无感
14第 14 页 · 腿型模块试验体系

成人头模块碰撞试验

成人头模块试验通过摆锤冲击发动机罩区域,量化各撞击点对头部的伤害风险。

1
头模块标定
质量、几何尺寸、加速度传感器频响须达法规标准
2
选定撞击点
在发动机罩及周边区域按网格分布多个测试点
3
设定冲击速度
通常对应法规要求的35~40 km/h摆锤线速度
4
释放摆锤撞击
头模块以规定速度与角度冲击车身表面
5
采集并计算HIC
记录三向加速度,按公式算出头部伤害指标HIC
15第 15 页 · 成人头模块碰撞试验

儿童头模块碰撞试验

上一页用 4.5 kg 的成人头模块检验了风挡区域。但儿童不是缩小版成人——头部更轻、颅骨未完全发育、撞击位置更高,所以需要专属的儿童头模块。

质量与转动惯量
约 3.5 kg,比成人头模块(4.5 kg)轻约 22%,对应儿童头部更小的转动惯量
颅骨几何表征
直径与成人接近但外形更圆润,反映未完全融合的颅缝与较薄的骨结构
撞击区域差异
覆盖发动机罩上部与前缘,少触及成人主测的风挡/雨刮区域
评价限值讨论
HIC 1000 沿用,但儿童头部耐受度更低,部分研究主张更严限值
鞋楦分成人与儿童款对应 →头模块区分成人与儿童

鞋楦不只是尺寸缩放,脚弓、宽度也按儿童足型重设;头模块同理

16第 16 页 · 儿童头模块碰撞试验

头伤害指标HIC详解

上一页拿到的是一条加速度曲线——几千个点、几十毫秒起伏。工程师只想要一个数就能说清'这颗头伤到什么程度',HIC就是这条曲线到伤害风险的翻译器。

HIC要解决的问题
把加速度曲线压缩成单一数字,对应颅脑受伤概率
滑动15ms窗口
在整条曲线上寻找最严重的连续15毫秒区间
2.5次方惩罚
区间积分结果做指数放大,加重极端值的权重
法规双限值
成人头型HIC15≤1000、儿童头型≤670(GTR 127)
15ms不是拍脑袋
颅脑组织响应与脑震荡形成的临界时间尺度
地震烈度等级对应 →HIC伤害指标

把复杂震动曲线压成一个等级数,对应破坏或伤害程度

HIC15=max[1t2t1t1t2adt]2.5(t2t1),  t2t1=15msHIC_{15}=\max\left[\frac{1}{t_2-t_1}\int_{t_1}^{t_2}a\,dt\right]^{2.5}(t_2-t_1),\;t_2-t_1=15\text{ms}
17第 17 页 · 头伤害指标HIC详解

下肢模块碰撞试验

腿型冲击器试验按六步推进,每一步都直接影响评价结果的可信度。

1
安装腿型冲击器
将腿型冲击器装到气体推进装置上并校准各传感器
2
设定冲击参数
规定冲击速度、入射角度和接触高度等关键条件
3
推进加速
气体推进系统在导轨内将冲击器加速至目标速度
4
碰撞接触
冲击器以设定姿态撞击保险杠与发动机罩前缘
5
同步采集
传感器与高速摄像同步记录力、弯矩和位移
6
评价打分
对比法规限值评估膝弯角、小腿指数与股骨力
18第 18 页 · 下肢模块碰撞试验

小腿伤害指标评价体系

三条支路分别提取小腿不同部位的力学响应,汇流后完成综合伤害判定。

图解渲染中…
F上胫骨弯曲程度,反映膝关节附近损伤风险G上下胫骨相对错位力,反映剪切型骨折H胫骨整体轴向压溃量,反映粉碎性骨折
19第 19 页 · 小腿伤害指标评价体系

模块试验方法利弊

法规和研发中两种试验并存——台车可控省钱,实车真实但贵。到底什么时候该用哪个?

台车试验
  • 成本低、可批量做参数扫描
  • 边界条件精确控制、重复性好
  • 简化结构响应,真实度有限
  • 适合参数研究和早期开发
实车试验
  • 单次成本高、周期长
  • 环境干扰多、散差大
  • 完整结构响应,接近真实事故
  • 适合最终验证和法规认证
台车扫描参数、定位敏感因子;实车确认系统性能。流程:台车筛 → 实车验。
20第 20 页 · 模块试验方法利弊

行人保护设计总体原则

行人撞上车的瞬间,腿部先接触保险杠、头部随后砸向发动机盖——两个高度、两套力学。整车前部不能是同一块铁皮,必须按部位差异化设计。

软硬分区
下部保险杠接触区偏软促小腿柔性弯吸能;上部发动机盖接触区偏韧让头部减速而非硬碰
吸能空间
硬点(发动机、铰链、锁扣)与外板之间预留溃缩行程,把冲击能转化为结构塑性变形
接触导向
通过发动机盖弧面与A柱圆角引导人体沿车体上抛滑离,避免二次翻滚与地面碾压
伤害收敛
所有结构与材料设计最终落到HIC、膝部弯矩、小腿剪切等伤害指标低于法规限值
分区软硬床垫对应 →车前部刚度分区

床垫上层软贴身、中段托腰、下层硬支撑;车头下软吸腿、上韧托头,逻辑都是不同载荷配不同刚度

21第 21 页 · 行人保护设计总体原则

发动机罩区域设计

图分两路:上行是头部冲击的吸能路径,下行是铰链区的弱化设计。

图解渲染中…
S罩盖与硬件间缓冲距离,决定头部伤害大小WK预设薄弱区,撞击时优先断裂释放铰链
22第 22 页 · 发动机罩区域设计

保险杠系统行人设计

前面讲了发动机罩区域——用罩面变形和吸能垫保护头胸。现在往下看:保险杠怎么保护下肢。这部分也是上下分区:上部管膝盖,下部管小腿。

横向稳定杆位置
上部刚性金属杆,安装高度正对行人膝部,决定膝关节弯曲伤害起点
下部吸能模块
稳定杆下方的泡沫或可压溃塑料,小腿接触后压缩变形,吸收冲击能量
上下分区协同
上部管膝弯曲与股骨力,下部管小腿三段力,两套伤害指标都要达标
弯腰撞上桌子横档对应 →保险杠上下分区设计

金属横档顶住膝盖致弯曲,下方泡沫压住小腿并吸收能量

23第 23 页 · 保险杠系统行人设计

吸能材料应用

保险杠要'软'、罩盖要'让'——但具体什么材料能真把撞击动能'吃掉',又不反弹伤人?两种工业核心:发泡聚丙烯EPP和蜂窝铝。

EPP发泡聚丙烯
闭孔泡沫塑料,密度30~200g/L可调,质轻、可回收
三阶段压缩曲线
弹性→屈服平台→密实化,平台段越平缓冲越稳
蜂窝铝六边形胞元
正六边形仿生结构,比强度(强度/质量)金属里最高
逐层折叠撕裂吸能
胞壁顺序失稳折叠,单位体积吸能远高于实心铝
区域差异化选材
罩盖上部用软EPP护头,下缘用硬蜂窝铝给腿支撑
踩在厚积雪上对应 →EPP三阶段压缩

雪先塌陷(弹性)→再压紧(屈服平台)→最后变硬(密实化)

W=0δF(s)dsW = \int_0^{\delta} F(s)\, ds
24第 24 页 · 吸能材料应用

设计要点总结

自上而下读:目标→区域→两路径并行→汇合验证→法规达标。看发动机罩、保险杠两线如何协同。

图解渲染中…
C下肢保护区:保险杠承接小腿与大腿冲击D头部保护区:发动机罩承接头部冲击
25第 25 页 · 设计要点总结

知识点全回顾

  • 事故数据→伤害机制→试验指标→法规约束:完整的工程闭环
  • 成人下肢先撞、儿童头部先撞:决定头腿模块必须分别考核
  • 模块试验可量化但非真实人体:分数达标不等于生物安全
  • 行人保护须与乘员安全、视野、散热博弈,单点最优不可取
  • 全球车要算清最严法规约束:GTR/欧/日/中差异决定设计取舍
延伸主题:AEB行人自动紧急制动主动弹起式发动机罩技术两轮车碰撞保护扩展
26第 26 页 · 知识点全回顾

课后思考

先遮住参考答案,每题独立想 30 秒再看。三题分别对应:回顾、应用、边界。

1下肢碰撞为什么采用「三段式」评价?小腿、膝盖、大腿三个伤害指标能否合并成一个?

参考答案三段对应三种力学响应——小腿反映弯曲(MLS)、膝盖反映剪切与韧带损伤、大腿反映轴向冲击。机制本质不同,指标无法合并。

2实际道路中行人姿态多样(儿童矮、成人弯腰、跑动等),法规的标准姿态与速度能代表真实事故吗?

参考答案只能部分代表。法规用「基准姿态+基准速度」保证可比性,但身高、姿态、角度多样,覆盖的是共性模式而非所有事故。

3现有行人保护主要针对下肢和头部,但事故中也有上肢、躯干伤害。法规未覆盖这些,是合理取舍还是体系漏洞?

参考答案倾向合理的取舍。头部与下肢是致死致残率最高的两类,法规优先覆盖是按伤害严重度排序的工程优先级,并非忽视其他部位。

27第 27 页 · 课后思考
行人碰撞保护 · 知识图解