李浩　張金換　劉晨　周勇（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點試驗室，北京100084）

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轎車-載貨汽車追尾事故中轎車駕駛員損傷嚴(yán)重性影響因素研究

李浩張金換劉晨周勇
（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點試驗室，北京100084）

【摘要】針對我國高速公路上頻發(fā)的轎車-載貨汽車追尾情況進(jìn)行了仿真分析，明確了追尾事故中不同因素對轎車駕駛員損傷的影響程度。根據(jù)國家車輛事故深度調(diào)查系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫（NAIS）內(nèi)事故汽車質(zhì)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從美國國家車輛碰撞和分析中心（NCAC）數(shù)據(jù)庫中選擇了合適質(zhì)量的轎車與載貨汽車模型并對模型的有效性進(jìn)行了驗證。采用正交分析法，分別對兩車相對速度、碰撞重疊度、載貨汽車后側(cè)防護(hù)裝置材料強(qiáng)度和離地高度等4個因素對轎車乘員艙侵入量和乘員頭部、頸部、胸部、大腿力和小腿傷害的影響程度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，車速和偏置度對乘員艙侵入量影響較大，兩車相對車速、載貨汽車后側(cè)防護(hù)裝置材料及高度對人體頭部和頸部傷害影響較大。

1　前言

根據(jù)相關(guān)資料表明，在實際交通事故中，由于汽車質(zhì)量差異較大而引發(fā)的危重交通事故通常為乘用車與載貨汽車相撞，尤其是乘用車與載貨汽車的追尾事故約占全部追尾事故的46%［1］。為限制此類事故對轎車乘員的傷害，2002年我國實施了GB11567.2《側(cè)面與后面防護(hù)裝置要求》法規(guī)。該法規(guī)中要求總質(zhì)量大于3.5 t的載貨汽車和牽引車后下部必須安裝后側(cè)防護(hù)裝置。然而，由于載貨汽車后側(cè)防護(hù)裝置未按規(guī)定設(shè)計、制造或安裝，轎車—載貨汽車追尾事故發(fā)生率與傷亡率均較高［2］。

為探討后側(cè)防護(hù)裝置對轎車乘員傷害的影響因素，本文基于有限元與多剛體相結(jié)合的仿真方法對高速公路上發(fā)生頻率較高的轎車—載貨汽車追尾事故進(jìn)行研究。由于轎車與載貨汽車質(zhì)量差異很大（往往在6倍以上），因此載貨汽車乘員交通傷害程度很低，所以本文主要研究此類事故中轎車駕駛員損傷嚴(yán)重性的影響因素。

2　車輛模型的選取與驗證

2.1汽車有限元模型的確定

為使所研究的車輛更具代表性，對NAIS數(shù)據(jù)庫中的追尾事故（ACC_TYP=3）進(jìn)行篩選，統(tǒng)計得到追尾事故中乘用車質(zhì)量均值為1 522 kg，載貨汽車質(zhì)量均值為8.167 t。另外，從美國國家碰撞分析中心（National Crash Analysis Center，NCAC）有限元模型數(shù)據(jù)庫中尋找最接近的有限元模型進(jìn)行研究，該轎車與載貨汽車有限元模型［3，4］如圖1和圖2所示。

圖1　轎車有限元模型

圖2　載貨汽車有限元模型

整車有限元模型包括車身、發(fā)動機(jī)總成、傳動總成、車架、車輪總成，不包含汽車座椅、轉(zhuǎn)向盤和其它被動安全系統(tǒng)。其中，汽車車身、車身表面覆蓋件利用3節(jié)點或4節(jié)點的殼單元模擬，使用多段線性彈塑性材料；而發(fā)動機(jī)、動力總成等部件使用實體網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定為剛體；車身部件之間的連接采用點焊單元；懸架采用球鉸、轉(zhuǎn)動鉸、滑動鉸等鉸接單元進(jìn)行模擬。對仿真過程中變形量較大的前保險杠、發(fā)動機(jī)罩、前擋風(fēng)玻璃、防火墻及前車架進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，網(wǎng)格大小控制在15～20 mm，以提高仿真精度?？紤]到碰撞過程中汽車前端結(jié)構(gòu)褶曲變形量會較高、應(yīng)變率大，因此在仿真計算過程中采用了Cow?per-Symonds材料模型，以提升模擬質(zhì)量［5］。Cowper-Sy?monds模型中薄板材料為24號材料（24MAT）［6］。仿真所用轎車模型共包含495個部件，280 053個單元，287 957個節(jié)點，其單元參數(shù)質(zhì)量均滿足Hypermesh環(huán)境默認(rèn)設(shè)置；載貨汽車模型單元數(shù)為65 107，節(jié)點數(shù)為69 038，共計148個部件。

2.2駕駛員約束系統(tǒng)的建立

轎車有限元模型中沒有乘員約束系統(tǒng)，無法使用有限元仿真得到乘員在事故中可能受到的傷害。因此，對NCAC提供的被動約束系統(tǒng)多剛體模型進(jìn)行了適當(dāng)修改，通過多剛體動力學(xué)軟件MADYMO對乘員傷害進(jìn)行仿真。對約束系統(tǒng)的調(diào)整主要有以下幾個方面。

a.增加駕駛員左側(cè)車門。該車門與車輛底盤進(jìn)行了固定鉸接（JOINT_FREE，Locked），假人與車門玻璃之間的接觸特性參考駕駛員與前擋風(fēng)玻璃間的特性。

b.更改安全氣囊點爆時間。根據(jù)“7-30”原則［7］，轎車與載貨汽車接觸后轎車位移達(dá)到7英尺（17.78cm）的時刻減去30 ms得到氣囊點爆時間，以此時刻對Sbag?firetime和Trgcon_1參數(shù)進(jìn)行修改。

c.修改車體初速度。通過設(shè)置S2_C_PF_Slot_DR_ Interior下的INITIAL.JOINT_VEL對車體初始速度進(jìn)行修改。

d.對車體碰撞過程中的加速度進(jìn)行修改。將有限元仿真得到的轎車約束系統(tǒng)XYZ 3個方向的加速度施加給MADYMO轎車乘員約束系統(tǒng)仿真模型［8］，如圖3所示。

圖3　轎車乘員約束系統(tǒng)模型

2.3模型的驗證

根據(jù)NCAC提供的轎車56.6 km/h正面碰撞試驗報告以及該車LS-DYNA正面碰撞仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

2.3.1碰撞變形對比

由圖4可看出，在正面碰撞仿真中，發(fā)動機(jī)罩在垂直方向上最大變形位于A柱中間位置，試驗與仿真重合度較好。仿真中保險杠與轎車A柱范圍內(nèi)的變形量與試驗結(jié)果也十分接近。因此，從碰撞變形的角度來說，該轎車模型具有良好的擬合度。

圖4　轎車正面碰撞仿真結(jié)果與碰撞試驗結(jié)果對比

2.3.2車輛動態(tài)響應(yīng)對比

通過碰撞仿真與碰撞試驗的動態(tài)特征對比可對車輛有限元結(jié)構(gòu)的適用性進(jìn)行評價。由圖5可看出，該轎車B柱下方位置加速度及發(fā)動機(jī)下方位置加速度仿真值與試驗值總體誤差在10%以內(nèi)，并且加速度峰值出現(xiàn)時刻非常接近。兩個位置的整個正面動態(tài)響應(yīng)過程變化趨勢接近，具有很好的相似性，表明該轎車的有限元結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)仿真度。

圖5　轎車發(fā)動機(jī)下方與左側(cè)B柱加速度

2.3.3成員約束系統(tǒng)多剛體模型有效性

對約束系統(tǒng)多剛體模型進(jìn)行了仿真，得到了假人頭部加速度、頸部軸向力以及胸部壓縮量變化曲線，如圖6所示。從圖6可看出，頭部加速度最大值發(fā)生時刻的仿真值與試驗值較一致，且變化趨勢較接近；胸部壓縮量最大值和發(fā)生時刻的仿真值與試驗值高度一致；頸部拉伸力最大值的仿真值與試驗值接近?？傮w上來說，該多剛體模型對假人在事故中的動態(tài)響應(yīng)具有較好的擬合度，能夠用于該車型乘員損傷重現(xiàn)仿真。

圖6　乘員頭部加速度、頸部拉伸力及胸部壓縮量變化曲線

3　仿真條件與流程

目前，我國載貨汽車后側(cè)防護(hù)裝置主要存在的問題［2］有：未安裝防護(hù)裝置；載貨汽車后下部護(hù)欄離地間隙過高；防護(hù)裝置構(gòu)件橫向尺寸不符合要求或者部分彎折；防護(hù)裝置明顯破損，未有效修復(fù)或更換。針對以上問題設(shè)定如表1所列變量進(jìn)行模擬試驗。

表1　模擬試驗設(shè)定變量

為提高仿真計算效率，采用正交試驗方法對表1中4個因素進(jìn)行研究［9］，則各變量取值范圍及水平如表2所列，通過正交試驗方法設(shè)計的仿真參數(shù)水平如表3所列。仿真試驗流程如圖7所示。

4　仿真結(jié)果與分析

4.1轎車乘員艙侵入量分析

根據(jù)以上方案進(jìn)行仿真試驗。轎車乘員艙最大侵入量仿真結(jié)果如圖8所示。

表2　各變量取值及水平

表3　各仿真參數(shù)取值

圖8　各仿真中轎車乘員艙最大侵入量

乘員艙侵入量隨時間變化曲線如圖9所示。

圖9　乘員艙侵入量隨時間變化曲線

對乘員艙侵入量進(jìn)行了正交試驗分析（方差分析），結(jié)果表明，影響最大侵入量主次順序為：相對速度、碰撞重疊度、載貨汽車后側(cè)防護(hù)裝置離地高度、防護(hù)裝置材料屈服強(qiáng)度。在4種不同因素中，兩車的相對速度決定了碰撞能量的高低，而碰撞重疊度決定了碰撞過程中主要吸能結(jié)構(gòu)的橫向范圍。碰撞能量越高，重疊度越小，載貨汽車對于乘員艙侵入量越大，則乘員在事故中受傷的嚴(yán)重程度越高［10］。而載貨汽車后側(cè)防護(hù)裝置離地高度與材料屬性對于吸能結(jié)構(gòu)的縱向尺寸和吸能能力有著一定的影響，但與相對速度和碰撞重疊度相比，這兩種因素影響程度明顯較低，僅為后兩者的1/3～1/2。

4.2轎車乘員傷害指標(biāo)分析

將有限元仿真得到的乘員艙加速度導(dǎo)入MADYMO仿真模型中，得到如表4所示的HybridIII假人的傷害指標(biāo)。對假人各項傷害指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，得到各仿真指標(biāo)對假人傷害的影響顯著性，如表5所列。

表4　HybridⅢ假人傷害指標(biāo)

表5　歸一化后各變量對各損傷指標(biāo)的影響因素

由表5可知，重疊度對假人頭部HIC和最大大腿軸向力有較大影響，影響因數(shù)分別達(dá)到了4.50和5.56，對胸部的影響則相對較?。幌鄬λ俣葘?個頸部傷害指標(biāo)的影響都很大，其中對頸部最大剪切力的影響因數(shù)達(dá)到28.0，但對假人下肢的影響較小；載貨汽車防護(hù)裝置的離地高度對假人下肢的影響較大，其中對小腿傷害指標(biāo)的影響因數(shù)達(dá)到4.67，但對頭部和胸部的影響較??；材料屈服強(qiáng)度則對假人下肢、胸部壓縮量和頸部最大軸向力的影響極為顯著，其中對最大大腿軸向力的影響因數(shù)達(dá)到12.00。

導(dǎo)致上述問題的原因分析如下：

a.重疊度主要影響人體與車內(nèi)相對橫向位置，進(jìn)而影響人體與車內(nèi)飾接觸部位，主要體現(xiàn)在頭部與左側(cè)車門和轉(zhuǎn)向盤邊緣接觸，增大了頭部HIC值，頸部剪切力值也較高［11］。

b.較高的相對速度提升了碰撞能量和碰撞過程中的加速度，使假人頭部受到更大的慣性力，從而增加了頸部受力，對假人頸部和頭部有比較顯著的影響。

c.離地高度影響了轎車發(fā)動機(jī)艙和乘員艙的變形方式，對下肢損傷的影響較大。

d.載貨汽車后側(cè)防護(hù)裝置防護(hù)強(qiáng)度（材料屈服強(qiáng)度）越強(qiáng)，轎車X方向加速度越高，人體與乘員約束系統(tǒng)接觸的“緩沖效應(yīng)”越小，因此會導(dǎo)致人體下肢和胸部對車輛的接觸特性變得更“硬”，同時也會提高假人頭部的加速度，增加對頸部的影響。

5　結(jié)束語

從汽車相容性的角度出發(fā)，采用正交試驗法，針對轎車與載貨汽車相對行駛速度、載貨汽車后側(cè)防護(hù)裝置強(qiáng)度及離地高度和兩車碰撞重疊度對轎車乘員艙侵入量以及轎車駕駛員身體各部位（頭部、頸部、胸部、大腿和小腿）傷害情況進(jìn)行了試驗分析，結(jié)果表明：

a.汽車速度對乘員艙侵入量、頭部HIC值、頸部損傷參數(shù)（軸向力、剪切力和頸部彎矩）、胸部VC指標(biāo)均有非常顯著的影響。

b.兩車碰撞重疊度對最大侵入量發(fā)生時刻、最大侵入量以及頭部HIC值及下肢損傷指標(biāo)有著顯著影響。

c.后側(cè)防護(hù)裝置強(qiáng)度對最大侵入量發(fā)生時刻、胸部壓縮量、下肢損傷參數(shù)有非常顯著的影響，并且對頸部軸向力以及胸部VC指標(biāo)影響顯著。此外，后側(cè)防護(hù)裝置強(qiáng)度并非越高（或越低）越好，應(yīng)采用合適的后側(cè)防護(hù)裝置強(qiáng)度來降低對轎車乘員的傷害。

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（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年1月1日。

主題詞：轎車-載貨汽車追尾事故駕駛員損傷仿真

Study on Influencing Factors of Car Driver Injury Severity in Car-truck Rear End Collision

Li Hao，Zhang Jinhuan，Liu Chen，Zhou Yong
（State Key Lab of Automotive Safety and Energy，Tsinghua University）

【Abstract】In this research，car-truck rear end collisions which occur frequently on China highways are simulated and analyzed，and the influencing degree of different factors on car drivers’injury in rear-end collision is determined. According to the accident vehicle mass statistic data from National Automobile Accident In-Depth Investigation System （NAIS），car&truck model with suitable mass are selected from National Crash Analysis Center（NCAC），and effectiveness of these models are verified.An orthogonal test is conducted to analyze the influence of relative speed，overlap ratio，material strength and height of the rear end protection device of the truck on the intrusion of passenger compartment and driver injury parameters，such as the head，neck injury，thorax injury，under leg and shank injury.The results show that the vehicle speed and overlap ratio affect greatly passenger compartment intrusion.Relative speed and the material strength of protection device of the truck play a greater role affecting the injury severity of the driver’s head and neck.

Key words:Car-truck，Rear end collision，Driver injury，Simulation

中圖分類號：U467.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）05-0057-05