于倩，金宇，于沐含，張思佳

（大連裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116110）

某轎車(chē)翻滾碰撞乘員損傷研究

于倩，金宇，于沐含，張思佳

（大連裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116110）

文章通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析，研究車(chē)內(nèi)乘員在某轎車(chē)翻滾碰撞過(guò)程中的損傷，運(yùn)用HyperMesh建立整車(chē)及試驗(yàn)平臺(tái)車(chē)的有限元模型，所使用的假人模型來(lái)自VPG（虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)）軟件中自帶的非商業(yè)假人可變形50百分位假人模型，采用顯示有限元分析軟件LS-DYNA進(jìn)行求解，得到整車(chē)在車(chē)輛翻滾碰撞過(guò)程中乘員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提取乘員各主要部位的損傷值，分析乘員的損傷原因，為乘員的保護(hù)提供依據(jù)。

LS-DYNA；翻滾碰撞；乘員損傷

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.040

CLC NO.: U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-125-04

前言

近年來(lái)，在我國(guó)雖然道路交通條件得到改善，但隨著車(chē)輛速度的提高及汽車(chē)保有量的逐年增加，交通事故和人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失依然嚴(yán)峻。因此，本文針對(duì)乘員在車(chē)輛翻滾碰撞事故中的損傷進(jìn)行研究，為乘員保護(hù)并減少乘員傷亡提供依據(jù)。

平臺(tái)車(chē)翻車(chē)試驗(yàn)?zāi)軌蚍从吵藛T在車(chē)輛翻滾過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此本論文采用平臺(tái)翻車(chē)試驗(yàn)方法進(jìn)行仿真分析，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，得到在車(chē)輛翻滾碰撞過(guò)程中副駕駛側(cè)乘員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提取翻滾碰撞過(guò)程中主要部位的損傷值，分析乘員的損傷原因，為乘員的保護(hù)提供依據(jù)。[1]

1、翻滾碰撞仿真模型的建立

根據(jù)美國(guó)EAT公司開(kāi)發(fā)的VPG（虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)）軟件中的汽車(chē)碰撞仿真專門(mén)模塊VPG/Safety的仿真步驟和流程建立本文的翻滾碰撞仿真模型。

1.1 乘員約束系統(tǒng)模型

1.1.1 輸入模型

輸入假人有限元模型，本文采用VPG軟件中自帶的非商業(yè)假人可變形50百分位假人模型（Deforable 50%），輸入假人的H點(diǎn)坐標(biāo)，調(diào)用假人模型并對(duì)其坐姿進(jìn)行調(diào)整，使該模型與座椅及車(chē)內(nèi)空間的位置協(xié)調(diào)以符合實(shí)際情況。

輸入安全帶模型，本文采用VPG軟件中自帶三點(diǎn)式安全帶模型，根據(jù)實(shí)際情況定義安全帶的傳感器單元、卷收器單元、預(yù)緊器單元等的相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)安全帶的功用。

1.1.2 約束系統(tǒng)模型驗(yàn)證

對(duì)于建立好的乘員約束系統(tǒng)模型，需要對(duì)其約束性能進(jìn)行有效驗(yàn)證，在約束系統(tǒng)模型的驗(yàn)證仿真過(guò)程中，對(duì)假人模型施加一定的初速度，如圖1所示，假人將向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)安全帶能夠及時(shí)鎖止，阻止與安全帶接觸的胸部和腹部的向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)人體產(chǎn)生減速度，向后運(yùn)動(dòng)，從而使假人模型很好的被束縛在座椅上，防止乘員發(fā)生二次碰撞。由此可看出，所建立的乘員約束系統(tǒng)模型能夠起到一定的約束作用。

1.2 翻滾碰撞仿真模型

1.2.1 輸入模型

輸入整車(chē)、試驗(yàn)平臺(tái)車(chē)和乘員約束系統(tǒng)的有限元模型，并進(jìn)行組裝，如圖2所示，得到車(chē)輛翻滾碰撞仿真的有限元模型。

1.2.2 建立接觸

在VPG軟件中，提供了多種接觸方式，本文將車(chē)輪胎與平臺(tái)車(chē)的接觸、假人與車(chē)內(nèi)內(nèi)飾所有可能的接觸定義為自動(dòng)面面接觸，通過(guò)關(guān)鍵字AUTOMATIC_SURFACE_TO_ SURFACE進(jìn)行定義[2]，其中假人與車(chē)內(nèi)內(nèi)飾的接觸主要包括假人與座椅、側(cè)門(mén)、假人側(cè)的地板和車(chē)頂以及安全帶；將整車(chē)中的部件定義一個(gè)總體單面接觸，通過(guò)關(guān)鍵字AUTO MATIC_SINGLE_SURFACE進(jìn)行定義；將轎車(chē)與路面的接觸通過(guò)RIGIDWALL進(jìn)行定義。

1.2.3 定義初始條件

根據(jù)平臺(tái)車(chē)翻車(chē)試驗(yàn)要求，對(duì)已建立的仿真模型施加初始速度，大小為48km/h；同時(shí)對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)車(chē)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定義，在0至0.06s時(shí)平臺(tái)車(chē)將保持勻速運(yùn)動(dòng)，大小為48km/h，在0.06s時(shí)開(kāi)始緊急制動(dòng)，并在0.128s時(shí)減速至0。[3]由于平臺(tái)車(chē)擋塊的阻擋，整車(chē)將脫離平臺(tái)車(chē)并延Y向發(fā)生翻滾碰撞，試驗(yàn)平臺(tái)車(chē)的速度曲線如圖3所示。

2、乘員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

2.1 整車(chē)翻滾軌跡

如圖4所示，為車(chē)輛翻滾碰撞仿真過(guò)程轎車(chē)車(chē)身左右兩側(cè)Y向的速度曲線，在0.06s之前，由于轎車(chē)與試驗(yàn)平臺(tái)車(chē)共同向前運(yùn)動(dòng)未發(fā)生分離，因此兩側(cè)速度保持一致。當(dāng)平臺(tái)車(chē)開(kāi)始制動(dòng)，由于慣性力作用，轎車(chē)將繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致轎車(chē)左側(cè)輪胎與試驗(yàn)平臺(tái)車(chē)的擋板相撞，使轎車(chē)的左右兩側(cè)將產(chǎn)生速度差，如圖所示，轎車(chē)右側(cè)的速度大于左側(cè)速度，因此車(chē)輛發(fā)生翻轉(zhuǎn)，與實(shí)際情況吻合，本文仿真時(shí)間為1.2s，在1.2s時(shí)車(chē)輛恢復(fù)至停放狀態(tài)，如圖顯示有繼續(xù)發(fā)生翻滾的趨勢(shì)。說(shuō)明仿真結(jié)果可靠，可用于下一步的分析研究。

2.2 乘員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)算，提取乘員在車(chē)輛發(fā)生翻滾碰撞過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 如圖5顯示了車(chē)輛從駕駛員側(cè)開(kāi)始翻滾，假人模型置于副駕駛位置，即遠(yuǎn)地端時(shí)假人在車(chē)輛翻滾碰撞過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，滿足了試驗(yàn)條件最?lèi)毫拥姆抡嬖瓌t。

3、乘員損傷分析

在車(chē)輛翻滾碰撞過(guò)程中，車(chē)內(nèi)乘員的損傷機(jī)理主要有兩種情況：有安全保護(hù)裝置（如安全帶、安全氣囊等）和沒(méi)有安全保護(hù)裝置。在沒(méi)有安全保護(hù)裝置的車(chē)內(nèi)，發(fā)生翻滾碰撞時(shí)，乘員很容易與座椅發(fā)生脫離，與車(chē)內(nèi)飾件發(fā)生二次碰撞，甚至被甩出車(chē)外，造成嚴(yán)重的人體損傷；在有安全保護(hù)裝置的車(chē)內(nèi)，乘員可以被約束在座椅上，可以減少與車(chē)內(nèi)飾件發(fā)生的碰撞，但是安全帶的壓力會(huì)對(duì)乘員的胸部造成傷害，同時(shí)過(guò)大的加速度也會(huì)對(duì)頭部及頸部等造成損傷[4]。

3.1 頭部損傷分析

在本文的仿真分析中，在車(chē)內(nèi)裝有安全保護(hù)裝置安全帶，在圖6所示的乘員在翻滾碰撞中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以看出，三點(diǎn)式安全帶可以很好的將乘員束縛在座椅上，對(duì)乘員起到了一定的保護(hù)作用[5]。

圖6乘員的頭部加速度曲線及對(duì)應(yīng)的頭部損傷值HIC，曲線顯示頭部的加速度出現(xiàn)了兩處峰值，分別是在0.6s和1.05s時(shí)刻。在0.6s時(shí)刻，車(chē)頂?shù)挠覀?cè)邊梁與地面接觸，第一次對(duì)車(chē)內(nèi)乘員產(chǎn)生沖擊，但是由于在邊梁撞擊地面之前，車(chē)身的右側(cè)圍將先接觸地面，因撞擊發(fā)生變形，使得對(duì)乘員的沖擊起到緩解作用，此時(shí)頭部的加速度值為45g；在1s時(shí)刻，此時(shí)車(chē)輛發(fā)生二次翻轉(zhuǎn)且右側(cè)車(chē)輪撞擊到地面，圖6顯示，頭部所受的加速度急劇增加，并在1.05s時(shí)頭部加速度達(dá)到最大值57g，該值低于法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)值80g，其中，頭部損傷值為493.4，低于法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)值1000，兩者均滿足法規(guī)要求。

3.2 頸部損傷分析

如圖7所示為頸部受力曲線，頸部分別在四個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)壓縮力峰值，其他時(shí)間段皆受拉伸力的作用。頸部受到壓縮力的第一個(gè)時(shí)間段為0.11s～0.15s，此時(shí)由于試驗(yàn)平臺(tái)車(chē)突然靜止，轎車(chē)輪胎撞擊到平臺(tái)車(chē)的擋板，此時(shí)乘員的頸部向左彎曲壓縮，壓縮力的值并不大，為1.5KN；在0.42s～0.83s時(shí)間段內(nèi)頸部受到第二次壓縮，轎車(chē)與試驗(yàn)平臺(tái)分離后發(fā)生翻滾后左側(cè)車(chē)圍、車(chē)頂開(kāi)始逐漸接觸地面，在此期間，頸部壓縮力出現(xiàn)最大值，在0.65s至0.72s，從車(chē)輛的左后輪接觸地面的瞬間開(kāi)始至車(chē)頂與地面接觸并離開(kāi)地面這一時(shí)刻結(jié)束，在左后車(chē)輪接觸地面的瞬間，乘員的頸部受到劇烈的沖擊，所受的壓力急劇加大，隨著車(chē)輛繼續(xù)翻滾，左側(cè)圍及車(chē)頂也開(kāi)始接觸地面，此時(shí)，與地面接觸區(qū)域的部件發(fā)生變形，吸收部分能量，乘員頸部所受的壓力有減小趨勢(shì)，此后，由于車(chē)頂發(fā)生變形，使乘員的生存空間發(fā)生變化，乘員的頭部與車(chē)頂發(fā)生碰撞，致使頸部壓縮力再次增大，期間的最大值為5.2KN；在0.87s～0.9s時(shí)間段內(nèi)頸部受到第三次壓縮，車(chē)輛車(chē)頂著地后繼續(xù)翻轉(zhuǎn)并恢復(fù)到正常狀態(tài)前，乘員的身體在安全帶作用下，逐漸隨著座椅恢復(fù)到正常狀態(tài)，但頸部由于缺少相應(yīng)的保護(hù)措施，仍處于向右彎曲的狀態(tài)，受到壓縮力，其值為2.7KN；在1.02s～1.06s時(shí)間段內(nèi)，頸部受到第四次壓縮，這段時(shí)間內(nèi)車(chē)輛右后車(chē)輪著地發(fā)生二次翻轉(zhuǎn)，車(chē)輪對(duì)地面的沖擊使頸部再次受到壓縮力作用，峰值為4.4KN。在車(chē)輛翻滾過(guò)程中，頸部壓縮力的最大峰值約為5.2KN，此外在車(chē)輛發(fā)生二次翻滾時(shí)，頸部壓縮力的峰值為4.6KN，均超過(guò)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)值4KN；在其它時(shí)間段內(nèi)，頸部一直受到拉伸力的作用，且所受的拉伸力的最大峰值約為2.2KN，符合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)值3.3KN。

3.3 胸部損傷分析

如圖8所示為乘員的胸部壓縮量曲線，乘員胸部壓縮量從0.6s開(kāi)始逐漸增加，在0.7s時(shí)達(dá)到最大值26mm，這一過(guò)程從車(chē)體左側(cè)圍與車(chē)頂交界處接觸到地面開(kāi)始，至0.7s時(shí)車(chē)頂全部接觸地面，此時(shí)乘員在車(chē)內(nèi)幾乎豎直垂直于地面，由于安全帶的作用，乘員被很好的約束在座椅上，但是安全帶的拉力也對(duì)乘員的胸部產(chǎn)生沖擊力，使胸部被壓縮，之后隨著車(chē)體的繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，乘員狀態(tài)隨著改變，胸部的沖擊力逐漸變小。胸部壓縮量的最大值為26mm低于法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求的75mm。

3.4 大腿損傷分析

如圖9所示，（a）、（b）分別為乘員左、右兩側(cè)大腿所受的軸向力曲線，圖中乘員腿部分別在三個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)峰值。首先，乘員腿部軸向力在0.1s時(shí)刻出現(xiàn)峰值，亦為最大值，右側(cè)受力為4.8KN，且右側(cè)所受的沖擊力大于左側(cè)所受的沖擊力，左側(cè)腿部受力為3.3KN，此時(shí)，由于試驗(yàn)平臺(tái)車(chē)的緊急制動(dòng)，導(dǎo)致左側(cè)車(chē)輪與平臺(tái)車(chē)的擋板發(fā)生撞擊，腿部將受到?jīng)_擊，在慣性力的作用下右側(cè)大腿先與右側(cè)車(chē)門(mén)發(fā)生撞擊因此所受沖擊力大于左側(cè)；在0.7s～0.78s時(shí)間段內(nèi)，轎車(chē)頂部接觸地面，此時(shí)車(chē)體與人體均為倒置的狀態(tài)，隨著車(chē)輛的繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，由于安全帶的作用，乘員沒(méi)有被拋離座椅，但是腿部在重力的作用下將下落并與儀表板、風(fēng)擋玻璃等發(fā)生撞擊，出現(xiàn)受力峰值，右側(cè)大腿受力大小約為2KN，左側(cè)為1.2KN；1.02s～1.1s時(shí)間段內(nèi)，車(chē)輛經(jīng)過(guò)二次翻轉(zhuǎn)接近停放狀態(tài)，乘員也從之前的倒置狀態(tài)逐漸下落恢復(fù)正常，在這一過(guò)程中，左、右腿先后下落并與車(chē)內(nèi)飾件、風(fēng)擋玻璃等發(fā)生撞擊，腿部沖擊力出現(xiàn)峰值，右側(cè)為2.9KN，左側(cè)為2.3KN。在上述過(guò)程中，乘員大腿所受軸向力的最大值為4.8KN，低于法規(guī)規(guī)定的10KN。

4、乘員損傷評(píng)價(jià)

頭部加速度、頭部損傷值HIC、頸部受力、胸部壓縮量及大腿所受的軸向力皆為乘員損傷程度評(píng)價(jià)的單一指標(biāo)。為了對(duì)乘員的損傷情況進(jìn)行總體的評(píng)價(jià)，可以通過(guò)設(shè)立加權(quán)因子的方法，對(duì)單一的傷害指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到正則化傷害評(píng)估值WIC（Weight Injury Critrion），通過(guò)式（1）計(jì)算得到，其中，計(jì)算得到的WIC值要求小于1，且越低，則乘員的所受的損傷程度越輕[6]。

式中HIC36為36ms頭部損傷值；Ccomp6為胸部壓縮量，單位為m；Fl、Fr分別為左腿和右腿的軸向沖擊力，單位為KN。

在本文中，乘員乘員的各部位損傷結(jié)果由上一節(jié)可知：HIC36=493.4，Ccomp=0.026m ，F(xiàn)l=3.4KN ，F(xiàn)r=4.8KN ，將其代入式（1）計(jì)算得到WIC=0.418，其值小于1，說(shuō)明乘員在安全帶的約束作用下得到了一定的保護(hù)，沒(méi)有受到致命性的傷害。

5、結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)車(chē)試驗(yàn)方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)的仿真運(yùn)算，試驗(yàn)車(chē)輛為轎車(chē)，乘員所在位置為副駕駛側(cè)，滿足試驗(yàn)條件最?lèi)毫拥姆抡嬖瓌t。得出乘員在車(chē)輛翻滾碰撞過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及乘員各主要部位的傷害值并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)乘員的損傷機(jī)理進(jìn)行分析得出結(jié)論。乘員的頭部加速度、胸部壓縮量以及大腿所受的軸向力皆在法規(guī)要求的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，說(shuō)明安全帶對(duì)乘員起到了一定的保護(hù)作用。但是，乘員頸部受力并不滿足法規(guī)要求，主要因?yàn)榘踩珟Р⒉荒軌驅(qū)Τ藛T的頭部及頸部起到相應(yīng)的約束作用，安全帶的保護(hù)作用還不夠全面，仍需要其他的防護(hù)裝置，如可根據(jù)各主要部位的損傷情況，在不同部位增設(shè)安全氣囊等，為乘員提供更為全面的保護(hù)。

[1] 曹立波, 顏凌波. 汽車(chē)翻滾安全性研究及實(shí)驗(yàn)概覽. 汽車(chē)工程學(xué)報(bào), 2012, 2(4): 235-248.

[2] 金晶, 吳新躍. 有限元網(wǎng)格劃分相關(guān)問(wèn)題分析研究. 計(jì)算機(jī)輔助工程, 2005, 14 (2): 75-78.

[3] FMVSS 208. 49 CFR Part 571—Federal Motor Vehicle Safety Standards No. 208 Occupant Crash Protection[S].

[4] 汪明瑤. 汽車(chē)翻滾碰撞及乘員傷害保護(hù)的研究. 武漢理工大學(xué)碩士論文,2013.

[5] 何歡, 車(chē)輛翻滾仿真技術(shù)與應(yīng)用研究. 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2007.

[6] 劉意. 基于乘員保護(hù)的汽車(chē)碰撞仿真分析. 重慶理工大學(xué)碩士論文,2011.

[7] 邰永剛, 孫凌玉, 周喆. 大客車(chē)翻滾碰撞性能研究與改進(jìn)設(shè)計(jì).機(jī)械科學(xué)與技術(shù). 2005. 24(12): 1420-1422.

[8] U.S.Dixit. Finite Element Methods For Engineers. Cengage Learning Asia, 2012

[9] 孫信, 王青春, 桂良進(jìn), 王麗娟, 范子杰. 大客車(chē)翻滾安全性有限元分析. 汽車(chē)技術(shù). 2007.

[10] 亓文果. 基于ECE R66法規(guī)的客車(chē)側(cè)翻安全性能的仿真與優(yōu)化.汽車(chē)工程. 2010. 32(12): 1042-1046.

Research on Occupant Injury of A Car Rollover Crash

Yu Qian, Jin Yu, Yu Muhan, Zhang Sijia
（Dalian Equipment Manufacturing College, Liaoning Dalian 116110）

This article researches on occupant injury in a car rollover crash by computer simulation. Establishes a finite element model of the vehicle and a domestic car by HyperMesh.The dummy in this article comes from VPG(virtual practice ground), the non-commercial deformable 50%.LS-DYNA is explicit finite analysis software, it calculates the crash model, gets motion state of the vehicle and occupant during rollover crash; extracts the major parts of occupant injury values, analyzes the reasons for occupant injury, provides the basis for the occupant protection.

LS-DYNA; rollover impact; occupant injury

U462.2

A

1671-7988(2016)10-125-04

于倩（1989.10-），女，助教，碩士，就職于大連裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程系，研究方向：車(chē)輛CAD/CAM/CAE。