時(shí)鳳奎

(天津市交通教育培訓(xùn)中心, 天津 300012)

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基于車輛-護(hù)欄碰撞的乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)相關(guān)性分析

時(shí)鳳奎

(天津市交通教育培訓(xùn)中心, 天津 300012)

針對車輛護(hù)欄碰撞時(shí)的乘員安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，建立了車輛-乘員-護(hù)欄碰撞系統(tǒng)有限元模型，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模型有效性驗(yàn)證。利用HyperMesh和LS-DYNA軟件，選取50,70,100 km/h 和120 km/h等不同碰撞速度，和20°,25°,30°等不同碰撞角度組合，進(jìn)行了12組車輛護(hù)欄碰撞仿真試驗(yàn)，獲取碰撞過程中車輛質(zhì)心處和乘員頭部縱向、橫向、垂向的加速度數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算分析了乘員加速度傷害指標(biāo)(ASI)、理論頭部碰撞速度(THIV)、碰撞后頭部減速度(PHD)以及頭部傷害指標(biāo)(HIC)等乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)值。在此基礎(chǔ)上，采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，分析了各乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)與頭部傷害指標(biāo)HIC的量化對應(yīng)關(guān)系。研究結(jié)果表明：ASI與HIC具有較好的相關(guān)性;ASI與HIC之間用指數(shù)函數(shù)擬合，且擬合度為0.91。

交通工程；評價(jià)指標(biāo)；車輛-護(hù)欄碰撞;乘員風(fēng)險(xiǎn);相關(guān)性分析

0 引言

護(hù)欄是對失控車輛進(jìn)行安全防護(hù)的重要道路交通基礎(chǔ)設(shè)施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國高速公路交通事故中約有30%是由于車輛與路側(cè)護(hù)欄碰撞后失控駛離道路導(dǎo)致的，且由此造成的特、重大惡性交通事故占比達(dá)到60%以上。因此，如何評價(jià)車輛與護(hù)欄碰撞過程中的乘員安全風(fēng)險(xiǎn)顯得十分必要和具有現(xiàn)實(shí)意義。

實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)是國內(nèi)外通用的交通安全防護(hù)設(shè)施和車輛本體安全性能評價(jià)方法，其關(guān)鍵在于乘員安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。目前我國針對車輛護(hù)欄碰撞的乘員安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)相關(guān)性的研究經(jīng)驗(yàn)較少。文獻(xiàn)[1]選取了10余組車輛實(shí)車碰撞護(hù)欄的試驗(yàn)案例進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，我國現(xiàn)行交通安全防護(hù)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)限值偏高。文獻(xiàn)[2]研究發(fā)現(xiàn)車輛重心10 ms平均加速度的變化對頭部和胸部傷害的影響呈較為強(qiáng)烈的線性關(guān)系，且對乘員的頭部損傷影響最大。交通安全防護(hù)設(shè)施和車輛本體安全性能評價(jià)目標(biāo)一致，但二者在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的評價(jià)指標(biāo)迥異。如何統(tǒng)一量化現(xiàn)行交通安全防護(hù)設(shè)施的乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)與乘員頭部傷害指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系問題亟需研究。因此，本文建立車輛-乘員-護(hù)欄碰撞系統(tǒng)有限元模型，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模型有效性驗(yàn)證。借鑒EN 1317，利用Hyper Mesh和LS-DYNA軟件，選取碰撞速度為50，70，100 km/h 和120 km/h，碰撞角度為20°，25°和30°條件下，對12組車輛護(hù)欄碰撞試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，計(jì)算ASI、THIV以及PHD等乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)值。在此基礎(chǔ)上，分析現(xiàn)行交通安全防護(hù)設(shè)施的乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)與乘員傷害值HIC的量化對應(yīng)關(guān)系。該研究成果將對我國護(hù)欄相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制、修訂，試驗(yàn)研究及開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

1 基礎(chǔ)理論

乘員風(fēng)險(xiǎn)是指車輛與護(hù)欄碰撞過程中乘員受到的傷害程度。乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法分為車輛乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法和防護(hù)設(shè)施乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，分別以交通安全防護(hù)設(shè)施和車輛為對象，其具體評價(jià)方法分為歐盟和美國兩大體系。

1.1 車輛乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

車輛碰撞乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法在美國的《乘員在車內(nèi)碰撞時(shí)的保護(hù)》(FMVSS 201)、《乘員碰撞保護(hù)》(FMVSS 208)及《側(cè)撞保護(hù)》(FMVSS 214)等，歐盟的《正撞乘員保護(hù)》(ECE R94)、《關(guān)于車輛側(cè)面碰撞乘員保護(hù)認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》(ECE R95)等均有體現(xiàn)。我國現(xiàn)執(zhí)行的《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》(GB 11551)、《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》(GB 20071)，及《乘用車后碰燃油系統(tǒng)安全要求》(GB 20072)，主要來源于歐盟標(biāo)準(zhǔn)體系。

車輛乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法是通過在車輛上安裝特定的碰撞試驗(yàn)假人模擬車輛與護(hù)欄碰撞時(shí)乘員的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，通過內(nèi)置于假人體內(nèi)關(guān)鍵部位的傳感器采集數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算乘員受傷程度，直接評價(jià)指標(biāo)包括頭部傷害指標(biāo)(HIC)、胸部性能指標(biāo)(THPC)及腿部性能指標(biāo)(FPC)等。本文僅考慮頭部傷害指標(biāo)(HIC)作為乘員風(fēng)險(xiǎn)直接評價(jià)指標(biāo)。

頭部傷害指標(biāo)(HIC)是用于評價(jià)車輛碰撞護(hù)欄試驗(yàn)中乘員頭部傷害程度的重要指標(biāo)[3]。按式(1)計(jì)算：

(1)

式中，a(t)為碰撞過程中假人頭部中心處的合成加速度；t1,t2為碰撞過程中的從初始接觸到最后接觸的任意兩個(gè)時(shí)刻，t2-t1≤36 ms。在我國現(xiàn)行護(hù)欄相關(guān)規(guī)范中，規(guī)定頭部傷害指標(biāo)(HIC)不應(yīng)超過1 000，即乘員頭部所能承受的傷害極限值。

2.2 交通安全防護(hù)設(shè)施乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

交通安全防護(hù)設(shè)施乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法在歐盟的《道路防護(hù)系統(tǒng)》(EN 1317)[4]和美國的《安全設(shè)施評價(jià)手冊》(MASH)[5]最具代表性，我國現(xiàn)執(zhí)行的《公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05—01)就是在此基礎(chǔ)上衍生而來[1]。該評價(jià)方法提出了乘員風(fēng)險(xiǎn)模型，如連枷空間模型和加速度嚴(yán)重指數(shù)(ASI)，用測量車輛加速度的間接方法，作為車內(nèi)乘員安全性能的替代指標(biāo)[1]。車輛與護(hù)欄碰撞過程中，通過加速度傳感器采集車輛質(zhì)心處縱向、橫向、垂向的三向加、減速度數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算乘員傷害指標(biāo)值。其評價(jià)指標(biāo)包括加速度嚴(yán)重性指數(shù)(ASI)、理論頭部撞擊速度(THIV)及碰撞后頭部減速度(PHD)[6]。

(1)加速度嚴(yán)重性指數(shù)(ASI)

加速度嚴(yán)重性指數(shù)(ASI)是評價(jià)車輛碰撞護(hù)欄過程中乘員傷害嚴(yán)重程度的指標(biāo)[7]。按式(2)計(jì)算：

(2)

(2)理論頭部碰撞速度(THIV)

頭部碰撞速度(THIV)是乘員頭部和乘員艙內(nèi)部碰撞的瞬間相對速度，用于衡量乘員(頭部)撞擊乘員艙內(nèi)表面的劇烈程度。按式(3)計(jì)算：

(3)

式中，Vx(T)和Vy(T)分別為在碰撞瞬間乘員相對于車體坐標(biāo)系的速度。

(3)碰撞后頭部減速度(PHD)

碰撞后頭部減速度(PHD)是車輛碰撞護(hù)欄后，乘員頭部與乘員艙內(nèi)部表面接觸，二者相同的減速度。按式(4)計(jì)算：

(4)

表1 乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)

上述兩種乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法均致力于將標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際乘員損傷的概率聯(lián)系起來，在實(shí)際車輛和交通安全防護(hù)設(shè)施設(shè)計(jì)過程中，各方均按照不同評價(jià)指標(biāo)執(zhí)行。我國針對車輛護(hù)欄碰撞的乘員安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)相關(guān)性的研究經(jīng)驗(yàn)較少。因此，本文研究目的在于利用12組實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討交通安全防護(hù)設(shè)施碰撞與車輛耐撞性測試之間乘員風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的關(guān)系。

2 車輛護(hù)欄碰撞系統(tǒng)模型建立及驗(yàn)證

2.1 車輛-乘員-護(hù)欄碰撞系統(tǒng)模型建立

利用前處理軟件HyperMesh，導(dǎo)入某乘用車和某半剛性兩波梁護(hù)欄模型，建立車輛-乘員-護(hù)欄碰撞系統(tǒng)模型[8]。車輛前排座椅安放2個(gè)HybridⅢ型假人，并予以配載保證其質(zhì)心高度與實(shí)車滿載質(zhì)心高度偏差不超過0.02 m[9]，其基本技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 車輛-乘員-護(hù)欄碰撞系統(tǒng)參數(shù)

利用LS-DYNA軟件，車輛與護(hù)欄以碰撞速度100 km/h、碰撞角度20°進(jìn)行碰撞仿真。將輪胎與地面、車身與護(hù)欄、假人與車輛內(nèi)飾件，及假人與安全帶設(shè)置成自動(dòng)接觸，車輛與護(hù)欄間的摩擦系數(shù)取0.1，輪胎與地面間的摩擦系數(shù)取0.7。車輛-乘員-護(hù)欄碰撞系統(tǒng)有限元模型如圖1所示。

圖1 車輛護(hù)欄碰撞系統(tǒng)模型Fig.1 Vehicle-guardrail impact system model

2.2 模型有效性驗(yàn)證

按照前述車輛-乘員-護(hù)欄系統(tǒng)仿真碰撞試驗(yàn)條件，準(zhǔn)備相應(yīng)實(shí)車護(hù)欄碰撞試驗(yàn)。車輛-乘員-護(hù)欄系統(tǒng)碰撞過程，如圖2所示。將實(shí)車碰撞試驗(yàn)采集的車身質(zhì)心處加速度與相應(yīng)的仿真結(jié)果對比見圖3，二者的線形和值域基本吻合，從而驗(yàn)證了車輛-乘員-護(hù)欄碰撞系統(tǒng)有限元模型的有效性。

圖2 實(shí)車碰撞試驗(yàn)Fig.2 Real vehicle impact test

圖3 質(zhì)心處加速度值Fig.3 Acceleration values at centroid

3 車輛碰撞護(hù)欄的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

車輛與護(hù)欄碰撞過程是復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程，碰撞結(jié)果與護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式、車輛總質(zhì)量、碰撞速度、碰撞角度、車輛質(zhì)心高度以及車輛幾何尺寸等諸多因素有關(guān)[10]。在前述車輛-乘員-護(hù)欄碰撞系統(tǒng)基礎(chǔ)上，本文選取了碰撞速度分別為50,70,100 km/h 和 120 km/h，碰撞角度分別為20°,25°和30°情況下，共計(jì)12組車輛與護(hù)欄碰撞試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析。

3.1 車輛運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)

車輛碰撞護(hù)欄后的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)對乘員損傷嚴(yán)重程度有著很大影響。通過12組仿真碰撞試驗(yàn)，其最大俯仰角、最大側(cè)傾角以及駛出角見表3。

表3 最大俯仰角、最大側(cè)傾角以及駛出角

碰撞過程中車輛的運(yùn)行狀態(tài)各不相同。仿真結(jié)果表明：除碰撞角度30°且碰撞速度120 km/h時(shí)，車輛的最大側(cè)傾角到30.9°，其他最大俯仰角和最大側(cè)傾角均非常小。碰撞后車輛與護(hù)欄未出現(xiàn)阻絆、橫轉(zhuǎn)、掉頭等現(xiàn)象，其駛出角均小于碰撞角度的60%[11]。

3.2 乘員風(fēng)險(xiǎn)間接評價(jià)指標(biāo)3.2.1 理論頭部碰撞速度(THIV)與碰撞后頭部減速度(PHD)

車輛碰撞護(hù)欄理論頭部碰撞速度(THIV)與碰撞后頭部減速度(PHD)，見表4。仿真分析結(jié)果表明：由于波形護(hù)欄橫向發(fā)生彎曲變形吸能，理論頭部碰撞速度(THIV)與碰撞后頭部減速度(PHD)均未超過評價(jià)指標(biāo)閾值，符合EN 1317有關(guān)規(guī)定。

表4 車輛碰撞護(hù)欄理論頭部碰撞速度與碰撞后頭部減速度

3.2.2 加速度嚴(yán)重性指數(shù)(ASI)

通常加速度嚴(yán)重性指數(shù)(ASI)達(dá)到C級屬于高危險(xiǎn)情況[12]。仿真試驗(yàn)結(jié)果加速度嚴(yán)重性指數(shù)，見表5。仿真分析結(jié)果表明：當(dāng)車輛碰撞速度達(dá)到120 km/h 時(shí)，車輛與護(hù)欄碰撞具有較高的危險(xiǎn)性。

表5 加速度嚴(yán)重性指數(shù)

3.3 頭部傷害指標(biāo)(HIC)

試驗(yàn)假人HIC值見表6。通過碰撞仿真試驗(yàn)可知，隨著碰撞速度增加，HIC值呈遞增趨勢；隨著碰撞碰撞角度增加，HIC值亦呈遞增趨勢。在碰撞速度120 km/h且碰撞角度30°時(shí)，試驗(yàn)假人HIC值超過標(biāo)準(zhǔn)范圍值1 000。其主要由于車輛與護(hù)欄碰撞時(shí)，試驗(yàn)假人頭部與車門發(fā)生二次碰撞，導(dǎo)致其HIC值達(dá)到1 529，對乘員安全造成威脅。

表6 試驗(yàn)假人HIC值

4 乘員損傷相關(guān)性分析

在前述研究基礎(chǔ)上，采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件擬合計(jì)算，得到假人頭部傷害指標(biāo)(HIC)與乘員加速度嚴(yán)重性指數(shù)(ASI)、理論頭部碰撞速度(THIV)及碰撞后頭部減速度(PHD)等乘員風(fēng)險(xiǎn)間接評價(jià)指標(biāo)的關(guān)系。擬合度R2是判斷回歸模型擬合程度優(yōu)劣最常用的數(shù)量指標(biāo)。擬合度R2越大，模型擬合程度越高。

(1)ASI與HIC相關(guān)性

經(jīng)計(jì)算，假人頭部傷害指標(biāo)(HIC)與乘員加速度嚴(yán)重性指數(shù)(ASI)的回歸模型見式(5)，該回歸模型的擬合度R2為0.92，該模型擬合度較好。

(5)

式中，HIC為乘員頭部傷害指標(biāo);ASI為乘員加速度嚴(yán)重性指數(shù)。二者關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 ASI和HIC關(guān)系圖Fig.4 Relation between ASI and HIC

(2)THIV與HIC相關(guān)性

經(jīng)計(jì)算，假人頭部傷害指標(biāo)(HIC)與理論頭部碰撞速度(THIV)的回歸模型見式(6)，該回歸模型的擬合度R2為0.53，該模型擬合度弱，很難說明二者間具依賴關(guān)系。

HIC=0.005·THIV3.95，

(6)

式中，HIC為乘員頭部傷害指標(biāo)；THIV為理論頭部碰撞速度。二者關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 THIV和HIC關(guān)系圖Fig.5 Relation between THIV and HIC

(3)PHD與HIC相關(guān)性

經(jīng)計(jì)算，假人頭部傷害指標(biāo)(HIC)與碰撞后頭部減速度(PHD)的回歸模型見式(7)，該回歸模型的擬合度R2為0.66，該模型擬合度較弱。

(7)

式中，HIC為乘員頭部傷害指標(biāo)；PHD為乘員加速度傷害指標(biāo)。二者關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 PHD和HIC關(guān)系圖Fig.6 Relation between PHD and HIC

5 結(jié)論

研究表明：車輛與護(hù)欄碰撞過程中，乘員加速度傷害指標(biāo)(ASI)與頭部傷害指標(biāo)(HIC)之間具有較好的相關(guān)性。乘員加速度傷害指標(biāo)(ASI)與頭部傷害指標(biāo)(HIC)采用指數(shù)函數(shù)擬合，且擬合度為0.91。該研究成果將有助于車輛和交通安全防護(hù)設(shè)施在設(shè)計(jì)過程中乘員安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)一，對我國車輛和護(hù)欄相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制、修訂，試驗(yàn)研究及開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

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Correlation Analysis on Occupant Risk Evaluation Indexes Based on Vehicle-guardrail Impact

SHI Feng-kui

(Tianjin Traffic Education Trainning Center, Tianjin 300012, China)

For the assessment of occupant safety risk under vehicle-guardrail impact, a finite element model of vehicle-occupant-guardrail impact system is established, and the effectiveness of the model is verified based on the test result. Selecting the combinations of different impact speeds such as 50 km/h, 70 km/h, 100 km/h, 120 km/h and different impact angles such as 20°, 25°, 30°, 12 groups of vehicle-guardrail impact simulation test are conducted by HyperMesh and LS-DYNA softwares. The acceleration severity index (ASI), theoretical head impact velocity (THIV), post-impact head deceleration (PHD) and head injury criterion (HIC) of occupants are analyzed according to the longitudinal, transverse and vertical acceleration data of vehicle centroid and occupant head obtained from the impact process. On this basis, the corresponding quantitative relations of occupant risk assessment indexes with HIC are analyzed by SPSS statistical software. The research result shows that (1) there is a good correlation betweenASIandHIC; (2)ASIandHICshould be fitted with exponential function, and the fitting degree is 0.91.

traffic engineering; evaluation index; vehicle-guardrail impact; occupant risk; correlation analysis

2016-01-12

時(shí)鳳奎(1958-)，男，天津人，碩士，高級工程師.(shfk2016@126.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.09.023

U467.14

A

1002-0268(2016)09-0148-06