黎和俊 楊 震 周大永 張海洋 王 波 張金換

1.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京，100084 2.浙江省汽車安全技術(shù)研究重點實驗室，杭州，311228 3.浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州，3112284.煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院，煙臺，264005

0 引言

公安部交通管理局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2018年9月，全國機動車保有量達(dá)3.22億輛，其中汽車2.35億輛；機動車駕駛?cè)藬?shù)達(dá)4.03億，其中汽車駕駛?cè)藬?shù)達(dá)3.63億。隨著汽車保有量和機動車駕駛?cè)藬?shù)的不斷增加，汽車的乘員保護(hù)性能也逐漸受到重視。我國法規(guī)在評價汽車正面碰撞安全性時以Hybrid Ⅲ男性50百分位機械假人作為損傷測量工具，國內(nèi)目前進(jìn)行汽車碰撞仿真研究時也普遍使用Hybrid Ⅲ假人作為評價工具，近年來，GHBMC 50百分位有限元人體模型作為一種更加復(fù)雜和具備人體特征的損傷評價工具，在碰撞仿真研究中得到廣泛使用。然而Hybrid Ⅲ男性50百分位假人和GHBMC 50百分位有限元人體模型采用的體征參數(shù)均來自于美國男性50百分位數(shù)據(jù)，例如Hybrid Ⅲ男性50百分位假人的身高為175.1 cm，體重為78.2 kg[1]，而根據(jù)中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院2009年人體尺寸普查結(jié)果，中國成年男性50百分位的身高為169.2 cm，體重為64.5 kg。因此，根據(jù)Hybrid Ⅲ男性50百分位假人或GHBMC 50百分位有限元人體模型開發(fā)的乘員約束系統(tǒng)對中國人體可能無法取得較好的保護(hù)效果[2]。

對于使用混Ⅲ假人進(jìn)行損傷評價的局限性，國內(nèi)也有不少學(xué)者進(jìn)行了研究。顏凌波等[2]基于中國人體尺寸和現(xiàn)有Hybrid Ⅲ 50百分位假人有限元模型，采用全體段縮放方法建立了符合中國人體尺寸特征的中國人50百分位男性假人有限元模型；對比分析了中國人50百分位男性假人與Hybrid Ⅲ 50百分位假人在同一正面碰撞工況下的損傷響應(yīng)，結(jié)果表明，與Hybrid Ⅲ 50百分位男性假人相比，中國50百分位男性假人的頭部損傷風(fēng)險較大，而胸部損傷可能性較小。曹立波等[3]根據(jù)中國人體尺寸參數(shù)，在國外標(biāo)準(zhǔn)假人Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型的基礎(chǔ)上，使用MADYMO軟件中的縮放方法建立了符合中國50百分位身材假人模型，加上另行建立的乘員約束系統(tǒng)模型，分別進(jìn)行了正面碰撞仿真，結(jié)果表明，中國成年男性50百分位身材假人模型的頭部和頸部的損傷參數(shù)明顯大于Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型的相應(yīng)參數(shù)?？傮w來說，一些學(xué)者對混Ⅲ假人和具有中國50百分位尺寸的人體模型的碰撞響應(yīng)差異進(jìn)行了研究，但其中用到的中國50百分位人體模型基本都是利用MADYMO多剛體假人或Hybrid Ⅲ有限元人體模型進(jìn)行尺寸縮放得到的，對反映人體整體特征的真實性都具有較大局限性，并且關(guān)于GHBMC有限元人體模型與Hybrid Ⅲ假人還有中國50百分位人體模型的碰撞響應(yīng)差異的研究未見報道。

本文使用的中國50百分位人體模型來自清華大學(xué)汽車碰撞試驗室的研究成果：李沛雨[4]建立了中國參數(shù)化胸腔模型和中國參數(shù)化下肢模型，并以GHBMC 50百分位人體模型為基準(zhǔn)模型建立了以身高、年齡、性別和年齡為輸入變量的中國參數(shù)化人體模型。本文基于上述中國參數(shù)化人體模型，根據(jù)中國50百分位男性的身體參數(shù)，生成了中國男性50百分位人體模型；基于某國產(chǎn)量產(chǎn)車有限元模型，通過正面碰撞仿真分析對比Hybrid Ⅲ 50百分位假人、GHBMC 50百分位人體模型及中國男性50百分位人體模型的損傷響應(yīng)，來研究Hybrid Ⅲ假人和GHBMC有限元人體模型作為常用的損傷評價工具的差異性，以及評價基于保護(hù)中國人體而設(shè)計的乘員約束系統(tǒng)的局限性。

1 乘員模型

Hybrid Ⅲ假人模型和GHBMC有限元人體模型皆為經(jīng)過驗證的美國男性50百分位人體模型，也是國內(nèi)外常用的乘員損傷評價工具，中國參數(shù)化人體模型是清華大學(xué)汽車碰撞試驗室在密歇根州立大學(xué)交通研究院關(guān)于參數(shù)化人體模型的建模方法上進(jìn)行改進(jìn)并結(jié)合中國參數(shù)化胸部和下肢模型建立的，相關(guān)建模方法以及模型的生物仿真度也得到了有效驗證[4-6]。根據(jù)中國人體50百分位的身高年齡和體重生成中國50百分位人體模型(CHN50)，三組乘員模型(圖1)都可以用于碰撞仿真分析，它們的身高和體重數(shù)值見表1?？梢钥闯觯袊?0百分位人體模型體型較小，而Hybrid Ⅲ假人在外型上不如其他兩組模型擬人化程度高。

(a)Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型

表1 乘員模型參數(shù)

2 正面碰撞仿真模型的建立

2.1 乘員約束系統(tǒng)驗證

乘員約束系統(tǒng)來自于項目合作方根據(jù)某款量產(chǎn)車型建立的駕駛艙有限元模型，該模型主要由汽車地板、前車架、儀表板、座椅、安全帶、轉(zhuǎn)向盤、安全氣囊、踏板等部分組成。為了驗證該約束系統(tǒng)的有效性，根據(jù)合作方提供的該車型在64 km/h下的正面全寬碰撞試驗中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了相同工況下的仿真和試驗，假人損傷響應(yīng)對比結(jié)果如圖2和表2所示。

表2 損傷峰值對比

(a)頭部加速度 (b)頸部軸向力

從損傷結(jié)果的對比來看，仿真和試驗的各項損傷指標(biāo)趨勢大致相同，峰值也都在可接受的誤差范圍內(nèi)。仿真結(jié)果峰值時刻要比試驗稍早，造成此現(xiàn)象的原因應(yīng)該是仿真和碰撞試驗安全帶的佩戴位置稍有不同，總體來說，動態(tài)響應(yīng)的對標(biāo)結(jié)

果誤差較小且損傷峰值都較為接近，該約束系統(tǒng)有限元模型符合下一步進(jìn)行乘員碰撞仿真研究的要求。

2.2 乘員定位

三種乘員模型的外形和體型有一定不同，為了正確模擬在使用不同評價工具進(jìn)行碰撞仿真時損傷的差異，每個乘員模型的定位都采用適合自身的定位方式。Hybrid Ⅲ假人按照碰撞試驗中的設(shè)置，將假人H點與座椅參考點重合，并將雙腳放置在踏板上，手剛好握在轉(zhuǎn)向盤。對于GHBMC人體模型和中國50百分位人體模型，則利用REED等[7-8]建立的以乘員身體尺寸和駕駛艙結(jié)構(gòu)參數(shù)為預(yù)測變量的乘員姿態(tài)和位置的回歸模型來實現(xiàn)座椅和人體的定位。該回歸模型所用的駕駛艙測量參數(shù)和參考坐標(biāo)系如圖3所示。

圖3 駕駛艙測量參數(shù)

座椅定位點X和Z方向坐標(biāo)計算公式如下：

XP=16.8+0.433h-0.24H30-2.19AC+0.41L6

(1)

ZP=H30+(XSgRP-XP)AST

(2)

式中，XP、ZP分別為座椅定位點X和Z方向坐標(biāo)值；h為人體身高，mm；H30為座椅高度；AC為坐墊傾角；L6為轉(zhuǎn)向盤中點X方向坐標(biāo)；XSgRP為座椅參考點X方向坐標(biāo)；AST為座椅滑軌傾角。

人體H點X和Z方向坐標(biāo)計算公式如下：

XHip=12.2-3.5IBM+3AC+XP

(3)

ZHip=-97.1+1.2IBM+0.1068L6+1.1AC+ZP

(4)

式中，XHip、ZHip分別為人體H點X和Z方向坐標(biāo)值；IBM為人體的身體質(zhì)量指數(shù)。

軀干角(hip-to-eye angle，H2EA，如圖4所示)由下式求得：

圖4 人體姿態(tài)測量參數(shù)

AH2E=-56.2+100.2RSHS+0.0147L6+

0.1AC+0.0136IBM

(5)

式中，RSHS為坐高對身高比，取常數(shù)0.52。

本文使用的駕駛艙模型相關(guān)參數(shù)見表3。根據(jù)GHBMC以及中國50百分位人體模型的體征參數(shù)，結(jié)合駕駛艙參數(shù)和REED等[7-8]建立的回歸模型實現(xiàn)人體模型在駕駛艙中的定位，如圖5～圖7所示。

表3 駕駛艙相關(guān)參數(shù)

圖5 中國50百分位人體模型的定位

圖6 Hybrid Ⅲ假人的定位

圖7 GHBMC人體模型的定位

2.3 約束系統(tǒng)設(shè)置和仿真條件設(shè)置

完成乘員定位后，需要對三組模型進(jìn)行座椅預(yù)壓。在實際情況中，人坐在座椅上時，由于重力因素身體會和坐墊海綿、靠墊海綿接觸并使海綿受壓發(fā)生變形，故在進(jìn)行仿真之前，需要對座椅有限元模型進(jìn)行預(yù)壓處理。本文采用建立預(yù)壓器進(jìn)行預(yù)仿真的形式來進(jìn)行座椅泡沫的預(yù)壓。在人體模型移至指定位置后，提取假人臀部和軀干單元形成一個新的組件作為預(yù)壓器，然后向正Z方向移動一段距離并修改材料屬性，對預(yù)壓器施加力和位移曲線進(jìn)行仿真，并將仿真預(yù)壓后的座椅節(jié)點替換至原始座椅K文件中。圖8所示為三種乘員分別對應(yīng)的預(yù)壓后的座椅，可以看到由于座椅位置、乘員位置和乘員體型的不同，預(yù)壓后的座椅形狀也有所不同。

(a)CHN50 (b)Hybrid Ⅲ (c)GHBMC

仿真工況選取C-NACP中正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗工況，碰撞速度為50 km/h，將實車碰撞試驗中采集到的碰撞波形加載至碰撞仿真模型中，定義三組人體模型與約束系統(tǒng)的接觸之后進(jìn)行仿真分析。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 動態(tài)響應(yīng)對比

圖9所示為三組仿真模型的動態(tài)響應(yīng)，60 ms時，由于坐姿更加靠前，中國50百分位人體模型的面部已和氣囊發(fā)生較大面積接觸，Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型下巴才剛剛與氣囊發(fā)生接觸，而GHBMC 50百分位人體模型頭部位置更高并且胸腹部由于脂肪堆積與氣囊接觸時間更早并對氣囊沖擊具有一定的緩沖，故此時GHBMC 50百分位人體模型的頭部并未與氣囊發(fā)生接觸。發(fā)生碰撞的100 ms時，除了因坐姿引起的頭部高度不同以外，三組人體模型的動態(tài)響應(yīng)看不出明顯差別。再看腰腹部和下肢，60 ms時，由于下肢長度差異，Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型和GHBMC 50百分位人體模型下肢位置都更加靠前，而中國50百分位人體模型下肢還未完全與擋板發(fā)生接觸，由于GHBMC 50百分位人體模型和中國50百分位人體模型具有良好的生物仿真度，安全帶的約束使腹部脂肪向上發(fā)生堆積，而Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型并沒有發(fā)生脂肪堆積的情況。

(a)Hybrid Ⅲ

3.2 損傷響應(yīng)對比

圖10是提取的三組人體模型的損傷響應(yīng)曲線對比圖，人體模型各部位損傷峰值見表4。對三組人體模型分別進(jìn)行了頭部合成加速度、頸部剪切力、頸部伸張力、頸部伸張彎矩、胸部壓縮量以及大腿軸向力的損傷響應(yīng)對比。首先是頭部損傷響應(yīng)，由圖10明顯看出三組模型的頭部三向合成加速度曲線重疊度很高，峰值也很接近，三組模型的HIC15值也較為接近，但是從計算的HIC36值來看，GHBMC的HIC36值更高，而Hybrid Ⅲ假人和中國50百分位人體模型的HIC36值稍低。從頸部損傷響應(yīng)可以看出，三組模型的頸部剪切力也較為接近，Hybrid Ⅲ假人在碰撞后半段頸部剪切力的變化趨勢不同，三組模型的頸部伸張力曲線走勢較為一致，但是Hybrid Ⅲ假人的伸張力要大于其他兩組模型的伸張力，Hybrid Ⅲ假人的伸張彎矩也明顯更大，頸部損傷響應(yīng)的不同可能是由于假人頸部結(jié)構(gòu)和其他兩組模型有較大不同。由于Hybrid Ⅲ假人的坐姿較高且胸部與安全氣囊的接觸面積更大，故胸部壓縮量比其他兩組模型稍大，但是總體變換趨勢都基本接近。三組模型的大腿損傷響應(yīng)也有所不同，雖然中國50百分位人體模型由于身高較矮下肢較短，在碰撞過程中大腿和膝部更晚接觸到膝部擋板，但是大腿軸向力峰值卻較高，這種情況出現(xiàn)的原因可能是體型和坐姿的差異導(dǎo)致腰帶力加載角度不同。

(a)頭部合成加速度 (b)頸部剪切力

表4 損傷響應(yīng)峰值

結(jié)合中國50百分位人體模型的損傷響應(yīng)分析，兩種乘員損傷評價工具與中國50百分位人體模型頭部損傷響應(yīng)都比較接近；而在頸部和胸部的損傷響應(yīng)上，GHBMC模型與中國50百分位人體模型更貼合；但在大腿損傷上，Hybrid Ⅲ假人的響應(yīng)與中國50百分位人體模型更加接近。

3.3 損傷風(fēng)險對比

US-NCAP中使用損傷風(fēng)險曲線進(jìn)行假人損傷風(fēng)險的評估，這種評價指標(biāo)是通過在用函數(shù)定義好的損傷風(fēng)險曲線(injury risk curves)上查值確定損傷風(fēng)險概率的方式來進(jìn)行人體損傷的評價[9]，這種評價方式能更加直觀地體現(xiàn)人體的損傷風(fēng)險，并且更加適用于不同體型人體之間的損傷對比分析。因此，本文使用計算損傷風(fēng)險概率的方法來對三組仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

損傷風(fēng)險計算公式來自美國新車評價規(guī)程，需要注意的是，頸部、胸部和大腿的損傷風(fēng)險函數(shù)可以直接用于計算美國50百分位的人體損傷風(fēng)險，但對于中國50百分位人體模型，需要根據(jù)人體不同部位的骨骼尺寸來進(jìn)行縮放系數(shù)的計算，并將中國50百分位人體模型的響應(yīng)縮放到GHBMC 50百分位男性相對應(yīng)的數(shù)值[10]。本文中使用到的風(fēng)險曲線函數(shù)如下，對應(yīng)的縮放系數(shù)計算方法[11]見表5。

表5 損傷風(fēng)險縮放方法

頭部損傷風(fēng)險函數(shù)為

(6)

式中，IHIC15為頭部傷害指數(shù)；φ(·)為累積正態(tài)分布函數(shù)。

頸部損傷風(fēng)險函數(shù)為

(7)

式中，F(xiàn)neck_A為頸部軸向力。

胸部損傷風(fēng)險函數(shù)為

P(chest，AIS3+)=

(8)

大腿損傷風(fēng)險函數(shù)為

(9)

式中，F(xiàn)femur為大腿軸向力。

表5中，頭部損傷風(fēng)險的計算直接使用式(6)，不需要進(jìn)行縮放；Fneck_c為中國50百分位人體模型輸出的頸部軸向力；Fneck為縮放后的頸部軸向力。Dchest_c為中國50百分位人體模型輸出的胸部壓縮量；Dchest為縮放后的胸部壓縮量。Ffemur_c為中國50百分位人體模型輸出的股骨軸向力；Ffemur為縮放后的股骨軸向力；a50、b50、D50分別為GHBMC 50百分位人體模型對應(yīng)的骨骼尺寸；ac、bc、Dc分別為中國50百分位人體模型對應(yīng)的骨骼尺寸。

按照損傷風(fēng)險函數(shù)對三組人體模型的損傷風(fēng)險進(jìn)行計算，其中大腿損傷風(fēng)險的計算取兩條大腿軸向力中的較大值。計算結(jié)果如圖11所示，各個部分損傷風(fēng)險概率的具體數(shù)值見表6。

(a)頭部損傷風(fēng)險曲線

表6 損傷風(fēng)險

由圖11和表6可以看出，三組模型的頭部損傷風(fēng)險概率很接近，而且GHBMC與中國50百分人體模型的損傷風(fēng)險幾乎相同，顯然呼應(yīng)了前文分析中得出的三組模型頭部損傷響應(yīng)接近的結(jié)論。雖然三組模型的頸部損傷風(fēng)險概率數(shù)值都不高，但是Hybrid Ⅲ假人頸部損傷風(fēng)險遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩組模型的損傷風(fēng)險。盡管胸部損傷風(fēng)險方面，GHBMC人體模型與中國50百分位人體模型更加接近，但應(yīng)提出的是，在胸部壓縮量對比中，GHBMC人體模型和中國50百分位人體模型峰值的相對誤差僅為0.01%，然而損傷風(fēng)險概率的相對誤差達(dá)-8%，進(jìn)一步證實使用損傷風(fēng)險曲線能更好地體現(xiàn)不同體型人體之間的損傷風(fēng)險差異。大腿損傷風(fēng)險也出現(xiàn)了和大腿損傷響應(yīng)不同的情況，對比大腿軸向力峰值，Hybrid Ⅲ假人比中國50百分位人體模型稍低，相對誤差為1.4%，但從下肢風(fēng)險結(jié)果來看，中國50百分位人體模型的損傷風(fēng)險概率更高，并且Hybrid Ⅲ假人與中國50百分位人體模型的下肢風(fēng)險概率相對誤差達(dá)-9.89%，損傷風(fēng)險曲線的分析體現(xiàn)了一些損傷響應(yīng)分析中沒有體現(xiàn)出的損傷差異性。

結(jié)合兩種評價方式的分析結(jié)果，本次仿真中，三組乘員模型由于體型和結(jié)構(gòu)差異，在碰撞時的損傷風(fēng)險各有不同，GHBMC人體模型的大腿損傷風(fēng)險比中國50百分位人體模型損傷風(fēng)險低，Hybrid Ⅲ假人的頸部和胸部損傷風(fēng)險要比中國50百分位人體模型的損傷風(fēng)險高。

4 結(jié)論

(1)正面碰撞中Hybrid Ⅲ 50百分位假人和GHBMC 50百分位人體模型的損傷風(fēng)險具有一定差異，Hybrid Ⅲ 50百分位假人的頸部、胸部和大腿損傷風(fēng)險要更大。

(2)正面碰撞中Hybrid Ⅲ 50百分位假人和GHBMC 50百分位人體模型都與中國50百分位人體的損傷風(fēng)險具有一定差異。與Hybrid Ⅲ 50百分位假人相比，中國50百分位人體的頸部和胸部損傷風(fēng)險要更小，大腿損傷風(fēng)險比較接近。與GHBMC 50百分位人體模型相比，中國50百分位人體的大腿損傷風(fēng)險更高，而GHBMC 50百分位人體模型能較好地反映中國50百分位人體頸部和胸部的損傷風(fēng)險。由此可見，通過Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型或GHBMC 50百分位人體模型評價基于保護(hù)中國人體而設(shè)計的約束系統(tǒng)具有很大局限性，同理，按照Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型或GHBMC 50百分位人體模型進(jìn)行優(yōu)化的約束系統(tǒng)也都無法給中國50百分位人體提供最優(yōu)保護(hù)。

(3)在進(jìn)行不同體型的乘員模型的損傷響應(yīng)對比分析時，相比傳統(tǒng)評價方式，損傷風(fēng)險曲線更能體現(xiàn)不同模型之間損傷的差異性，更能直觀地展現(xiàn)人體損傷風(fēng)險情況。