王新彥，劉琬玥

（江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

1 引言

美國(guó)航天局衛(wèi)星數(shù)據(jù)表明，在2000年到2017年期間，全球綠化面積增長(zhǎng)迅速，尤其是中國(guó)，貢獻(xiàn)率高達(dá)四分之一。綠化面積的增長(zhǎng)促進(jìn)了割草機(jī)產(chǎn)量的增長(zhǎng)，也對(duì)其通用性、安全性和智能化水平提出了更高的要求。安全性一直都是人們關(guān)注的重點(diǎn)與第一要素，而對(duì)于割草機(jī)在復(fù)雜工作路面容易出現(xiàn)失穩(wěn)傾翻的狀況，更要求我們對(duì)割草機(jī)駕駛員進(jìn)行更加完善的保護(hù)。

車輛安全分為主動(dòng)安全性與被動(dòng)安全性，現(xiàn)如今對(duì)于主動(dòng)安全性的研究居多，車輛的性能也在不斷地完善，但在被動(dòng)安全性方面仍有所空缺[1?2]。文章對(duì)割草機(jī)在斜坡遇障而發(fā)生的失穩(wěn)傾翻進(jìn)行研究，建立割草機(jī)模型，分析駕駛員在后翻30°斜坡工況下可能受到的傷害與對(duì)應(yīng)損傷指標(biāo)，并基于模型仿真對(duì)駕駛員損傷程度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

現(xiàn)階段，分析車輛駕駛員損傷的方法有四種[3]：對(duì)現(xiàn)有的事故數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、用志愿者的遺體做翻滾碰撞分析、同比例的假人模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)軟件建模并進(jìn)行有限元分析與多剛體動(dòng)力學(xué)分析。

在國(guó)外，研究發(fā)展史較早的發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)車輛駕駛員傷亡研究的力度和進(jìn)展以及相關(guān)的車輛安全技術(shù)的研發(fā)更加完整，從理論到應(yīng)用都比較完善[4?8]。2002年至2005年，文獻(xiàn)進(jìn)行了前驅(qū)割草機(jī)連續(xù)翻滾特性的研究。2009年文獻(xiàn)收集了來自不同渠道的關(guān)于側(cè)翻傷害的信息并且使用哈頓矩陣對(duì)它進(jìn)行分析。2015年，文獻(xiàn)建立了一種較為通用的穩(wěn)定性指標(biāo)模型。2017年，文獻(xiàn)在SAE J2194標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試下，建立了非線性有限元模型。為了應(yīng)對(duì)試驗(yàn)昂貴費(fèi)用以及試驗(yàn)結(jié)果隨機(jī)性，文獻(xiàn)發(fā)明了一套可對(duì)多種工程車輛進(jìn)行ROPS研究的試驗(yàn)臺(tái)及其配套系統(tǒng)。文獻(xiàn)針對(duì)重型卡車做了試驗(yàn)，在90°翻車事故中評(píng)估駕駛員損傷，以驗(yàn)證SAE規(guī)定的合理性。在國(guó)內(nèi)，2014 年，文獻(xiàn)[9?14]運(yùn)用MADYMO 軟件建立SAE J2114臺(tái)車翻滾試驗(yàn)仿真剛體模型。對(duì)比分析乘員系與不系安全帶兩種情況下的乘員頭部傷害情況。2014年，文獻(xiàn)使用Hypermesh軟件對(duì)已有的整車三維模型和試驗(yàn)平臺(tái)車進(jìn)行分析計(jì)算。2017年，文獻(xiàn)根據(jù)ISO21299標(biāo)準(zhǔn)建立了參數(shù)化預(yù)測(cè)模型，對(duì)割草機(jī)的容身空間進(jìn)行分析。2018年，文獻(xiàn)充分考慮汽車在行駛過程中的橫向坡度、后向坡度，并對(duì)坡度進(jìn)行合成，以此提出一種基于15 自由度的汽車動(dòng)力學(xué)模型。2019年，文獻(xiàn)建立了基于偏航的6自由度ZTR 割草機(jī)連續(xù)翻滾特性的預(yù)測(cè)模型。同年，文獻(xiàn)建立了幾何非線性有限元模型與多剛體有限元模型對(duì)割草機(jī)側(cè)翻工況下對(duì)駕駛員損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

車輛的安全性一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，在主動(dòng)防止安全事故發(fā)生的同時(shí)，對(duì)車輛被動(dòng)安全性能的要求也越來越高[15?17]。翻車事故是一種事故率低但危害性較大的事故形式，一直都是車輛碰撞安全性研究的一個(gè)難點(diǎn)。計(jì)算機(jī)仿真建模因其高效、可重復(fù)、低成本等特點(diǎn)，成為研究駕駛員損傷的首要措施。其中，多剛體動(dòng)力學(xué)因其高效性而廣被人們所采納，但是其精度低；有限元分析則能夠準(zhǔn)確地對(duì)車輛碰撞翻滾的過程進(jìn)行高精度模擬，并能夠解決復(fù)雜問題，成為人們現(xiàn)在研究車輛翻滾仿真的主要工具。國(guó)內(nèi)外對(duì)翻車試驗(yàn)的研究主要面向公路車輛的側(cè)翻工況，對(duì)割草機(jī)的研究較少。文章在分析比較了國(guó)內(nèi)外翻車試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元建模方法對(duì)割草機(jī)在坡道行駛時(shí)發(fā)生的后翻進(jìn)行了分析研究。

2 割草機(jī)建模

根據(jù)ZTR割草機(jī)實(shí)車結(jié)構(gòu)，基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO21299（2009E），建立三維實(shí)體模型，并添加人體模型，建立割草機(jī)后向翻滾的有限元模型。仿真分析得出割草機(jī)后向工況下ZTR割草機(jī)后向翻滾的臨界點(diǎn)，分析翻滾過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得出駕駛員的損傷情況，并分析人體損傷最大的部位。

2.1 割草機(jī)后向翻滾模型

首先根據(jù)坐騎式割草機(jī)實(shí)車所提供的數(shù)據(jù)，對(duì)三維模型進(jìn)行賦值，省略對(duì)總體質(zhì)量影響不大的零件；其次，為保證結(jié)果的精確性，在Hypermesh中對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，尤其對(duì)那些很可能與地面接觸的部件以及翻滾碰撞過程中可能出現(xiàn)大變形的部件都進(jìn)行較小的網(wǎng)格劃分[18]。翻轉(zhuǎn)平臺(tái)所有單元施加固定約束，使割草機(jī)只受重力無初速度的在平臺(tái)上翻滾。割草機(jī)縱向后翻仿真模型，如圖1所示。

圖1 坐騎式割草機(jī)后翻仿真模型Fig.1 Mounted Mower Back Turning Simulation Model

2.2 駕駛員損傷模型

文章中所使用的假人模型采用LSTC 自帶的HybridⅢ第50百分位假人[19]，對(duì)假人標(biāo)定后將其在Oasys primer中導(dǎo)入到已有的割草機(jī)模型中，設(shè)置假人H點(diǎn)與割草機(jī)R點(diǎn)重合，調(diào)整至正確坐姿并使其處在兩點(diǎn)式安全帶的保護(hù)下，如圖2所示。

圖2 駕駛員損傷模型Fig.2 Driver Injury Model

2.3 駕駛員損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)已有文獻(xiàn)的調(diào)查和分析結(jié)果，得出翻滾碰撞過程中駕駛員最容易受傷以及受損嚴(yán)重的部位，對(duì)比損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)測(cè)駕駛員傷亡程度。在翻滾方面，現(xiàn)有的研究缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，文章參照FMVSS208乘員碰撞保護(hù)法規(guī)對(duì)割草機(jī)駕駛員的損傷程度進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。具體準(zhǔn)則如下：

（1）頭部損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

以頭部傷害指標(biāo)（即HIC值）評(píng)價(jià)頭部損傷程度，其中，HIC值由式（1）求得。

式中：a（t）—頭部質(zhì)心的合成加速度（即假人頭部中心1號(hào)節(jié)點(diǎn)的加速度），其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由模型的仿真數(shù)據(jù)測(cè)得；t1、t2—任意時(shí)間歷程36ms 以內(nèi)的兩時(shí)刻；HIC—所有計(jì)算值的最大值。評(píng)級(jí)指標(biāo)要求頭部加速度a（t）安全閥值為80g，頭部損傷值HIC安全閥值為1000。

（2）頸部損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

在車輛翻滾碰撞過程中，假人模型的頸部在變形過程中承受軸向拉壓力及相應(yīng)的彎矩。法規(guī)中規(guī)定頸部的軸向拉力安全閥值為3.3kN，軸向壓力的安全閥值為4kN。假人模型頸部所受彎矩由式（2）得到。

式中：Mocy—頸部所受的總力矩；My—頸部在Y方向的力矩；Fx—剪切力。法規(guī)規(guī)定：頸部承受的彎曲力矩安全閥值為108.6N·m，外翻（伸長(zhǎng)）力矩安全閥值為57N·m。

（3）胸部損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

在車輛翻滾碰撞過程中，人員與車內(nèi)約束系統(tǒng)會(huì)發(fā)生二次碰撞，外力做功擠壓胸部使其變形，從而對(duì)胸部造成損傷。因此，以胸部壓縮量作為胸部損傷的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的要求胸部和脊骨之間有壓縮的偏差安全閥值為50mm。

3 仿真分析

3.1 后翻過程分析

割草機(jī)在后向坡道上行駛時(shí)，如等速上坡，隨著道路坡度的增大，前輪與地面法向作用力逐漸減小。當(dāng)?shù)缆菲露仍龃蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)，前輪與地面的法向作用力降至零，割草機(jī)將失去平衡，并可能后向翻倒。

割草機(jī)上坡時(shí)，隨著坡度的不斷增大，前輪與地面的接觸力逐漸減小，如圖3所示。當(dāng)坡度到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí)，前輪與地面的接觸力為零，即FZ1=0，此時(shí)割草機(jī)的行駛穩(wěn)定性遭到破壞。

圖3 坐騎式割草機(jī)理論模型Fig.3 Theoretical Model of Mounted Mower

表1中，無駕駛員坐騎式割草機(jī)在210ms時(shí)發(fā)生失穩(wěn)，處于臨界狀態(tài)。在600ms時(shí)，ROPS底部與地面接觸。800ms時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)欄底部觸地。880ms 時(shí)，ROPS 與地面完整接觸。970ms 時(shí)坐騎式割草機(jī)整個(gè)車身彈起。1130ms時(shí)，割草機(jī)再次與地面接觸，并沿坡道向下滑移。整個(gè)過程中，ROPS發(fā)生彈性變形，未侵入駕駛員的生存空間。

表1 坐騎式割草機(jī)后翻過程Tab.1 Mounted Mower Back Turning Process

仿真結(jié)果顯示：坐騎式割草機(jī)在坡道發(fā)生后向失穩(wěn)翻滾時(shí)，無駕駛員模型翻滾過程中產(chǎn)生了45.06mm的變形量，滿足該裝置吸收能量的要求下的最大彎曲變形量（46.9mm）。

3.2 人體損傷分析

在Oasys primer中完成乘員約束系統(tǒng)建模，導(dǎo)入假人并對(duì)其姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，完成安全帶的創(chuàng)建后再在hypermesh 中建立約束，進(jìn)行仿真計(jì)算。

坐騎式割草機(jī)后翻駕駛員動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如表2所示。割草機(jī)在200ms時(shí)發(fā)生失穩(wěn)，割草機(jī)在710ms時(shí)割草機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)欄底端觸地，在850ms時(shí)ROPS頂端與地面接觸，1000ms時(shí)ROPS發(fā)生塑性變形且假人的腿部完全脫離初始位置，1250ms時(shí)假人腿部翻折到最大位置，1600ms之后，整個(gè)模型以及假人保持同樣的姿態(tài)沿著斜坡滑移。

表2 坐騎式割草機(jī)后翻駕駛員動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程Tab.2 Dynamic Response of Mounted Mower Driver

仿真結(jié)果顯示：帶有駕駛員的割草機(jī)模型在翻滾過程中，ROPS發(fā)生永久性變形，翻滾保護(hù)裝置產(chǎn)生了501.148mm的變形量，超出了吸能要求下的最大彎曲變形量（46.9mm），駕駛員容身空間被侵入，駕駛員頭部暴露在危險(xiǎn)區(qū)域，容易受到損傷。

由圖4可見，駕駛員頭部加速度有三次明顯的激增。第一次A點(diǎn)發(fā)生在坐騎式割草機(jī)ROPS 頂部觸地，ROPS 與斜坡完全接觸。第二次B點(diǎn)與第三次C點(diǎn)均發(fā)生在割草機(jī)ROPS變形到最大之后，整個(gè)模型以及假人之后不出現(xiàn)姿態(tài)的變化。

圖4 頭部加速度曲線Fig.4 Head Acceleration Curve

圖5可看出，駕駛員的頸部有兩次超出安全閥值，第一次D點(diǎn)為坐騎式割草機(jī)剛剛失穩(wěn)，駕駛員由于慣性，維持原有坐姿，從而受到較大的頸部軸向拉力。第二次E點(diǎn)發(fā)生在割草機(jī)ROPS變形到最大之后，整個(gè)模型以及假人不再出現(xiàn)姿態(tài)的變化。

圖5 頸部軸向拉力曲線Fig.5 Neck Axial Tension Curve

由表3可見，后翻過程中駕駛員受到的頸部傷害較大，軸向拉力嚴(yán)重超出安全閥值。頭部3ms加速度嚴(yán)重超出安全閥值，駕駛員可能受到較為致命的傷害。

表3 駕駛員損傷預(yù)測(cè)值Tab.3 Predicted Driver Damage Value of Mount Lawn Mower

4 結(jié)論

這里采用Hypermesh建立了坐騎式割草機(jī)模型，分析了割草機(jī)在爬坡發(fā)生后翻時(shí)，翻滾保護(hù)裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

在Oasys 中依據(jù)C?NCAP 對(duì)駕駛員進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整及準(zhǔn)確定位，并通過仿真分析對(duì)駕駛員在后翻過程中的傷亡進(jìn)行了研究，并獲得了駕駛員各部位的損傷值。

（1）在翻滾過程中，駕駛員頭部損傷值未超過安全閥值；頭部加速度仿真值超出安全閥值72.5%，導(dǎo)致駕駛員頭部所受慣性力過大，容易與割草機(jī)其他部件或地面發(fā)生碰撞引起損傷；駕駛員頸部受到的軸向拉力仿真值超出安全閥值142.42%，預(yù)估受到嚴(yán)重的損傷。胸部壓縮量比較小，預(yù)估不會(huì)受到損傷。

（2）后翻過程中，坐騎式割草機(jī)ROPS變形量小于最大變形量；帶有駕駛員的割草機(jī)模型的ROPS發(fā)生永久變形，駕駛員的生存空間被侵入。

（3）坐騎式割草機(jī)對(duì)駕駛員的保護(hù)并不全面，仍需加強(qiáng)。坐騎式割草機(jī)后翻中駕駛員的損傷值，能夠?yàn)楦娴貫楸Ｗo(hù)駕駛員提供幫助，有效降低駕駛員損傷程度，促進(jìn)園林車輛安全性能的更新與提高，為坐騎式割草機(jī)駕駛員保護(hù)該領(lǐng)域提供了理論基礎(chǔ)。