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        基于Thor-AV假人有限元模型的不同坐姿乘員損傷分析

        2023-06-12 00:45:24李琨劉玉濤周大永王鵬翔祝賀呂曉江
        汽車工程師 2023年6期
        關(guān)鍵詞:假人乘員安全帶

        李琨 劉玉濤 周大永,2 王鵬翔 祝賀 呂曉江,2

        (1.吉利汽車研究院(寧波)有限公司,寧波 315335;2.湖南大學(xué),汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410082)

        1 前言

        交通事故每年在全球造成近135 萬人死亡,其中汽車使用者的死亡比例高達(dá)29%,正確使用安全帶可使駕駛員和前排乘員的死亡風(fēng)險(xiǎn)降低45%~55%,后排乘員死亡和重傷的風(fēng)險(xiǎn)降低25%[1]。

        現(xiàn)階段自動(dòng)駕駛技術(shù)匯集了各種新興技術(shù),智能座艙的研究在不斷深入。Martin 等[2-3]研究發(fā)現(xiàn),通過增大靠背角可以實(shí)現(xiàn)更舒適的姿態(tài),然而隨著靠背角度的增大,與常規(guī)坐姿相比,乘員腰椎位置遭受更大的損傷風(fēng)險(xiǎn),并通過在滑軌上加裝限力裝置有效減輕了乘員腰部損傷。Lin 等[4]研究發(fā)現(xiàn),大角度坐姿相較于常規(guī)坐姿更易使乘員受傷。Reed等[5]通過志愿者試驗(yàn)建立回歸方程預(yù)測坐姿改變所需的安全帶位置的變化,以達(dá)到更好的保護(hù)效果。李海巖等[6]研究了不同坐姿下的兒童頭部傷害,發(fā)現(xiàn)坐姿角度的增大會(huì)導(dǎo)致腦組織慣性損傷加劇,但頸部傷害無增大的趨勢。在零重力環(huán)境下,人體往往表現(xiàn)出放松及沒有外力作用的特定的姿態(tài),即中位身體姿態(tài)(Neutral Body Posture,NBP),Han 等[7]采用多機(jī)位的三維測量技術(shù)觀察太空飛行中機(jī)組成員的身體姿態(tài),得到了更為準(zhǔn)確的中位身體姿態(tài)。研究人員將這種中位姿態(tài)引入汽車座椅開發(fā),提高乘員的安全性和舒適性[8]。

        乘員安全是自動(dòng)駕駛汽車發(fā)展的關(guān)鍵,新的駕駛工況對車內(nèi)乘員保護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)。然而當(dāng)前汽車乘員安全保護(hù)技術(shù)開發(fā)主要集中在傳統(tǒng)工況下,各國新車評價(jià)規(guī)程中應(yīng)用Hybird Ⅲ假人或者Thor 假人對正面碰撞工況進(jìn)行乘員損傷分析,但并未針對智能駕駛工況下軀干角度較大的碰撞工況進(jìn)行開發(fā)。本文應(yīng)用為大角度軀干設(shè)計(jì)的Thor-AV假人,調(diào)整副駕駛員側(cè)座椅靠背和座墊角度,研究在未來智能駕駛工況下,乘員在不同坐姿角度條件下的傷害情況,以期為智能駕駛工況下的乘員保護(hù)提供參考,為零重力座椅的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。

        2 材料與方法

        本文的假人有限元模型采用Thor-AV 50M假人,該假人是基于Thor-50M設(shè)計(jì)的一種新型擬人試驗(yàn)裝置(Anthropomorphic Test Device,ATD),可以更好地表征碰撞場景中的人體形態(tài),尤其是自動(dòng)駕駛座椅環(huán)境中的人體形態(tài)。該模型質(zhì)量為85.1 kg,具有超過150個(gè)數(shù)據(jù)采集通道,包括加速度、力和彎矩等[9]。

        汽車結(jié)構(gòu)及座椅有限元模型采用開發(fā)中的某款車型數(shù)據(jù),應(yīng)用Thor-AV 假人模型與汽車座椅有限元模型,根據(jù)中國新車評價(jià)規(guī)程(China New Car Assessment Program,C-NCAP)正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)要求[10],在有限元前處理軟件ANSA中設(shè)置仿真參數(shù),假人位于副駕駛員座椅處,碰撞初始速度為50 km/h,安全帶采用預(yù)緊限力安全帶。通過調(diào)整座椅座墊、靠背角度以及Thor-AV 有限元模型的姿態(tài),共設(shè)置3 組仿真工況,模型搭建如圖1所示,具體參數(shù)如表1所示。

        表1 仿真工況設(shè)置

        表2 所示為提取的3 組假人頭部損傷仿真數(shù)據(jù),由圖2 可知:在42°靠背角度下,假人的BrIC 為0.88,在3 組仿真中最??;隨著座椅靠背角度的增大,假人頭部BrIC逐步變大,最終穩(wěn)定在1.10附近。

        圖1 不同坐姿仿真設(shè)置

        3 仿真結(jié)果

        3.1 假人運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)

        圖2 所示為碰撞過程中假人運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)示意,每10 ms 截取一幀運(yùn)動(dòng)圖像,從圖2 中可以看出:骨盆角度增大后,安全帶腰帶不能很好地作用到髂骨翼上,在碰撞過程中隨著靠背角度的增大,假人的下潛現(xiàn)象更加明顯;由于假人初始位置相對靠后,碰撞過程中僅在42°靠背角情況下假人頭部可接觸到安全氣囊,3 組仿真中安全氣囊均未起到保護(hù)作用。

        圖2 假人運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)

        3.2 頭部損傷

        根據(jù)C-NCAP碰撞試驗(yàn)要求對頭部質(zhì)心合加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行CFC 1 000濾波,提取了3組仿真假人頭部線性合加速度圖像,如圖3 所示。由圖3 可知:碰撞過程中乘員頭部具有相同的運(yùn)動(dòng)趨勢,其中62°座椅靠背角度工況下乘員的頭部合加速度最大,為61.7g,此時(shí)乘員因線性載荷造成的頭部損傷最大;靠背角度為42°時(shí)的頭部合加速度最小,為53.5g,此工況下乘員頭部線性載荷傷害最小。

        圖3 頭部合加速度

        腦組織受到外部力的作用會(huì)產(chǎn)生平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),由于線性加速度或者角加速度的存在,可能導(dǎo)致腦組織變形,出現(xiàn)腦組織損傷。關(guān)于腦組織損傷的主要因素,當(dāng)前主流的看法是線性加速度和旋轉(zhuǎn)加速度的共同作用[11]。本文通過對假人提取由線性載荷造成的頭部傷害指標(biāo)(Head Injury Criteria,HIC)及由旋轉(zhuǎn)載荷造成的腦組織損傷標(biāo)準(zhǔn)(Brain Injury Criteria,BrIC)結(jié)果綜合判斷假人在碰撞過程中的頭部傷害情況。

        HIC 被視為與受頭部平移加速度影響較大的顱骨骨折和腦挫傷相關(guān)聯(lián)的指標(biāo)[11],其求解公式基于韋恩州立大學(xué)耐受性曲線定義,適用于不同的頭部加速度波形:

        式中,t1、t2分別為HIC 取得最大值區(qū)域的起始時(shí)刻和終止時(shí)刻,在實(shí)際應(yīng)用中選取的時(shí)間間隔一般不超過15 ms;a(t)為頭部質(zhì)心合成加速度。

        《C-NCAP管理規(guī)則》[10]規(guī)定乘員HIC15的最大值為700。通過提取假人HIC15,結(jié)合碰撞過程中的乘員運(yùn)動(dòng)學(xué)圖像可以發(fā)現(xiàn):在靠背角為42°的仿真中,乘員頭部初始位置相對常規(guī)姿態(tài)與儀表板距離更遠(yuǎn),在碰撞過程中乘員頭部并未有效接觸安全氣囊,假人HIC15為300;隨著座椅靠背角度的增大,乘員頭部在碰撞運(yùn)動(dòng)過程中未接觸到安全氣囊,假人HIC15逐步增大,在靠背角度為62°時(shí)HIC15達(dá)到3 組試驗(yàn)的最大值335.5。

        通過對碰撞過程假人運(yùn)動(dòng)學(xué)圖像進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在正面碰撞過程中由于慣性作用以及安全帶對胸腹部的約束作用,假人頭部相對于軀干均出現(xiàn)不同程度的旋轉(zhuǎn),從而使力從腦的表層向深層傳遞,伴隨腦組織的剪切應(yīng)變,引起彌漫性腦損傷。為研究座椅靠背初始角度對假人頭部旋轉(zhuǎn)載荷損傷的影響,提取了仿真中假人BrIC[11],設(shè)頭部質(zhì)心在x、y、z向的角速度分別為ωx、ωy、ωz,則BrIC的表達(dá)式為:

        式中,ωxc、ωyc、ωzc分別為x、y、z向標(biāo)準(zhǔn)角速度,基于與腦的主應(yīng)變的相關(guān)性,分別為66.3 rad/s、53.8 rad/s、41.5 rad/s。

        現(xiàn)階段美國新車評價(jià)規(guī)程(United States New Car Assessment Progremme,U.S. NCAP)通過提取BrIC 對乘員腦組織旋轉(zhuǎn)載荷損傷進(jìn)行正式評價(jià),歐洲新車評價(jià)規(guī)程(European New Car Assessment Progremme,Euro NCAP)也在對該值進(jìn)行監(jiān)測,預(yù)計(jì)在2025 年進(jìn)行正式評價(jià)[12]。Takhounts 等[13]通過研究腦組織最大主應(yīng)變與簡明損傷定級(Abbreviated Injury Scale,AIS)之間的關(guān)系,并對BrIC與最大主應(yīng)變進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)當(dāng)BrIC 達(dá)到1.06 時(shí)頭部發(fā)生AIS 4 級損傷的風(fēng)險(xiǎn)為50%。腦組織發(fā)生不低于AIS 4級損傷的風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算公式為:

        3.3 頸部傷害

        在正面碰撞過程中,安全帶無法約束乘員頭頸部的相對運(yùn)動(dòng),乘員軀干受到安全帶約束作用時(shí),乘員頭頸部由于慣性作用繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。為研究碰撞過程中假人頸部的損傷情況,本文提取仿真中假人頸部剪切力Fx、軸向拉力Fz以及繞Y軸旋轉(zhuǎn)彎矩My,結(jié)果如表3 所示:在62°靠背角工況下假人Fz最大,為4.6 kN;座椅靠背角度為52°時(shí)假人Fx最大,為1.1 kN。

        表3 頸部損傷數(shù)據(jù)

        3.4 鎖骨傷害

        現(xiàn)階段各國新車評價(jià)規(guī)程在乘員傷害評價(jià)方面均未對鎖骨傷害進(jìn)行評價(jià),但是在智能駕駛技術(shù)愈加成熟的今天,乘員在碰撞過程中更加容易出現(xiàn)離位現(xiàn)象。Harnroongroj 等[14]通過提取人體志愿者的鎖骨進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)截面力達(dá)到1.6 kN時(shí)鎖骨發(fā)生骨折現(xiàn)象。本文通過分析運(yùn)動(dòng)學(xué)圖像發(fā)現(xiàn),受座椅角度的影響,靠背角度越大,假人離位現(xiàn)象越嚴(yán)重,并且,由于三點(diǎn)式安全帶的自身缺陷,假人的頸部及鎖骨受到了較為嚴(yán)重的傷害。提取Thor-AV 假人鎖骨力數(shù)據(jù),如圖4所示,可以發(fā)現(xiàn)假人的鎖骨截面力在62°靠背角度仿真工況下最大,達(dá)到5.6 kN,在靠背角42°初始工況下鎖骨截面力最小,為2.1 kN。通過3 組仿真可以發(fā)現(xiàn),隨著靠背角的增大,鎖骨截面力逐漸增大。

        圖4 鎖骨截面力

        3.5 胸椎傷害

        在正面碰撞過程中,假人由于慣性作用,脫離座椅向前運(yùn)動(dòng),然而由于座墊角度的調(diào)整,座墊區(qū)域?qū)τ诩偃说倪\(yùn)動(dòng)起到約束作用,并且隨著靠背角度的增大,乘員脊椎受到的慣性載荷隨之增加。研究人員分析發(fā)現(xiàn),人體腰椎的抗壓強(qiáng)度為0.6~15.6 kN,出現(xiàn)骨折的壓縮力均值和標(biāo)準(zhǔn)差為4.84±2.5 kN[15]。本文提取假人胸椎T12 的截面載荷研究椎骨傷害情況,如表4所示。在T12 剪切力及彎矩方面,3 組仿真中假人傷害無較大差距,然而,隨著靠背角度的增大,F(xiàn)z逐漸增大,當(dāng)靠背角度為62°時(shí)假人脊椎Fz=11.6 kN,此時(shí)假人脊椎受到壓縮性骨折損傷風(fēng)險(xiǎn)最大。

        表4 胸椎T12損傷數(shù)據(jù)

        4 分析與討論

        通過提取仿真數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):當(dāng)靠背角度為42°、座墊角度為25°時(shí),成員頭部并未有效接觸安全氣囊,但頭部并未撞擊到前方儀表板,所以HIC15較??;在另外2組仿真中,由于乘員頭部位置進(jìn)一步后移,在碰撞過程中頭部并未接觸安全氣囊。在3 組仿真中,假人頭部均未撞擊到前方儀表板,HIC15均未超出閾值,然而,隨著靠背角度的增大,由于旋轉(zhuǎn)載荷造成的損傷風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大,在靠背角度為62°時(shí)腦組織發(fā)生AIS 4級損傷的風(fēng)險(xiǎn)為56%。

        隨著靠背角度的增大,乘員頸部軸向拉力逐步增大,在靠背角度為62°時(shí)達(dá)到最大值4.6 kN;可以發(fā)現(xiàn)隨著靠背角度的增大,碰撞過程中乘員上肢轉(zhuǎn)動(dòng)造成的頸部軸向拉伸力增大,并且在52°及62°靠背角度工況下傷害值超過C-NCAP 規(guī)定的極限值3.3 kN。

        現(xiàn)階段,各國新車評價(jià)規(guī)程中并未對乘員鎖骨的傷害情況進(jìn)行評價(jià),然而在正面碰撞過程中乘員肩部鎖骨承擔(dān)安全帶的約束力,其損傷情況影響乘員在碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),影響頭頸部及動(dòng)脈的傷害情況,因此有必要對乘員的鎖骨傷害進(jìn)行分析。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),在尸體試驗(yàn)中人體鎖骨發(fā)生骨折時(shí)的截面力為1.6 kN。對比3 組仿真的鎖骨截面力可以發(fā)現(xiàn),不同工況下鎖骨均有較大的骨折風(fēng)險(xiǎn),隨著靠背角度的調(diào)整,鎖骨截面力增大,當(dāng)靠背角為最大角度62°時(shí),骨折風(fēng)險(xiǎn)最大。

        在脊椎損傷方面,通過仿真數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),相對于常規(guī)角度的正面碰撞,由于座椅靠背角度的變化,乘員脊椎承受了更多的慣性載荷傷害,通過提取胸椎T12 處的截面壓縮力發(fā)現(xiàn),靠背角度的變化引起軸向壓力的急劇升高,這對于大角度座椅靠背工況下乘員正面保護(hù)的開發(fā)具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

        5 結(jié)束語

        針對本文中所開發(fā)車型,在正面碰撞工況下,當(dāng)座椅靠背角度較大時(shí),傳統(tǒng)安全氣囊無法對乘員頭部起到保護(hù)作用,并且隨著靠背角度的增大,頭部線性載荷傷害增大,BrIC 增大到1.1 附近,推測與碰撞速度相關(guān),需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。在鎖骨及椎骨傷害方面,靠背角度對于乘員骨折風(fēng)險(xiǎn)有較大影響,當(dāng)靠背角度最大時(shí)鎖骨截面力及胸椎T12 軸向壓縮力出現(xiàn)最大值,骨折的風(fēng)險(xiǎn)最大。

        隨著智能座艙概念以及零重力座椅產(chǎn)品的深入開發(fā),在乘員保護(hù)開發(fā)及評價(jià)方面應(yīng)考慮非標(biāo)準(zhǔn)工況。在本文車型的開發(fā)過程中可以發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的安全氣囊并不能很好地保護(hù)乘員,并且由于乘員的離位現(xiàn)象更為嚴(yán)重,對于乘員在不同部位的傷害有了新的變化,對座椅的設(shè)計(jì)以及三點(diǎn)式安全帶的保護(hù)作用提出了挑戰(zhàn)。

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