考慮乘員損傷的客車車身側翻安全性研究*

陳吉清，黃成杰，師唯佳，蘭鳳崇，馬聰承

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640;2.廣東省汽車工程重點實驗室，廣州 510640;3.美國羅格斯-新澤西州立大學，新布倫斯威克市薩默賽特大街85號，08901)

前言

近年來，長途客車、公交車和校車等交通事故頻發，大型客車更是多次成為群死群傷特大交通事故的肇事主體。因此，大客車被動安全性不足的問題引起了社會各界的強烈關注。據不完全統計，2008～2011年，客車的側翻事故約占客車碰撞事故的40%，其死亡人數約占客車碰撞事故死亡人數的37%，其受傷人數約占客車碰撞事故受傷人數的47%［1］。可見，探究客車側翻過程中乘員的人體損傷對保護乘員生命安全具有重大意義。

文獻［2］中運用試驗和仿真相結合的方法對客車側翻的變形機理進行了研究，并通過改變車身側圍和頂蓋連接處的結構來改善側翻抗撞性;文獻［3］中在客車車身的頂邊縱梁處增加了吸能結構，以吸收上部結構在側翻過程中的變形能量;文獻［4］中通過計算機仿真分析對側翻過程中乘員運動情況進行了探討。這些研究對深入了解車身變形機理、車身結構安全性和可靠性作出了貢獻，然而乘員的損傷和防護問題才是車身安全工作的核心，本文著眼于這個問題進行探索。

從某型大客車車身中截取車身段結構，首先通過試驗和仿真分析對比來驗證客車車身段模型的有效性。然后在模型中加入假人，并分佩戴和不佩戴安全帶兩種情況，對側翻事故進行仿真。通過Head Injury Criteria(HIC)和 Neck Injury Criterion(NIC)這兩項乘員損傷指標考察側翻事故中人體的損傷程度，并對損傷機理進行分析，分析結果為更好地評價和改善客車的碰撞安全性提供了參考指標。

1 客車車身段側翻試驗

1.1 試驗準備

ECE R66要求，每個車身段至少應該包括2個“Bay”，而且試驗車身段應該與整車的形狀、幾何尺寸、材料和連接方式完全相同，因此在某款大客車中提取車身段結構，其形狀、尺寸和零件材料等與整車保持一致。車身段長 1 640mm、寬 2 532mm、高3 050mm，主要由頂蓋、地板、側圍和底架組成。為記錄側翻過程中法規規定的生存空間的侵入量和車身上部結構截面對角線的變形量，試驗選用了拉線式位移傳感器FIRSTMARK YK160。傳感器布置如圖1所示，其中傳感器1布置于側圍立柱內側，用于測量生存空間的相對侵入量;傳感器2布置于側窗立柱與地板的交匯處，用于測量上部結構截面對角線的相對變形量。按法規要求初始位置的車輪離地高度為800mm，試驗過程中車身段的質心高度應與整車質心高度保持一致。由于車身段中沒有車輪，本次試驗需要加高翻轉臺高度使車身段有足夠的離地高度。制造出的翻轉臺長2 990mm，寬1 243mm，高1 264mm，如圖1所示，翻轉臺底座通過地腳螺栓固定于地面。ECE R66法規要求側翻試驗的舉升速度不得超過5°/s，經計算天車吊鉤的慢速擋滿足要求，因此使用天車吊鉤作為翻轉的動力源。試驗準備完畢的車身段側翻試驗模型如圖1所示。

1.2 側翻試驗

試驗開始后翻轉臺底座上的翻轉面開始繞鉸鏈轉動，車身段在翻轉面上以小于5°/s的速度傾斜，擋桿的約束作用限制了它沿Y方向的平動位移，車身段繼續傾斜直到臨界失穩狀態，然后開始脫離翻轉臺進入僅受重力加速度的側翻狀態。側翻過程中，車身段經歷了“臨界失穩”、“空中翻轉”、“接觸地面”和“翻轉結束”4個姿態，如圖2所示。生存空間的侵入量和車身上部結構截面對角線的變形量數據通過數據采集儀DH5922記錄，并使用配套軟件分析處理，處理后數據以車身段首次觸地變形時刻作為起始時刻，如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可知，首次接觸地面時車身段的上部結構發生了較大的變形，其中生存空間相對侵入量達到了峰值137.54mm，上部結構截面對角線相對變形量達到了峰值248.65mm;然后車身段反彈并離開地面上升，此時變形量有所減小，說明進入了材料的彈性恢復階段;伴隨著車身再次碰撞地面，生存空間相對侵入量和上部結構截面對角線的相對變形量均有不同程度的波動，直到車身運動停止后變形量終值分別是115.82mm和139.45mm，表明車身段還存在較大的有效塑性變形。測量所得的側圍立柱與生存空間的初始距離為231.06mm，而圖3反映出相對侵入量的峰值為137.54mm，侵入量達峰值時余量有93.52mm，即生存空間并沒有被侵入。

2 車身段側翻仿真分析

2.1 建立車身段有限元模型

按照上述側翻試驗中車身段的尺寸、形狀、材料和連接方式等在有限元軟件Hypermesh中建立車身段模型，并根據ECE R66的要求建立生存空間(圖5)［5］。模型主要由四邊形和少量三角形殼單元組成，其中四邊形殼單元47 836個，三角形殼單元120個，剛性單元354個，模型如圖6所示。車身段模型中所有的焊接關系通過共節點和剛性連接來模擬，不考慮失效。

2.2 側翻仿真分析

車身段側翻仿真歷程如圖7所示，運動過程、車身觸地部位與最終形態和側翻試驗保持一致。從側翻仿真結果來看，車身段上部結構的大變形集中在首次觸地階段，變形過程在200ms內完成，整個運動歷程可分為5個階段。

(1)車身段在翻轉臺的舉升作用下繞鉸鏈做定軸轉動。

(2)車身段運動到臨界狀態做空中翻轉，此時勢能轉化為動能，翻轉速度不斷提高。

(3)車身段與地面首次接觸，接觸部位為車身頂蓋的頂邊縱梁部分，此次接觸造成車身段上部結構的大變形。從仿真歷程看，生存空間在大變形中并沒有被侵入。

(4)車身段進入彈性恢復階段，并從地面反彈，其塑性變形此時基本完成。

(5)車身段整體撞擊地面，最后靜止于地面，整個過程中生存空間并未被侵入。

2.3 試驗與仿真分析結果對比

提取出側翻仿真時車身段生存空間相對侵入量曲線和上部結構截面對角線相對變形曲線，并與試驗結果進行對比，分別如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出，試驗結果和仿真分析所呈現出的生存空間相對侵入量和對角線相對變形十分接近，峰值的相對誤差分別只有1.25%和5.12%，滿足工程精度要求。生存空間的相對侵入量仿真分析峰值為129.64mm，沒有超過231.06mm的初始距離，可以充分說明生存空間并沒有被侵入。對角線相對變形在試驗碰撞后2s時刻已經趨于穩定，而仿真結果還有小幅波動，這主要是因為仿真計算中沒有考慮車身結構的阻尼特性，導致振蕩的衰減比試驗結果要慢。

通過上述分析可以認為，所建立的車身段有限元模型能較好地反映車身段在側翻碰撞過程中的變形情況，在側翻過程中生存空間并沒有被侵入，因此也驗證了所研究的模型是符合ECE R66法規要求的客車模型。

2.4 乘客損傷評價方案

盡管客車車身在整個側翻過程中生存空間并沒有被侵入，符合ECE R66法規要求，但是這并不能充分說明乘員在側翻事故中得到了良好的保護，為考察側翻事故中乘員損傷情況，本文中在車身段中加入假人模型，從乘員約束系統的工作情況出發，提出兩種乘員損傷的評價方案，分別是不佩戴安全帶(方案一)和佩戴安全帶(方案二)。假人模型用于模擬碰撞過程中人體的運動狀態和分析人體的損傷機理，結合頭部傷害指數HIC和頸部損傷指標NIC對人體損傷程度進行評價，以更好地評價車輛的被動安全性。模型選用LSTC HybridⅢ50th男性假人，由4 376個單元和7 402個節點組成。通過前處理工具Ls-PrePost的Dummy-Positioning功能對假人進行坐姿定位，定位完成通過Ls-PrePost的Seatbelt-Fitting功能后對佩戴安全帶方案的模型進行安全帶匹配。兩種方案的模型如圖10和圖11所示。

為使在以下的分析說明中對假人進行區分，各假人按照從左到右的順序編號，如圖12所示。

2.5 考慮乘客損傷的側翻仿真分析

假人不佩戴安全帶(方案一)的側翻歷程如圖13所示。整個碰撞過程持續500ms，車身段上部變形主要集中在首次觸地時，生存空間并沒有被侵入。1、3和4號假人均與車身段直接碰撞，由于車身骨架沒有蒙皮，4號假人在碰撞過程中伸出到車身骨架外，2號假人在1號假人的阻隔下避免了與車身段的直接接觸。碰撞過程可以分為6個階段。

(1)車身段與地面接觸且在很短的時間內上部結構發生了大變形，車身段觸地后開始反彈，假人由于慣性和重力作用開始脫離座椅。

(2)1號假人與正處于反彈上升階段的車身骨架接觸，碰撞部位主要是假人的頭部、右肩和車身段的側窗玻璃，碰撞后1號假人也伴隨車身段做上升運動。

(3)2號假人在下降過程中與1號假人接觸，碰撞部位是1號假人的左肩和2號假人的腰部。

(4)4號假人在下降過程中與上升中的車身段碰撞，碰撞部位是假人的頭部和車身段頂蓋的小縱梁，由于車身骨架沒有蒙皮，4號假人與車身骨架接觸后頭部直接伸出到車身骨架外。

(5)車身段上升到最高位置后開始下降，3號假人在下降過程中與車身骨架接觸，碰撞部位是假人的頭部和車身段的頂蓋小縱梁。

(6)車身段繼續下降，直至與地面再次接觸，劇烈碰撞過程趨于結束。

在不佩戴安全帶側翻歷程中，雖然車身段符合ECE R66法規要求，生存空間并沒有被侵入，但是假人與車身還是發生了劇烈的碰撞。從假人的運動狀態可以看出，假人的頭部、胸部和腰部等重要部位均受到不同程度的損傷。

3號和4號假人與車身骨架頂部的接觸部位和撞擊力如圖14和圖15所示。從圖中可以看出，假人的撞擊姿態是頭朝下與水平面的夾角超過45°，接觸時身體質量通過人體的頸部傳達到頭部并集中于接觸面上，撞擊部位是人體頭部與車身段頂蓋縱梁，撞擊力分別達到了14和11kN，極大的撞擊力對人體頭部和頸部造成嚴重傷害。下面對頭部和頸部損傷指標進行剖析。

假人佩戴安全帶(方案二)的側翻歷程如圖16所示。跟方案一相同的是，整個碰撞過程持續500ms，車身段上部變形主要集中在首次觸地時，碰撞過程中生存空間并沒有被侵入。由于安全帶的約束作用，4個假人中只有1號假人與車身骨架發生接觸，其他3個假人均沒與車身骨架碰撞。碰撞過程可以分為4個階段。

(1)車身段與地面接觸，上部結構在很短的時間內發生了大變形，車身段觸地后開始反彈，假人由于慣性和重力作用開始具有脫離座椅的趨勢。

(2)1號假人跟正處于反彈上升階段的車身骨架接觸，碰撞部位主要是假人的頭部、右肩和車身段的側窗玻璃，碰撞后1號假人也伴隨車身段做上升運動。

(3)2、3、4號假人均有脫離車身段的趨勢，但兩點式安全帶把它們約束在座椅上使它們只能跟隨車身段運動，其間1號假人與2號假人和3號與4號假人之間均有相互接觸。

(4)車身段上升到最高位置后開始下降，直至再次與地面接觸，劇烈碰撞過程趨于結束，4個假人始終位于座椅上。

在假人佩戴安全帶的側翻仿真中可以看到，雖然車身段發生了劇烈的碰撞和大變形，但假人由于安全帶的約束作用而始終位于客車座椅上，極大限度地避免了跟車身骨架的直接接觸。假人頭部、胸部和腰部等重要部位受到損傷的情況不再出現，更沒有假人頭部伸出車身骨架外的情形。

3 人體損傷評價

人體損傷主要發生在車內的二次碰撞時，此時人體在慣性力與接觸力的共同作用下要承受相當大的機械沖擊載荷。當這些載荷超越了人體可以承受的限度，就會發生人體損傷。從上述仿真分析中可知，客車側翻過程中乘員損傷主要集中在頭部、頸部和胸部。下面根據仿真結果對頭部和頸部的損傷指數進行深入的分析和探索。

(1)HIC 計算公式［6］為

式中:t0、te為仿真開始和結束時間;t1、t2為使HIC達到最大值的脈沖初始和終止時刻，其間隔不大于36ms;R(t)為合成加速度。

HIC值的大小與頭部損傷的程度有直接關系。美國汽車醫學協會(AAAM)制定了一個解剖學尺度的損傷評定標準AIS［7］。損傷程度與AIS的對應關系如表1所示，HIC值達到1 000被認為發生AIS 3級以上的頭部損傷風險為24.4%;HIC值達到2 000被認為發生AIS 3級以上的頭部損傷風險為93.9%。因此，通常將HIC=1 000作為頭部損傷的安全界線，不過在設計階段HIC≤700被認為是安全范圍。

表1 AIS與損傷程度對應關系

通過HybridⅢ假人頭部的加速度傳感器，在仿真分析中能獲取假人頭部的合成加速度歷程曲線，運用式(1)對加速度曲線積分可以得到各假人的HIC36，數值如表2所示。

表2 假人頭部傷害指標(HIC)

從以上的仿真分析結果可以看出，佩戴安全帶后假人的HIC值有較大下降。特別是對于3號和4號假人，HIC36下降的幅度更為可觀，其中3號假人的HIC36下降了74.2%，4號假人的 HIC36下降了79.2%，HIC值均低于700。究其原因，3號和4號假人在不佩戴安全帶的情況下與車身段頂蓋橫梁發生了極為劇烈的直接碰撞，即使生存空間沒有被侵入，假人的運動也遠遠超出了車身安全區域的范圍，因此車身的被動安全性、人體保護能力根本不發揮作用。佩戴安全帶后，僅有1號假人在整個碰撞過程的開始階段與車身的玻璃部分發生接觸，其他假人在側翻期間基本上被約束在生存空間中，從HIC可以看出人體的頭部損傷被控制在較低水平。

(2)頸部損傷指標(NIC)是目前最為常用的評價頸部損傷的指標。這個指標提出后經過Bostrom等人的研究后簡化為一個數值NICmax。該數值指的是在頸部受力后150ms內NIC的最大值，推薦的NIC 極限值為 15m2/s2，其計算公式［8］為

其中

通過HybridⅢ假人頸部的傳感器，在仿真分析中能獲取假人第一塊胸椎和頭部質心的加速度和速度歷程曲線，對曲線上數值進行讀取，通過式(2)可以求出NICmax，數值如表3所示。

頸部損傷指標表明，佩戴安全帶后4個假人模型的NIC值均有不同程度的下降。其中3號和4號假人的NIC值下降最為明顯，3號假人的NICmax下降了73.9%，4號假人的NICmax下降了74%。從仿真歷程可以看出，4號假人在不佩戴安全帶的情況下頭部通過車身段頂蓋部分的孔伸出到車身骨架外，導致頸部受到很大的軸向和剪切載荷，因而NICmax達到了33.1m2/s2。相關研究表明，當 NICmax達到15m2/s2時，頸部會有50%的損傷風險;當NICmax達到32m2/s2時，頸部會有100%的損傷風險［9］。佩戴安全帶后，假人的運動約束在座椅上，除1號假人外，其他假人的頭部與車身沒有直接接觸，因此頸部僅需承受頭部的慣性力和胸部的拉力的合力，所以NICmax均控制在較低水平。

表3 假人頸部損傷指標(NICmax)

4 結論

(1)依據ECE R66法規實施的車身側翻試驗表明，車身符合法規要求，同時側翻仿真分析結果也表明車身生存空間沒有被侵入，試驗與仿真所獲得的生存空間相對侵入量和上部結構截面對角線相對變形量曲線無論在波峰形狀還是變形趨勢上都比較接近，其中變形峰值的相對誤差分別只有1.25%和5.12%。數據對比分析驗證了有限元模型在側翻時能較好地反映出試驗時的車身運動與變形狀況。

(2)滿足法規要求的車身結構不一定能為乘員提供良好的保護，只了解車身的運動和變形更不足以評判乘員在側翻事故時的損傷狀況。本文在車身段中加入LSTC HybridⅢ50th男性假人，考察佩戴和不佩戴安全帶兩種方案時的損傷情況。結果表明，不佩戴安全帶時人體的運動范圍已經遠超生存空間范圍，特別是遠離撞擊側的3號和4號假人，其頭部均撞擊到車身頂蓋，4號假人的頭部甚至完全伸出車外。而佩戴安全帶的假人在側翻工況下得到了良好的身體保護，整個碰撞過程假人均被限制在座椅上，活動范圍基本上處于生存空間以內，僅有1號假人在碰撞開始階段與車身的側窗玻璃有接觸。

(3)研究結果表明，佩戴安全帶時HIC和NIC均有較大幅度的下降，4個假人中HIC最大值從3 187降到664，下降了79.2%，小于設計標準的700，屬于安全范圍;NICmax最大值從33.1m2/s2降到10.5m2/s2，下降了68.3%，小于15m2/s2的推薦極限值。

從以上分析中得出結論，乘員約束系統是側翻碰撞發生時人體保護的關鍵，即使是符合法規要求的車身在側翻時也需要約束系統的有效工作才能發揮出良好的被動安全性和優越的乘員保護能力。

［1］ 李毅．大客車側翻碰撞安全性設計與優化關鍵技術研究［D］．華南理工大學，2012．

［2］ Li Yi，Lan Fengchong，Chen Jiqing．Experimental and Numerical Study of Rollover Crashworthiness of a Coach Body Section［C］．SAE Paper 2012－01－1900．

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［5］ UNECE．R66:Uniform Technical Prescriptions Concerning the Approval of Large Passenger Vehicles with Regard to the Strength of Their Superstructure［S］．2006．

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［7］ Gotzen L．The Abbreviated Injury Scale-1990 Revision［S］．USA:Association for the Advancement of Automotive Medicine，1990．

［8］ Ola Bostrom，Rikard Fredriksson，Yngve Haland，et al．Comparison of Car Seats in Low Speed Rear-end Impacts Using the BioRID Dummy and the New Neck Injury Criterion(NIC)［J］．Accident Analysis and Prevention，2000，32(2):321 －328．

［9］ Anders Kullgren，Linda Eriksson，Ola Bostrom，et al．Validation of Neck Injury Criteria Using Reconstructed Real-Life Rear-end Crash With Recorded Crash Pulses［J］．ESV 18，05 －0288:1 －14．