客車側翻碰撞中的乘員損傷研究*

曹立波，阮誠心，2，陳 杰，王洪寶

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082; 2.胡志明工業大學汽車工程系，越南胡志明市)

前言

隨著各國的城市交通與長途客運的迅速發展，客車數量不斷增加，涉及客車的交通事故也不斷增加，因此，客車的安全性越來越受到重視。據統計，在美國，1999－2003年間客車交通事故平均每年造成40人死亡、18 430人受傷［1］。在歐洲，公共汽車和長途客車交通事故平均每年約發生20 000起，造成約200人死亡和30 000多人受傷［2］。因此，進行客車側翻碰撞過程中乘員損傷機理研究對于保護乘員生命安全具有重要意義。

目前，與客車安全性相關的法規主要是歐洲的ECE R66法規，該法規通過對生存空間的要求間接地提出了對車身結構強度剛度的要求，但未提出客車側翻過程中與乘員損傷參數相關的要求［3］，使滿足該法規的客車能否在側翻碰撞中對乘員提供有效的保護成為疑問。

國外學者已經進行了客車側翻碰撞過程中乘員損傷的研究。2003年歐洲長途客運汽車和公共汽車安全性報告比較全面地研究了歐洲各國的客車安全狀況，并提出在ECE R66法規中增加乘員損傷評價的改進建議［2］;文獻［4］中對客車側翻過程中非碰撞側未佩戴安全帶乘員和站立乘員的損傷進行了研究，結果表明乘員頭部和頸部損傷較為嚴重;文獻［5］中采用MADYMO軟件建立了客車局部車身段多剛體模型，并在碰撞側放置單個Euro SID側碰假人，研究了客車結構剛度、約束系統和乘員身材對客車側翻乘員損傷的影響;文獻［6］中分別進行了Hybrid III假人在佩戴三點式安全帶、兩點式安全帶和未佩戴安全帶時假人頭部和頸部損傷的研究和對比分析，發現客車側翻時，未佩戴安全帶的乘員會被彈離座椅而受到嚴重傷害，佩戴安全帶會約束乘員不脫離座椅而大大減小受傷的危險，佩戴三點式安全帶雖然頭部損傷指數HIC較小，但乘員增加了頸部受力，而佩戴兩點式安全帶時HIC雖較大，但仍在可接受的范圍內，故建議在客車中使用兩點式安全帶。但是他們的研究工作均未考慮客車側翻過程中相鄰乘員相互作用對乘員損傷的影響。

本文中基于ECE R66法規和客車LS-DYNA側翻安全性仿真結果，采用MADYMO軟件建立了客車側翻有限元與多體的混合模型，研究了客車側翻過程中相鄰乘員相互作用對乘員損傷的影響。

1 ECE R66法規介紹

ECE R66法規修訂于2006年2月底，適用于載客多于22人的客車。客車側翻碰撞安全性試驗要求客車停放在一個水平的翻轉平臺上，翻轉起始水平面與下方的撞擊面高度相差800mm，客車在沒有搖晃和不受其他外力影響的情況下側傾直至翻倒，側傾角速度不應超過5°/s(0.087rad/s)，見圖1。

ECE R66法規要求，客車側翻碰撞試驗時，須確保側翻變形后車身結構不得侵入生存空間，生存空間內的任何部件也不得侵入到生存空間之外。乘員生存空間尺寸的定義如圖2所示。

2 客車側翻有限元與多體混合模型的建立

取某客車經過驗證的側翻有限元模型的中間節段作為對比，建立了該局部節段的MADYMO側翻有限元與多體的混合模型，如圖3和圖4所示。在建模過程中，對在側翻中變形較小的客車底架、坐墊骨架和靠背骨架采用多體來模擬，其質量、質心和轉動慣量根據有限元模型數據設定;對變形較大的車身骨架、蒙皮、窗玻璃和座椅支撐結構采用有限元法來模擬，互相通過共節點方式連接;有限元與多剛體的連接采用Support關鍵字模擬連接。有限元結構材料均采用Isotropic Elastoplastic Material模擬，材料屬性按照實際參數進行設置。

在車身碰撞側的座椅上建立了兩點式安全帶模型，并在座椅上分別單獨放置一個、并排放置兩個Euro SID-I假人，如圖5和圖6所示。同時，創建了車內乘員二維生存空間，不設置生存空間與其它結構之間的接觸。

翻轉平臺和撞擊面采用剛性平面來模擬，并考慮接觸特性。車身骨架結構與蒙皮的接觸使用CONTACT.FE_FE定義，摩擦因數取0.3;假人與車身上部結構、假人與安全帶的接觸使用CONTACT.MB_FE定義，摩擦因數取0.5;假人與座椅的接觸使用CONTACT.MB_MB定義，摩擦因數取0.3。

ECE R66法規規定，客車側翻碰撞安全性試驗前停放在水平翻轉平臺上，翻轉起始水平面與撞擊面之間高度差為0.8m，翻轉時平臺向撞擊面的一側旋轉，帶動客車側傾直至翻倒，平臺旋轉角速度不超過5°/s。為節省計算時間，仿真分析從客車處于翻轉臨界位置開始，翻轉側傾角速度采用JOINT.REVO來定義，角速度為ω=0.087rad/s。為充分得到側翻過程中車身的變形情況，客車碰撞過程仿真時間設定為1.5s。

3 側翻過程仿真

分別采用客車有限元側翻模型(LS-DYNA模型)和客車有限元與多剛體混合側翻模型(MADYMO模型)進行仿真，結果如圖7所示。由圖可見:兩種模型的側翻時質心加速度隨時間變化曲線的走勢基本一致;LS-DYNA模型的質心加速度在1.20s時達到最大峰值10.5g，MADYMO模型的質心加速度在1.19s時達到最大峰值9.7g，兩者的質心加速度最大峰值和相應時刻基本一致，波峰脈寬也大致相同。

為進行客車側翻模型的變形量對比，定義車身碰撞側各立柱對生存空間的侵入量D，以變形后生存空間到側圍的最小距離計算D值，負值表示侵入，正值表示未侵入，如圖8所示。

客車LS-DYNA模型和MADYMO模型仿真后變形對比結果如圖9和表1所示。可以看出，兩者在車身變形形式和對生存空間的侵入量上基本一致，最大誤差在10%左右。同時，車身上部結構變形后均未侵入乘員生存空間，滿足ECE R66法規要求。

表1 客車車身側圍結構對生存空間的侵入量

通過以上客車質心加速度和車身上部結構變形分析表明，客車LS-DYNA模型和MADYMO模型的動態響應基本一致，說明客車側翻MADYMO模型基本有效，可用于后續研究。

4 客車側翻乘員損傷分析

由于客車側翻乘員損傷形式與側碰具有較大的相似性，因此，本文中采用Euro SID-I假人對客車側翻乘員損傷機理進行分析研究，損傷指標主要參考歐洲的側碰法規要求。

(1)頭部損傷指標HIC

式中:a為頭部合成加速度;t1和t2分別為積分時間間隔內的起始時刻和結束時刻，在這時間間隔內HIC值最大。

(2)胸部損傷指標TTI

式中:GR為肋骨的加速度峰值;GLS為脊柱下端位置處的加速度峰值。

(3)胸部壓縮量D

(4)胸部黏性指標VC

側碰法規規定Euro SID-I假人頭部合成加速度HIC36ms＜1 000，胸部壓縮量D＜42mm，胸部黏性指標VC＜1.0m/s，腹部合力APF＜2 500N，骨盆峰值力PSPF＜6 000N，背板峰值力Fy＜4 000N。

4.1 單個乘員的損傷分析

將單個Euro SID-I側碰假人M2放置在碰撞側靠窗的座椅上，并佩戴兩點式安全帶，進行客車側翻碰撞乘員損傷仿真分析，如圖10和表2所示。

結果表明，客車在側翻過程中，盡管側圍變形未侵入生存空間，但TTI卻超出了法規限值:胸部損傷指標為281.7g，達到了側碰法規要求的假人胸部損傷指標的3.13倍。這主要是由于假人M2的肩部與客車側窗玻璃距離較近，在500ms時，假人左肩部接觸到側圍和窗戶玻璃，當客車進一步側翻到與地面發生碰撞時，側圍結構變形彎曲，使假人肩部承受較大的碰撞力，假人M2會承受較大的胸部加速度，導致TTI增大，而由于胸部沒有與客車及地面直接接觸，胸部壓縮量反而很小。因此，在這種情況下仍然會對乘員造成較嚴重的損傷。

表2 單個假人時的損傷值

4.2 乘員發生相互作用時的損傷分析

將兩個Euro SID-I側碰假人M1和M2并排放置在碰撞側座椅上，并佩戴兩點式安全帶，進行客車側翻乘員損傷仿真分析，如圖11和表3所示。

由表3可知，當并排放置假人M1和假人M2在客車碰撞側座椅上并佩戴兩點式安全帶時，與未放置假人M1時的假人M2損傷值比，大部分損傷值有所增加。例如，假人M2胸部損傷指標TTI增加了75.9%，腹部合力增加了30%，背板峰值力增加了92.7%，頭部損傷指標HIC36ms增加了119%，頸部上端合力增加了80.1%，胸部黏性指標增加了93.3%。但是，胸部壓縮量減小了4.6%，這主要是因為假人M2與車窗玻璃的接觸主要在肩部，如圖12所示，當有兩個假人時，假人M1和車窗玻璃對假人M2都有一個擠壓作用，雖然肩部擠壓明顯增加，但由于假人M2的手臂向內旋轉，使其胸部并沒有直接受力，從而導致假人M2的胸部壓縮量減小。這與假人在此局部的生物逼真度不足有一定的關系。同時，由于胸部壓縮量較小，在損傷評價時可不作考慮。

結果表明，TTI和腹部合力這兩個損傷值比側碰法規要求的損傷限值大，因此，客車在發生側翻碰撞時，乘員胸部與腹部會有較大損傷風險。同時，當側翻側座椅上乘坐有兩名乘員時，靠窗戶的乘員承受的損傷會增加，如表3所示。

表3 當放置和未放置假人M1時的假人M2損傷值對比

5 結論

通過計算機仿真分析研究了客車側翻碰撞過程中乘員的損傷情況和乘員間的相互作用對乘員損傷的影響。結果表明，即使客車結構變形未侵入歐洲ECE R66法規中要求的乘員生存空間，但是乘員胸部和腹部損傷值仍然較大，特別是當相鄰兩乘員發生相互作用時，乘員的損傷會更嚴重。在側翻碰撞中單純地以是否侵入生存空間為判定標準，不足以保證乘員安全性。該研究對側翻碰撞法規的進一步完善有一定指導意義。

［1］National Institute of Aviation Research.Mass Transit Crashworthiness Statistical Data Analysis，Report#FTA-002［R］.Kansas 67260 －0093，12 Dec 2005.

［2］Final Publishable Report，ECBOS-Enhanced Coach and Bus Occupant Safety，Project N°:1999-RD.11130［R］.European Commission 5th Framework，2003.

［3］ECE R66 E/ECE/324 Rev.1/Add.65/Rev.1.Uniform Technical Prescriptions Concerning The Approval of Large Passenger Vehicles with Regard to The Strength of Their Superstructure［S］.Untied Nations，2006.

［4］Pankaj S Deshmukh.Rollover and Roof Crush Analysis of Lowfloor Mass Transit Bus［D］.Wichita State University，December 2006.

［5］Belingardi G，Gastaldin D，Martella，et al.Multibody Analysis of M3 Bus Rollover:Structural Behaviour and Passenger Injury Risk［C］.18th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles，ESV，Nagoya，Japan，May，2003.

［6］Mehmet A Guler，Ali O Atahan，et al.Crashworthiness Evaluation of an Intercity Coach Against Rollover Accidents［J］.Int.J.Heavy Vehicle Systems，2011，18(1).