汽車正面碰撞中人體坐姿對駕駛員傷害的分析

鞠海蒙，沈 輝，孫 亞，孫 健

（揚州大學 機械學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

汽車碰撞之前，乘員的坐姿除了受坐墊傾角以及靠背剛度的影響之外，還會因為個人的身高以及駕駛的習慣不同而改變，從而導致駕駛員的頭部與方向盤間距離的改變。在碰撞過程中，人的頭部主要受到安全氣囊的約束保護，頭部與方向盤間的距離決定著安全氣囊對頭部保護的效果，因此，碰撞中頭部受到的傷害與人體坐姿存在著必然的聯系。

本文使用多剛體系統動力學軟件MADYMO建立正面碰撞模型，并進行相應的仿真分析，以假人的頭部損傷值HIC為主要參考依據，對比碰撞試驗數據，驗證仿真的效果；利用仿真模型分析假人坐姿對乘員傷害的影響，為汽車座椅的設計優化提供理論依據。

1 正面碰撞模型的建立

基于多體（MB）動力學計算和顯式動態有限元（FE）計算，利用 MADYMO軟件建立車體模型，選用HybridⅢ第50百分位男性假人，采用三點式多剛體-有限元安全帶模型，建立安全氣囊的有限元模型并定義其FE接觸，以構建汽車正面碰撞成員的約束系統模型，如圖1所示。

2 驗證仿真的效果

為了能使用MADYMO軟件分析人體形態保護效果，必須將其所建立模型的仿真數據與實車碰撞試驗中得到的大量數據進行對比，驗證MADYMO所得到數據的準確度。其模型的驗證遵循“自下而上”的規則進行，力和加速度信號需滿足“起始時刻、形狀、峰值、峰值時刻及脈寬”等基本特征，若與試驗數據的誤差小于25%，則認為模型是有效的。圖2為人體傾角為0°時實車碰撞試驗數據與仿真數據的對比。

由圖2可以看出，仿真數據與試驗數據的基本走向大體相同，但也存在一定的誤差，頭部合成加速度的仿真數據最大峰值出現在85.1ms時刻，數值為422.84m／s2，而試驗數據的峰值則出現在87.5ms時刻，數值為447.85m／s2，兩者的誤差為5.58%；胸部合成加速度的仿真數據最大峰值出現在65.4ms時刻，數值為337.33m／s2，而試驗數據的峰值則出現在66.9ms時刻，數值為306.58m／s2，兩者的誤差為10.03%；髖部合成加速度的仿真數據最大峰值出現在57.0ms時刻，數值為632.77m／s2，而試驗數據的峰值則出現在54.9ms時刻，數值為606.49m／s2，兩者的誤差為4.33%。分別對比頭部、胸部及髖部的加速度，其誤差值都控制在15%之內，且加速度峰值出現的時間也大體一致，誤差也在3ms之內，所以模型是有效的。

圖1 MADYMO正面碰撞乘員約束系統模型

3 人體坐姿對乘員響應的影響

由于人體的上軀干與下軀干的交點H點的位置是以坐姿舒適性以及操作方便性為前提，所以假人坐姿的調節首先要固定好H點位置。坐姿的變化主要是通過改變人體上軀干相對于Z軸的傾角，即在MADYMO軟件中調節假人脊柱跟頭部的角度。分別對前傾10°、前傾為0°及后傾10°三種狀態進行仿真計算，得到的各組加速度數據和傷害輸出如表1所示。

分析頭部合成加速度和傷害輸出數據可知：前傾角度越小頭部加速度峰值則越大，且增幅較大，頭部HIC值也同樣有較大的增加，這是由于在發生碰撞時，適當的前傾角可以使得駕駛員能及早地與完全彈開的安全氣囊相接觸，這樣可以及時降低頭部加速度，減輕頭部的損傷。

圖2 實車碰撞試驗與仿真數據的對比

表1 改變坐姿時人體各部加速度和傷害輸出

分析胸部合成加速度和傷害輸出數據可知：前傾角度越小胸部加速度峰值越小，且前傾角度為正值時，其變化較明顯，而前傾角度為負值時，即人體后傾時，其變化較小。分析髖部合成加速度可知：加速度峰值基本相等，這是因為調節傾角是調節脊柱以上人體部位，所以傾角的變化對髖部沒有影響。

若繼續增大前傾角至15°時，則頭部合成加速度會出現如圖3所示的情況。由圖3可知：前傾角至15°時到達波峰的時間明顯提前，即在碰撞時安全氣囊沒有完全彈開的情況下，頭部就開始接觸安全氣囊，此時安全氣囊充氣過程會給頭部一個反作用力，對頭部的沖擊非常大，甚至可能致命，這樣安全氣囊不但保護不了駕駛員，而且會對駕駛員造成更大的傷害，駕駛員應該盡量避免這樣的情況發生。另外，由于氣囊展開模型采用的是均勻壓力模型，其具有一定的局限性，不適用安全氣囊未完全展開即接觸頭部的情況，所以此時計算的加速度值和傷害輸出值是有誤差的。

圖3 前傾角為15°時頭部合成加速度曲線

4 結論

汽車發生碰撞時，保證安全氣囊完全彈開之后頭部才接觸氣囊，即人體前傾角小于10°時，增大角度可以減小頭部損傷。若前傾角大于15°時，氣囊沒有完全彈開，頭部即開始接觸安全氣囊，此時，氣囊彈開時的反作用力會加劇人體頭部和頸部的傷害。

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