在車對車碰撞條件下轎車斜角碰撞及小重疊碰撞的駕駛員損傷研究*

曹立波，張 萍，顏凌波,，張 愷，謝 飛，樂中耀

(1.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； 2.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039)

2016028

在車對車碰撞條件下轎車斜角碰撞及小重疊碰撞的駕駛員損傷研究*

曹立波1，張 萍1，顏凌波1,2，張 愷1，謝 飛2，樂中耀2

(1.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； 2.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039)

為探究駕駛員在斜角碰撞和小重疊碰撞中的損傷風(fēng)險(xiǎn)，利用某經(jīng)過驗(yàn)證的豐田Yaris整車模型，建立了100%正面碰撞、40%偏置碰撞、25%偏置碰撞和左側(cè)30°斜角碰撞的LS-DYNA車與車碰撞模型，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了MADYMO駕駛員約束系統(tǒng)模型，和進(jìn)行模型的驗(yàn)證。利用所組成的碰撞模型開展了被碰車與碰撞車上假人在以上4種碰撞中的損傷仿真。結(jié)果表明，車與車左側(cè)30°斜角碰撞是一種非常危險(xiǎn)的工況，尤其可能使駕駛員產(chǎn)生較大的下肢損傷；被碰車的駕駛員容易產(chǎn)生較大的頸部損傷；而總的來說，在4種碰撞工況中，小重疊碰撞導(dǎo)致的駕駛員損傷最小。

正面碰撞；偏置碰撞；斜角碰撞；小重疊碰撞；駕駛員損傷

前言

汽車正面碰撞是最常見的交通事故之一，正面碰撞的試驗(yàn)方法包括全寬碰撞、偏置碰撞和角度碰撞[1]。為提高汽車產(chǎn)品的安全性能，我國于1999年10月頒布了CMVDR 294《關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則》，采用100%重疊率的剛性固定壁障碰撞試驗(yàn)方法。2007年又頒布并實(shí)施GB/T 20913—2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護(hù)》，該標(biāo)準(zhǔn)是以歐洲1998年新修訂的ECE R94/01為基礎(chǔ)起草的，采用40%偏置可變形壁障碰撞方式。

目前，我國并沒有關(guān)于角度碰撞和小偏置碰撞的試驗(yàn)規(guī)則或標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)關(guān)于這兩種碰撞工況的研究也較少。然而，美國FMVSS208法規(guī)早在1986年就規(guī)定正面碰撞試驗(yàn)除采用車輛縱軸線與障礙壁表面垂直的碰撞試驗(yàn)外，還需進(jìn)行車輛橫截面與障礙壁表面成30°的碰撞試驗(yàn)。歐洲ECE R94正面碰撞試驗(yàn)法規(guī)也在1995年采用車速為50km/h的30°斜角碰撞試驗(yàn)方法作為過渡。美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(IIHS)已于2012年8月開始，引入了25%正面偏置碰撞(小重疊碰撞)測試方法。國外學(xué)者也在該領(lǐng)域開展了一些研究，但是大多是基于事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，車輛的個(gè)體差異性較大。其中文獻(xiàn)[2]中的研究指出，斜角碰撞中由于安全氣囊對乘員的保護(hù)效果較差，乘員頭部和胸部AIS 3+損傷比兩車中軸線平行碰撞時(shí)大。文獻(xiàn)[3]中通過對比美國國家汽車采樣系統(tǒng)防撞性數(shù)據(jù)體系(NASS/CDS)及碰撞損傷研究和工程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(CIREN)發(fā)布的碰撞事故數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：相對于大重疊偏置碰撞，在小重疊偏置碰撞中，乘員的頭部、胸部、脊椎和骨盆更易產(chǎn)生AIS 3+損傷[3]。

為進(jìn)一步研究駕駛員在斜角碰撞和小重疊碰撞中的損傷特點(diǎn)，本文中采用同一車型，消除了車輛的個(gè)體差異性，將斜角碰撞、小重疊碰撞與100%正面碰撞和40%偏置碰撞進(jìn)行對比，綜合分析同一車型在不同碰撞模式中駕駛員損傷的差異。

1 仿真模型的建立與驗(yàn)證

本研究中利用LS-DYNA非線性有限元分析軟件建立豐田Yaris的100%正面碰撞、40%偏置碰撞、25%偏置碰撞和左側(cè)30°斜角碰撞的整車仿真模型，利用MADYMO軟件建立以上4種碰撞模式的駕駛區(qū)和乘員約束系統(tǒng)模型。采用LS-DYNA與MADYMO相結(jié)合的方法進(jìn)行4種碰撞工況下的駕駛員損傷仿真分析。

1.1 豐田Yaris有限元模型

本文中所用的乘用車有限元模型是美國國家碰撞分析中心(national crash analysis center, NCAC)發(fā)布的2010年版豐田Yaris模型。該模型包含座椅、儀表板和必要的內(nèi)飾件，但不包括安全帶和安全氣囊等約束系統(tǒng)模型。整車模型質(zhì)量為1 250kg，單元總數(shù)為974 383個(gè)。NCAC在建立此模型后，已將其與整車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，整車試驗(yàn)數(shù)據(jù)來自于美國新車評價(jià)規(guī)程(NCAP)中的100%正面剛性壁障碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)的碰撞速度為56km/h，試驗(yàn)號為5677。整車模型的驗(yàn)證結(jié)果分別如圖1和圖2所示[4]。

利用上述經(jīng)過驗(yàn)證的車身有限元模型，分別建立100%正面碰撞、40%偏置碰撞、25%偏置碰撞和30°斜角碰撞的車與車碰撞模型，如圖3所示。設(shè)置碰撞速度為50km/h，碰撞時(shí)間為120ms。左邊車輛為被碰車，右側(cè)車輛為碰撞車。

在FE碰撞仿真模型中設(shè)置輸出駕駛員位置座椅下方一點(diǎn)的加速度和轉(zhuǎn)角曲線，作為MADYMO模型的輸入條件。

1.3 駕駛區(qū)和乘員約束系統(tǒng)模型的建立

與有限元分析軟件相比，多體運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件MADYMO具有求解效率高的特點(diǎn)，常用于車輛碰撞和乘員損傷的分析計(jì)算，便于研究碰撞過程中乘員的響應(yīng)，評價(jià)約束系統(tǒng)的性能。

本文中采用MADYMO軟件建立了駕駛區(qū)和乘員約束系統(tǒng)碰撞仿真模型，包括駕駛區(qū)模型，含儀表板總成，地板，左側(cè)車門內(nèi)飾板，左側(cè)A、B柱和前排左側(cè)座椅；駕駛員位置假人采用Hybrid III 50百分位橢球假人模型；約束系統(tǒng)包括安全氣囊和安全帶系統(tǒng)，其中安全帶系統(tǒng)包括預(yù)緊器、卷收器和安全帶織帶。

從FE整車碰撞模型中輸出各部件的節(jié)點(diǎn)信息和單元信息，輸入到MADYMO模型中，并賦予各部件相應(yīng)的材料和屬性，建立駕駛區(qū)模型。駕駛區(qū)模型的各部件在仿真中的運(yùn)動(dòng)情況與FE仿真模型一致，即用MADYMO PSM(prescribed structure motion)子結(jié)構(gòu)方法，將FE仿真模型中各部件的節(jié)點(diǎn)-位移歷程導(dǎo)出，在MADYMO模型中通過MOTION.STRUCT_DISP將其引入[5]。安全帶模型由有限元安全帶和多體安全帶單元組成，安全帶與車體的連接部分采用多體安全帶，安全帶與假人相接觸部分采用有限元安全帶。定義安全帶卷收器特性時(shí)，卷收器必須安裝在安全帶第一段的起點(diǎn)，根據(jù)安全帶在仿真中是否有限力和預(yù)拉緊功能來調(diào)節(jié)卷收器在仿真中的狀態(tài)[6]。根據(jù)試驗(yàn)動(dòng)畫中安全氣囊的起爆特性來調(diào)節(jié)仿真模型的安全氣囊起爆時(shí)間和起爆速率。

MADYMO碰撞仿真模型的建立是否準(zhǔn)確，主要取決于兩個(gè)方面：第一，模型各部件的材料特性和物理特性參數(shù)輸入是否準(zhǔn)確；第二，MADYMO模型中假人的空間位置定義是否準(zhǔn)確[7]。參照美國新車碰撞測試中的5677號試驗(yàn)，調(diào)節(jié)MADYMO仿真模型的假人位置，使之與試驗(yàn)一致，如表1所示。

根據(jù)試驗(yàn)調(diào)節(jié)好的駕駛區(qū)和乘員約束系統(tǒng)模型如圖4所示。

1.4 駕駛區(qū)和乘員約束系統(tǒng)模型的驗(yàn)證

將駕駛區(qū)和乘員約束系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對比，由于試驗(yàn)為100%正面碰撞模型，車身Y向與Z向加速度和車身繞X軸與Z軸的轉(zhuǎn)角加速度都很小，故只提取了X向加速度和繞Y軸的轉(zhuǎn)角加速度輸入到駕駛區(qū)和乘員約束系統(tǒng)正碰仿真模型中。由于美國NCAP對于前排駕駛員和乘員的評級是依據(jù)頭部HIC、胸部加速度和大腿力值，故對此駕駛區(qū)和乘員約束系統(tǒng)100%正碰模型假人的頭部加速度、胸部加速度和左右大腿力進(jìn)行了對標(biāo)，如圖5所示。

表1 試驗(yàn)中駕駛員位置

由圖5可知，駕駛區(qū)和乘員約束系統(tǒng)仿真模型的假人頭部加速度、胸部加速度和左大腿力曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好。而右大腿力曲線則與試驗(yàn)曲線差別較大，這主要是因?yàn)檎嘑E模型中未建立加速踏板模型，無法導(dǎo)出加速踏板的PSM文件，導(dǎo)致加速踏板在仿真中的運(yùn)動(dòng)-時(shí)間歷程與試驗(yàn)不一致，影響了右腳與加速踏板的接觸特性，但仿真曲線與試驗(yàn)曲線的峰值接近。表2給出仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比。

表2 試驗(yàn)與仿真模型假人損傷值對比

從表2可知，駕駛區(qū)和乘員約束系統(tǒng)仿真模型計(jì)算出的相關(guān)假人損傷值與試驗(yàn)假人損傷值的誤差均在8%以內(nèi)。

2 駕駛員損傷分析

利用上述經(jīng)過驗(yàn)證的駕駛區(qū)和乘員約束系統(tǒng)模型，建立了100%正面碰撞、40%偏置碰撞、25%偏置碰撞和30°斜角碰撞的被碰車與碰撞車MADYMO模型。設(shè)定車身縱向速度為50km/h，碰撞時(shí)間為120ms，進(jìn)行仿真，計(jì)算得到假人的損傷參數(shù)。

2.1 被碰車假人損傷情況

圖6為被碰撞假人損傷參數(shù)對比，是以100%正面碰撞仿真得到的損傷參數(shù)作為基準(zhǔn)的相對比值。

從圖6可知，被碰車假人在30°斜角碰撞時(shí)的頭部、胸部和左大腿的損傷最嚴(yán)重，且頭部HIC36非常大。圖7為4種碰撞工況下，被碰車在仿真碰撞96ms時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。圖7(d)中顯示，假人頭部在斜角碰撞中與左側(cè)車門碰撞，這是造成斜角碰撞中假人頭部損傷非常嚴(yán)重的原因。左側(cè)車門在30°斜角碰撞時(shí)變形最嚴(yán)重，向駕駛室侵入明顯。車門的變形侵入使車門擠壓假人胸部，造成了胸部的較大損傷。受車身被撞擊位置偏左的影響，30°斜角碰撞的假人左大腿力峰值明顯大于100%正面碰撞中的假人左大腿力峰值。斜角碰撞中車身右側(cè)未參與碰撞，所以右大腿力峰值遠(yuǎn)小于100%正面碰撞中的對應(yīng)值。

文獻(xiàn)[8]中在2001年基于NASS數(shù)據(jù)庫中的1 723起前部碰撞事故進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，左側(cè)斜角碰撞事故中被碰車的駕駛員更容易造成下肢損傷。為更進(jìn)一步分析被碰車駕駛員的下肢損傷情況，取出每種碰撞模式中左右大腿力峰值的較大值進(jìn)行比較，見圖8。圖中的各數(shù)值是各碰撞模式中左右大腿力峰值較大者與100%正面碰撞的左右大腿力峰值較大值相比得到的。從圖8可知，乘員在30°斜角碰撞中下肢損傷最嚴(yán)重，這與文獻(xiàn)[8]中的研究結(jié)論一致。

文獻(xiàn)[9]中對NASS/CDS數(shù)據(jù)庫前排乘員在前碰撞中的損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，提出一種事故分類方法，如圖9所示。車輛左前端方形陰影區(qū)域?yàn)檐囕v碰撞變形區(qū)域，車輛左右兩個(gè)長條陰影區(qū)域?yàn)閮蓚?cè)縱梁。當(dāng)變形區(qū)域在左側(cè)縱梁以外時(shí)，為小重疊碰撞；當(dāng)變形區(qū)域跨過左側(cè)縱梁但變形區(qū)域中心線在左側(cè)縱梁以外時(shí)，為中度偏置碰撞；當(dāng)變形區(qū)域中心線在左右縱梁之間時(shí)，為偏置碰撞。其文中根據(jù)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出的結(jié)論是，小重疊碰撞中乘員的AIS2+損傷小于中度偏置碰撞和偏置碰撞，小重疊碰撞在所有前碰撞類型中，最多屬于中等危險(xiǎn)工況。

圖10給出本研究中25%偏置碰撞和40%偏置碰撞的被碰車變形區(qū)域仰視圖。按照文獻(xiàn)[9]中提出的事故分類方法，本研究中的25%偏置碰撞實(shí)際上是指重疊度為25%的偏置碰撞，屬于小重疊碰撞，40%偏置碰撞屬于中度偏置碰撞。圖6顯示25%偏置碰撞的假人頭部和胸部損傷均比40%偏置碰撞小，圖8顯示25%偏置碰撞的假人下肢損傷比40%偏置碰撞小，此結(jié)論與文獻(xiàn)[9]中的研究結(jié)論基本一致。

圖11給出仿真結(jié)束時(shí)刻的整車碰撞情況對比。從圖11看出，車輛在25%偏置碰撞時(shí)的變形區(qū)域最小，同時(shí)車輛在碰撞平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度較大，通過轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致碰撞車?yán)@過被碰車左側(cè)，降低了碰撞強(qiáng)度。車輛的變形位于縱梁外側(cè)，使駕駛區(qū)的主要形狀保持完好，有利于對乘員的保護(hù)。

圖12給出被碰車在4種碰撞工況中的車身側(cè)向加速度。從圖12看出，30°斜角碰撞的車身側(cè)向加速度峰值最大，其次為40%偏置碰撞。因此在斜角碰撞中，駕駛員承受了一個(gè)更大的側(cè)向加速度。它使假人在30°斜角碰撞中，朝左側(cè)偏移量最大，造成頭部與安全氣囊的接觸位置明顯偏向左側(cè)。

圖13給出對比最明顯時(shí)刻即仿真碰撞108ms時(shí)刻的乘員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。從圖中可以明顯看出，30°斜角碰撞中乘員朝左側(cè)車門運(yùn)動(dòng)趨勢最大，頭部處于安全氣囊的最左側(cè)且與左車門碰撞，而頸部的彎曲最嚴(yán)重。

圖14為4種碰撞工況中被碰車假人的頸部損傷指標(biāo)對比，是以100%正面碰撞的頸部損傷參數(shù)為基準(zhǔn)的相對比值。從圖14中可知，除頸部彎矩外，30°斜角碰撞中假人的頸部張力、剪切力和頸部綜合評價(jià)指標(biāo)NIJ均為最大，其中頸部剪切力與25%偏置碰撞和40%偏置碰撞相近。3種碰撞工況的頸部剪切力均大于100%正面碰撞，其原因是在這3種碰撞工況中，撞擊位置導(dǎo)致車身轉(zhuǎn)動(dòng)，頭部因慣性作用朝左側(cè)車門偏轉(zhuǎn)，而軀干受到車門的阻擋，造成頭部與軀干相對運(yùn)動(dòng)位移增大。100%正面碰撞的頸部損傷指標(biāo)最小，說明安全氣囊能夠在100%正面碰撞中對乘員頸部提供較好的保護(hù)。被碰車假人頸部在30°斜角碰撞中的損傷風(fēng)險(xiǎn)最大。

2.2 碰撞車假人損傷情況

圖15為將100%正面碰撞仿真的碰撞車假人損傷參數(shù)作為基礎(chǔ)數(shù)值，其它碰撞工況的假人損傷參數(shù)與之相比所得的碰撞車假人損傷參數(shù)對比。

從圖15可知，在100%正面碰撞中，假人的頭部、胸部以及左大腿損傷情況與40%偏置碰撞接近，其中頭部和胸部的損傷均比其余兩種偏置碰撞工況更嚴(yán)重。30°斜角碰撞的假人頭部、胸部和右大腿的損傷與25%偏置碰撞比較接近，均比100%正面碰撞小。其中，頭部和胸部的損傷值最小，但左大腿的損傷值則最大；而25%偏置碰撞工況下，假人的各項(xiàng)損傷值均較小。

圖16給出4種碰撞工況的碰撞車車身縱向加速度，從圖中看出，40%偏置碰撞的車身縱向加速度最大，其次為100%正面碰撞，25%偏置碰撞和30°斜角碰撞的車身縱向加速度峰值接近。這反映在乘員損傷參數(shù)上，表現(xiàn)出上述頭部和胸部的假人損傷規(guī)律。

碰撞車在30°斜角碰撞中的工況類似于柱碰撞，但與柱碰撞不同的是，與之相撞的物體即被碰車前部的剛度比柱體小，可以變形吸收更多能量，且被碰車能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，減小了碰撞強(qiáng)度，因此碰撞車車身縱向加速度降低。而由于撞擊位置導(dǎo)致碰撞車儀表板的侵入，所以30°斜角碰撞的假人下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)較其余碰撞工況要增大。

圖15顯示，與被碰車情況類似，碰撞車25%偏置碰撞的乘員損傷小于40%偏置碰撞。圖16顯示由于碰撞車25%偏置碰撞的縱向加速度略微比30°斜角碰撞大，所以乘員的頭部和胸部損傷較30°斜角碰撞大。

為更詳細(xì)分析假人在4種碰撞工況中的下肢損傷趨勢，取每種碰撞工況中左右大腿力峰值的較大值進(jìn)行比較。圖17為將100%正面碰撞中碰撞車假人左右大腿力峰值的較大值作為基礎(chǔ)數(shù)值，其余3種碰撞工況中的較大值與之相比，得到的碰撞車大腿力對比圖。結(jié)合圖8被碰車大腿力對比圖可見，碰撞車在4種碰撞工況中的下肢損傷趨勢與被碰車一致，30°斜角碰撞仍是下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)最高的碰撞模式。與被碰車情況不同的是，相比其他碰撞工況，25%偏置碰撞的下肢保護(hù)效果更好。

圖18為仿真碰撞120ms時(shí)刻碰撞車乘員的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。從圖中可知，30°斜角碰撞的乘員朝右側(cè)偏轉(zhuǎn)，40%偏置碰撞和25%偏置碰撞的乘員朝左側(cè)偏轉(zhuǎn)，100%正面碰撞的乘員無明顯偏轉(zhuǎn)。在30°斜角碰撞中，乘員頭部與安全氣囊充分接觸，安全氣囊的保護(hù)效果較好。

3 結(jié)論

建立豐田Yaris在100%正面碰撞、40%偏置碰撞、25%偏置碰撞和30°斜角碰撞工況下的車與車碰撞模型和乘員約束系統(tǒng)模型，進(jìn)行了乘員約束系統(tǒng)模型的驗(yàn)證，并分別進(jìn)行4種碰撞工況下被碰車和碰撞車的駕駛員位置假人損傷情況的仿真，重點(diǎn)分析了車與車在30°斜角碰撞和25%偏置碰撞中的假人損傷特點(diǎn)，得到如下結(jié)論。

(1) 30°斜角碰撞時(shí)，被碰車處于一種非常危險(xiǎn)的狀態(tài)，更容易導(dǎo)致駕駛員的致命傷害,表現(xiàn)在頭部HIC36比另外3種碰撞工況數(shù)值大很多。

(2) 在30°斜角碰撞中，駕駛員的下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)最大，說明斜角碰撞相比其余3種碰撞模式，更容易引起駕駛員的下肢損傷。

(3) 該車型在小重疊碰撞中對乘員的保護(hù)效果較好，乘員的頭胸部和下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)都較低。

(4) 被碰車在30°斜角碰撞中容易產(chǎn)生較大的乘員頸部損傷風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 張金換.汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

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A Study on Driver Injury in Oblique and Small OverlapCrashes Under Car to Car Collision

Cao Libo1, Zhang Ping1, Yan Lingbo1,2, Zhang Kai1, Xie Fei2& Yue Zhongyao2

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082; 2.StateKeyLaboratoryofVehicleNoise-Vibration-HarshnessandSafetyTechnology,Chongqing400039

For exploring the injury risk of driver in oblique crash and small overlap crash, a vehicle model for Toyota Yaris validated is used to develop car to car head-on collision models for four different conditions (full frontal crash, offset crashes with 40% and 25% overlaps and 30° oblique crash) with LS-DYNA and a model for driver restraint system with MADYMO, which is also verified by test. Then the complete colision model is composed and used to conduct a dummy injury simulation on both cars involved in above-mentioned four impact conditions. The results show that the 30° oblique crash is a very risky condition, being prone to cause more severe injury of driver, in particular, on lower extremities, and on neck for the driver of subject car. By and large, driver will sustain the least severe injury in an offset crash with 25% overlap among four impact conditions.

frontal crash; offset crash; oblique crash; small overlap crash; driver injury

*國家863計(jì)劃(2012AA111802)和博士后基金項(xiàng)目(2014M552313)資助。

原稿收到日期為2014年7月10日，修改稿收到日期為2014年8月26日。