不同行駛速度對(duì)校車學(xué)生乘員損傷影響

方真群

(廈門金龍汽車座椅有限公司，福建廈門 361024)

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不同行駛速度對(duì)校車學(xué)生乘員損傷影響

方真群

(廈門金龍汽車座椅有限公司，福建廈門 361024)

摘要：采用有限元分析軟件LS-DYNA3D建立某款校車座椅乘員約束系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB24406-2012，對(duì)該模型分別加載4種減速度波形，對(duì)比分析不同行駛速度下乘員頭部HIC值、胸部3 ms加速度值和腿部軸向壓力值。結(jié)果表明：學(xué)生乘員頭部損傷隨校車行駛速度的增大而明顯增大；當(dāng)行駛速度小于48 km/h時(shí)，學(xué)生乘員胸部損傷隨行駛速度的增大而緩慢增大，當(dāng)行駛速度大于48 km/h時(shí)，行駛速度對(duì)學(xué)生乘員胸部損傷影響較為顯著。

關(guān)鍵詞：校車座椅；行駛速度；約束系統(tǒng)；學(xué)生乘員；損傷

0引言

近年來，校車安全事故在全國(guó)各地頻有發(fā)生，交通事故已經(jīng)成為學(xué)生傷亡的主要原因之一。為提高校車安全性能，保證學(xué)生的乘車安全，國(guó)務(wù)院于2012年4月首次頒布并實(shí)行《校車安全管理?xiàng)l例》，并于同年5月份發(fā)布了《專用校車安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)我國(guó)校車的設(shè)計(jì)制造、使用管理和安全性進(jìn)行了規(guī)范[1]。2015年7月，東莞發(fā)布了校車管理新規(guī)《東莞市校車安全管理辦法(送審稿)》，該辦法規(guī)定：載有學(xué)生的校車在高速公路上行駛的最高時(shí)速不得超過80 km/h，在其他道路上行駛的最高時(shí)速不得超過60 km/h[2]。根據(jù)GB24406-2012[3]中的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法，應(yīng)對(duì)校車座椅進(jìn)行行駛速度為30～32 km/h的模擬臺(tái)車試驗(yàn)，從而確保乘員在校車行駛速度小于30 km/h時(shí)可以受到充分的保護(hù)。但當(dāng)校車在30～50 km/h的車速下發(fā)生碰撞時(shí)，校車的約束系統(tǒng)對(duì)乘員的保護(hù)是未知的，因此文中建立現(xiàn)有某款校車座椅的有限元仿真模型，研究該校車在不同行駛速度下的乘員損傷情況。

1乘員約束系統(tǒng)模型的建立

將座椅三維模型導(dǎo)入HyperWorks軟件中進(jìn)行幾何清理、劃分網(wǎng)格等前處理[4]，對(duì)座椅骨架部分多采用shell單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)靠背、座墊等泡沫件采用實(shí)體單元，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，刪去了影響較小的后排靠背和前排坐墊組件。

此校車模型是針對(duì)中學(xué)生的，依據(jù)國(guó)標(biāo)GB24406-2012，選用HybirdIII 第5百分位的女性假人模型來模擬中學(xué)生，主要部件有頭部、頸部、胸部、腹部、臀部和四肢等，假人各部分質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都符合試驗(yàn)用假人，人體各部分的關(guān)節(jié)用球形鉸鏈和旋轉(zhuǎn)鉸鏈單元定義，并用非線性的扭矩彈簧和阻尼單元連接,來模擬人體各部分之間的彈性變化，胸部和頸部這些關(guān)鍵部位都設(shè)置成柔性，能模擬碰撞過程中人體關(guān)鍵部位的損傷情況[5]。

安全帶在乘員碰撞過程中起著非常重要的作用。在此模型中，將安全帶分為兩部分建模，與人體接觸部分用2D薄殼單元，模擬安全帶在人體身上的滑動(dòng)；未與人體接觸部分采用1Dseatbelt單元，模擬安全帶在碰撞過程中的松弛度。建立好的乘員約束系統(tǒng)模型如圖1所示[6]。然后對(duì)該模型施加不同行駛速度的波形，分析乘員在不同行駛速度下的損傷情況。

圖1　校車乘員約束系統(tǒng)模型

2仿真結(jié)果分析

通過仿真計(jì)算，得出假人各部位損傷的一系列曲線，參考國(guó)標(biāo)GB24406-2012，對(duì)假人的頭部合成加速度、胸部合成加速度和腿部軸向壓力曲線分別進(jìn)行不同頻率的濾波，曲線對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2　乘員損傷曲線

根據(jù)碰撞結(jié)果，當(dāng)假人的腳部與擋板開始接觸時(shí)，擋板對(duì)人的作用力從腳部傳遞到腿部，此時(shí)大腿的軸向壓力產(chǎn)生了一個(gè)峰值；然后由于假人腳部受到擋板的限制，假人臀部逐漸不再向前移動(dòng)，而假人的上半身繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，在行駛速度為32 km/h時(shí)，假人胸部加速度在頭部碰撞到座椅之前達(dá)到峰值，然后頭部在撞擊座椅時(shí)產(chǎn)生最大加速度[1]；在行駛速度為40～55 km/h時(shí)，假人頭部和胸部的加速度最大值均在頭部撞擊靠背的過程中產(chǎn)生，且頭部加速度先于胸部加速度達(dá)到峰值。

將仿真所得曲線根據(jù)GB24406-2012中要求進(jìn)行處理，并計(jì)算出假人在不同行駛速度下的頭部、胸部和腿部的損傷值，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1　不同速度情況下的乘員損傷指標(biāo)對(duì)比

對(duì)比不同行駛速度下的乘員損傷情況可知:假人的頭部損傷情況會(huì)隨著行駛速度的增加而有明顯增大的趨勢(shì)；胸部3 ms加速度的最大值在行駛速度為32～48 km/h時(shí)，呈平緩變化的趨勢(shì)，當(dāng)行駛速度大于48 km/h時(shí)，假人的胸部3 ms加速度值會(huì)出現(xiàn)劇烈增加的現(xiàn)象；在行駛速度為32～55 km/h時(shí)，碰撞過程中的能量主要發(fā)生在頭部碰撞前排座椅的階段，因此假人的腿部損傷基本保持不變。

3結(jié)論

通過研究某款校車座椅在不同行駛速度下的乘員損傷情況可知：

(1)校車在低速碰撞時(shí)，行駛速度對(duì)乘員的頭部損傷影響較小，而對(duì)乘員的胸部和腿部損傷影響較大；

(2)當(dāng)校車的行駛速度大于48 km/h時(shí)，對(duì)中學(xué)生乘員的頭部和胸部會(huì)造成嚴(yán)重的損傷，而乘員的腿部損傷相對(duì)較小；

(3)在校車常用的行駛速度下，將校車的速度控制在30～50 km/h時(shí)，發(fā)生交通事故對(duì)中學(xué)生乘員的損傷最小。

參考文獻(xiàn):

【1】呂娜,譚衛(wèi)鋒,王亭,等.校車座椅乘員約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報(bào),2015(3):20-24.

【2】東莞市教育局.東莞市校車安全管理辦法(送審稿)[M].

【3】全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB24406-2012專用校車學(xué)生座椅系統(tǒng)及其車輛固定件的強(qiáng)度[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

【4】胡遠(yuǎn)志,曾必強(qiáng),謝書港.基于LS-DYNA和Hyperworks的汽車安全仿真與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社,2011:18-46.

【5】韓雙慶,王成龍.商務(wù)車正面碰撞有限元分析[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2006(16):144-147.

【6】葉松奎,吳長(zhǎng)風(fēng),黃登封.校車座椅動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)乘員損傷研究與優(yōu)化[J].客車技術(shù)與研究,2014(5):17-20.

Effects of Different Driving Speed on Injury to Student Occupant in School Bus

FANG Zhenqun

(Xiamen Golden Dragon Auto Seat Co., Ltd., Xiamen Fujian 361024,China)

Abstract:Using finite element analysis software LS-DYNA 3D, the simulation model of a school bus seat occupant restraint system was built. According to the regulation of GB24406-2012, the model was loaded with four acceleration pluses respectively, so as to compare the head injury criterion (HIC), thorax 3 ms acceleration and femur force under different driving speeds. The results show that: the student occupant’s HIC raises seriously along with the increase of driving speed; when driving speed is less than 48 km/h, the student occupant’s chest injury grows lightly with it; while when it is more than 48 km/h, the driving speed has a severely impact on the chest injury of student occupant.

Keywords:School bus seat; Driving speed; Restraint system; Student occupant; Injury

收稿日期：2015-07-30

作者簡(jiǎn)介：方真群(1966—)，男，工程師，主要從事汽車座椅設(shè)計(jì)制造。E-mail：richardfang@autoseat.com.cn。

中圖分類號(hào):U270.38

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)01-026-02