基于THUMS人體模型的小重疊碰撞分析

崔東，魯爽，祁志楠

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

基于THUMS人體模型的小重疊碰撞分析

崔東，魯爽，祁志楠

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

借助THUMS人體模型，建立了某SUV車型的小重疊碰有限元分析模型。由于車體與壁障重疊率較小，車身結構變形嚴重，該車結構評級為Poor。借助THUMS人體模型評估了駕駛員傷害情況，得出了駕駛員顱腦產生風險的可行性較小，駕駛員肋骨會產生骨折，心臟及肺部會受到嚴重損傷，肝臟會產生輕微損傷的結論。

小重疊碰撞；THUMS人體模型；有限元

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-110-03

前言

美國IIHS于2012年發布了25%小重疊碰撞(以下簡稱為小重疊碰)。小重疊碰主要用于模擬重疊率更低的交通事故[1]。由于車體與剛性壁障重疊率較低，車體的A柱、門檻等關鍵部位的變形更加惡劣，對車身的安全性要求更高，對車身結構的耐撞性提出了更加苛刻的要求。

小重疊碰發生時，車身會有較大的轉動，會導致車內人體頭部無法撞擊到氣囊中部，導致氣囊保護效果變差。文獻2-3，對比評估了小重疊工況下的假人傷害情況，小重疊工況車內乘員易受到更嚴重傷害[2-3]。

目前在正面碰撞分析應用的假人為Hybrid III型假人，Hybrid III假人通過內置的各種傳感器，采集碰撞中的相關傳感器信息，后期通過公式擬合來評估人體的損傷，具有一定的局限性。THUMS模型是在人體解剖學的基礎上，對人體內部結構組織進行模擬的生物力學有限元模型，THUMS人體模型能夠準確評價碰撞中車內乘員各部位的傷害情況[4]。

圖1 25%小重疊碰撞試驗示意圖

本文通建立了某SUV車型的整車有限元模型，用該整車模型及THUMS人體模型進行了小重疊碰撞分析，并依據IIHS重疊法規對車身結構進行了評級，并評估了THUMS人體模型的損傷情況。

1、某SUV有限元模型搭建

本文建立了某SUV的整車有限元模型，并導入THUMS人體模型，建立小重疊碰撞碰撞工況的整車碰撞模型，如圖2所示。其中THUMS人體模型以及主駕安全氣囊模型如圖3、圖4所示。

圖2 整車碰撞有限元模型

圖3 THUMS人體模型

圖4 主駕安全氣囊模型

2、小重疊碰撞仿真分析

2.1 整車結構評級

對SUV車型小重疊工況仿真分析，其左側B柱加速度如圖5所示。加速區峰值較高，達50g。

圖5 左側B柱加速度曲線

其關鍵結構變形如圖6所示。由于車體與壁障重疊率較低，縱梁未變形吸能，導致、A柱、門檻變形嚴重，乘員空間嚴重壓縮。

圖6 關鍵結構變形圖

按照IIHS 小重疊法規，相關位置的車體入侵了如表1所示。該車乘員艙總體入侵較大，結構評級為Poor。

表1 小重疊碰撞侵入量(cm)與評級情況

2.2 乘員傷害評價

由于該車乘員艙變形嚴重，駕駛員受到嚴重擠壓。在100ms時，THUMS人體模型姿態如圖7所示。由于小重疊碰撞車體旋轉較大，頭部未接觸到氣囊中心區域，而是向左滑出，氣囊保護效果欠佳。人體模型胸部受到安全帶的拉緊里，產生嚴重凹陷。

圖7 100ms THUMS人體模型姿態

文獻5指出，顱內壓力大于235kPa，會導致大腦嚴重損傷，顱內壓力介于173-235kPa之間，大腦會發生中等程度傷害，顱內壓力低于173kPa會發生輕微傷害或者無傷害[5]；THUMS人體模型顱腦壓力峰值為105.5kPa，如圖8所示，顱腦產生風險的可行性不大。

圖8 顱腦壓力

THUMS人體模型胸腔傷害如圖8所示。文獻6指出，當肋骨應變率超過1.7%時，肋骨可能會發生骨折[6]；文獻7指出，當胸部壓力達到170kPa時，會造成心臟損傷；當胸部壓力達到16kPa時，會引起肺部損傷；當胸部壓力達到251kPa時，會造成肝臟損傷[7]。結合上述研究與THUMS人體模型仿真結果，THUMS人體模型胸腔各部位傷害結果如表2所示。

通過仿真分析，該車在小重疊碰撞的工況下，駕駛員肋骨會產生骨折，心臟及肺部會受到嚴重損傷，肝臟會產生輕微損傷。

圖8 胸腔傷害

表2 THUMS人體模型胸部損傷評價標準及傷害

3、結論

借助THUMS人體模型建立了某SUV車型小重疊碰撞有限元模型，并進行了小重疊碰仿真分析。由于小重疊碰車體與剛性壁障重疊率較低，車身A柱、門檻變形嚴重，乘員艙入侵嚴重，按照IIHS 小重疊標準，車身結構評價為Poor。小重疊碰由于車體有較大旋轉，駕駛員頭部與安全氣囊接觸姿態較差；由于受到氣囊保護，駕駛員顱腦壓力較小，顱腦產生風險的可行性不大。由于轉向管柱跳動，以及安全帶的作用力，駕駛員肋骨會產生骨折，心臟及肺部會受到嚴重損傷，肝臟會產生輕微損傷。

[1] 王翼, 楊桃. 車輛小重疊探討[J]. 汽車工程師, 2014, 10: 13-15.

[2] 陳可明, 胡麗娟, 胡晏殊. 國內某車型小偏置正面碰撞的全面評估[J]. 汽車安全與節能學報, 2013, 4(1) :27-34.

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[5] Ward C C, Chan M, Nahum A M. Intracranial pressure-A brain injury criterion [J]. 1980, SAE 801304.

[6] 崔家仲,譚宗柒,張建國. 骨的力學特性[J]. 中醫正骨, 2004, 16(6): 16-17.

[7] Ruan J, El-Jawahri R, Chai L, et al. Prediction and analysis of human thoracic impact responses and injuries in cadaver impacts using a full human body finite element model[J]. Stapp car crash journal, 2003, 47: 299-321.

Study on the Small overlap crash Based on the THUMS Human model

Cui Dong, Lu Shuang, Qi Zhinan
( China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300 )

This paper used THUMS human model to establish the small overlap crash finite element model of a SUV. The overlap rate between the vehicle body and the wall was small, the structure of the car body was seriously deformed, the vehicle structure got the Poor rate. The paper used THUMS human model to evaluate driver injury, the feasibility of the driver's brain risk was small, The driver's rib fracture, the heart and lungs will be severely damaged, the liver will produce minor damage.

small overlap crash; THUMS human model; finite element

U467.3

A

1671-7988 (2017)08-110-03

崔東，男，工程師，就職于中國汽車技術研究中心汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.037