某車型正面碰撞乘員膝部滑移傷害研究

劉 偉，冉 丹，李 莉，王元博 Liu Wei，Ran Dan，Li Li，Wang Yuanbo

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某車型正面碰撞乘員膝部滑移傷害研究

劉 偉，冉 丹，李 莉，王元博 Liu Wei，Ran Dan，Li Li，Wang Yuanbo

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

針對某車型正碰前排乘員側假人膝部滑移量過高問題，基于有限元法建立正碰約束系統(tǒng)仿真模型，并通過試驗結果對模型進行校正。通過對假人腿部運動及受力情況進行分析，引入“乘員腳部止動塊”結構，降低假人膝部滑移量。分析和試驗結果表明，“腳部止動塊”可以有效降低特定原因引起的膝部滑移量過高問題。

正面碰撞；約束系統(tǒng)分析；假人膝部滑移；腳部止動塊

0 引 言

汽車碰撞安全性能作為當今汽車工程領域的研究熱點，得到了消費者、汽車主機廠、相關政府部門的高度重視。汽車發(fā)生碰撞事故后，不僅給車輛本身造成損壞，更重要的是會造成乘員受傷，甚至死亡。在汽車發(fā)生碰撞事故時，車內人員下肢損傷發(fā)生頻率僅次于頭部[1]。雖然不是導致死亡的主要原因，但由于發(fā)生率高，治療困難，且下肢截肢比例高，會導致永久性致殘，給社會帶來巨大負擔。為了減少在碰撞事故中乘員受到韌帶斷裂、下肢癱瘓等嚴重傷害，各國汽車法規(guī)和新車評價規(guī)程（New Car Assessment Program，NCAP）都設定了評估假人大腿損傷程度的指標[2]。在中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）正面碰撞和正面偏置碰撞工況中，假人大腿傷害評價指標包括大腿壓縮力和膝蓋滑移量，其中膝蓋滑移量主要用來判斷車輛在發(fā)生碰撞事故時對乘員膝蓋部位的保護效果[3]。

某車型C-NCAP正面碰撞試驗工況中，前排乘員側假人左、右膝部滑移量分別為7 mm和11 mm，超出評估體系中該部位高性能6 mm限值；左、右腿的大腿力峰值分別為5.1 kN和4.1 kN，造成失分。此問題不僅影響該車型在C-NCAP評價規(guī)程中的得分，而且增加車型量產后客戶在交通事故中腿部受傷的風險，因此需要找到有效方案將問題解決。在實車試驗中，高速攝像機無法直接記錄試驗過程中假人腿部的運動情況以及腿部與汽車內飾接觸情況，這對查找膝部滑移過大的原因造成困難。隨著CAE建模技術以及高性能并行計算硬件資源的不斷提升，有限元分析法已經成為汽車碰撞安全性能開發(fā)過程中一個不可或缺的工具，尤其在試驗問題查找和觖決方案初步驗證方面，采用有限元法可以節(jié)省大量時間、成本。

針對試驗中出現的問題，基于有限元法建立正面碰撞約束系統(tǒng)分析模型，并使用LS-DYNA求解器進行求解。對假人腿部運動及受力情況進行分析，結合50百分位混合Ⅲ型假人膝部結構特點，找出膝部滑移過高的原因，并引入腳部止動塊設計方案，不僅有效解決試驗中假人膝部滑移過高的問題，同時為解決汽車正面碰撞中假人腿部傷害問題提供了新的思路。

1 有限元模型建立與對標

1.1 建立約束系統(tǒng)有限元模型

乘員約束系統(tǒng)主要由安全帶、安全氣囊、儀表板、座椅、轉向系統(tǒng)等組成，其中安全帶和安全氣囊的主要作用是約束車內乘員的運動，使人體避免與駕駛室內飾件發(fā)生二次碰撞；優(yōu)化座椅、吸能式轉向管柱、儀表板、內飾組件等的目的是當人體各部位與之發(fā)生二次碰撞時，能夠最大限度降低人體所受到的傷害。

使用Hypermesh前處理軟件建立約束系統(tǒng)有限元模型，如圖1所示。為減少模型計算時間，車身截取前排乘員所在的A柱至B柱之間的部分，并在乘員腳部與地板接觸區(qū)域建立地毯模型，同時為模擬乘員側氣囊真實展開狀態(tài)，建立前風擋模型，并簡化車頂區(qū)域。

圖1 約束系統(tǒng)有限元模型

前排座椅采用細化單元建立骨架、座墊，使用預壓緊方法下壓座墊泡沫至與假人貼合，以確保假人的運動姿態(tài)與試驗一致。座墊泡沫材料使用LS-DYNA中的*MAT_LOW_DENSITY_ FOAM材料模型。為防止計算過程中泡沫體單元出現負體積，在座墊單元表層包裹空殼單元。安全帶采用1D SEATBELT單元與2D殼單元相結和的方式，與假人接觸的部分使用2D殼單元，其余部分使用1D SEATBELT單元。安全氣囊選用LS-DYNA氣囊模型中的WANG_NEFSKE類型，使用膜單元建立，氣體發(fā)生器參數根據試驗參數設定，點火時間為16 ms。

假人模型使用LSTC公司“Hybrid Ⅲ 50th Percentile Male”，將假人按照試驗位置進行擺放。假人膝蓋滑移是研究重點，參照試驗物理假人腿部結構對有限元假人進行修正，增加膝部前向滑移限位結構，如圖2所示。

圖2 膝部前向滑移限位結構

根據C-NCAP正面碰撞試驗規(guī)則設置模型邊界條件，車體和假人初始速度為50 km/h，同時為車體加載與碰撞試驗等同的減速度。

1.2 有限元模型對標

為確保所建立有限元模型的準確性以及優(yōu)化結果的可信性，將有限元模型與試驗結果進行對標。對標內容主要包括：（1）前排乘員側假人骨盆加速度；（2）前排乘員側假人安全帶肩帶力與腹帶力；（3）前排乘員側假人左、右膝部位移；（4）前排乘員側假人左、右大腿力。具體見表1。

表1 有限元模型調整內容與試驗對標項目

對比有限元分析結果與實車碰撞試驗結果，對有限元模型進行細化。調整安全帶與假人胸部、腹部的相對位置，使其與試驗狀態(tài)一致；調整假人腿部、腳部姿態(tài)，使其與試驗狀態(tài)一致。由于手套箱、儀表板下護板在碰撞過程中與假人膝蓋、小腿發(fā)生接觸，其材料參數直接影響假人腿部傷害。因此，進行手套箱與儀表板下護板材料拉伸試驗，將試驗結果作為有限元模型材料參數，提高模型精度。

通過上述對標工作，得到最終調整后的有限元模型計算結果。如圖3、4所示，對標后假人骨盆向、向加速度曲線與實車碰撞試驗測量數據基本吻合；安全帶肩帶力、腹帶力加載過程、峰值與試驗測量值一致。表明在有限元模型中，假人軀干的運動情況與試驗過程接近。

圖3 骨盆加速度與試驗對比曲線

圖4 安全帶拉力與試驗對比曲線

如圖5、6所示，對標后，前排乘員左膝部滑移曲線與試驗結果相近，右膝部滑移曲線比試驗結果略窄，但峰值與試驗曲線接近。如圖7所示，假人左、右大腿力波形與試驗結果相似，表明假人腿部運動以及與假人腿部接觸區(qū)域的零部件剛度均與實車試驗相當，由此可以確定對標后有限元模型的準確性與可信性。

圖5 乘員假人左膝部滑移與試驗對比曲線

圖6 乘員假人右膝部滑移與試驗對比曲線

圖7 乘員假人左、右大腿力與試驗對比曲線

2 假人膝部滑移失分原因分析

2.1 假人膝部滑移產生的機理及影響因素

2.1.1 假人膝部滑移產生的機理

正面碰撞試驗采用Hybrid Ⅲ 50百分位男性假人。大腿的傷害包括膝蓋滑移量和大腿壓縮力兩項指標，通過位移傳感器和力傳感器測量。當小腿受到外力作用時，大腿相對于小腿產生相對滑動，膝部位移滑塊運動帶動拉線傳感器運動，拉線的拉出長度表征膝蓋位移，拉出越長，假人膝蓋的傷害值越大。

2.1.2 影響假人膝部滑移的因素分析

對假人膝部滑移產生機理分析可知，可能影響假人膝部受力的因素很多，包括：儀表板造型、膝部與儀表板沖擊接觸區(qū)域的剛度、約束系統(tǒng)配置、座椅強度、假人位置與坐姿、車身加速度等，而與假人腿部接觸的區(qū)域主要是儀表板[4]。在正面碰撞試驗中，假人大腿的傷害主要來自于假人膝部撞擊手套箱、小腿撞擊儀表板下護板產生的大腿壓縮力和膝蓋滑移量。碰撞過程中，假人腿部與儀表板的接觸位置直接影響膝蓋的滑移量：若假人膝部先與儀表板接觸，大腿壓縮力一般較高，膝部滑移量較低；若假人小腿先與儀表板接觸，膝蓋滑移量一般會超標[5]。

2.2 某車型正面碰撞假人膝部失分原因分析

為確定某車型正面碰撞假人膝部失分原因，在有限元模型分析結果動畫中觀察前排乘員腿部與儀表板手套箱、下護板的接觸情況。在碰撞過程中，車身做減速運動，假人胸、腹部因受安全帶約束隨車身減速，而假人小腿由于慣性向前運動。由某車型儀表板造型截面可以看出，該車儀表板下護板內布置了空調箱，為適應空調箱尺寸，下護板向外部凸出，且其拐角處沿空調箱形狀產生棱角，如圖8所示。

圖8 某車型儀表板造型特征及布置

由于下護板的凸出設計，當假人腿部與儀表板接觸時，假人膝蓋與小腿幾乎同時與儀表板的手套箱和下護板發(fā)生接觸。此時，假人大腿受到手套箱的撞擊力手阻止假人大腿繼續(xù)向前運動，小腿中間位置受到下護板的撞擊力護以及地板對腳部的支撐力地方向相反，使小腿與大腿之間產生明顯的剪切效果，從而造成膝部滑移過大，如圖9所示。

圖9 原方案假人腿部受力

通過以上分析，可以確定某車型正碰乘員側假人膝部失分的主要原因為假人小腿與下護板撞擊力過大，使小腿與大腿之間產生較大的剪切力矩。因此，解決問題的方法可以分為兩種：

1）減小假人小腿與下護板撞擊強度，從而降低護；

2）改變護的受力位置，降低護對膝部滑移塊的力矩。

3 假人膝部滑移傷害優(yōu)化分析

3.1 腳部止動塊方案設計

根據上文對假人腿部的受力分析，若改變假人小腿受到下護板撞擊力護的位置，將其下移至假人腳部，則小腿與大腿的運動趨勢會由“剪切”變?yōu)椤靶D”，膝部位移滑塊受到的剪切力減小，膝部滑移量會隨之降低。因此，在車身前圍板適當位置增加腳部止動塊，碰撞過程中，當假人腳部向前運動時與腳部止動塊發(fā)生接觸，產生接觸力止。止阻止小腿繼續(xù)向前運動，減小或消除小腿與下護板的撞擊力護。與此同時，止使小腿與大腿之間形成繞膝部轉動的運動，從而降低假人膝部滑移傷害，如圖10所示。

圖10 增加止動塊后假人腿部受力

3.2 腳部止動塊方案驗證

3.2.1 腳部止動塊方案有限元分析驗證

約束系統(tǒng)分析模型增加腳部止動塊后進行計算，對比兩次計算結果中假人腿部的運動情況。如圖11所示，在增加止動塊的模型中，假人腳尖踢到止動塊，使小腿并未與儀表板下護板發(fā)生強烈撞擊，小腿相對大腿繞膝部轉動，并撬動大腿向上運動，減輕大腿與手套箱的撞擊力。

圖11 假人腿部運動對比

增加止動塊后，乘員側假人左腿膝部滑移量減小至0.5 mm，右腿膝部滑移量減小至3.77 mm，均低于C-NCAP評價體系中該部位高性能6 mm限值。另外，由于腳部向前運動受到止動塊限制，假人小腿與大腿之間產生轉動趨勢，撬動大腿向上運動，大腿與手套箱之間的撞擊力隨之降低。因此，增加止動塊后左、右大腿壓縮力分別降至1.56 kN和0.68 kN。

3.2.2 腳部止動塊方案實車試驗驗證

為驗證腳部止動塊方案有效性，在某車型OTS樣車上安裝手工制作的止動塊進行C-NCAP正面碰撞試驗，試驗結果顯示，假人左、右腿膝部滑移量分別為0.84 mm和0.98 mm，左、右大腿壓縮力峰值分別為1.27 kN和2.16 kN，均低于C-NCAP評價體系中該部位高性能限值，乘員側假人大腿得分為滿分。

4 結束語

通過有限元法對某車型正面碰撞中前排乘員側假人膝部滑移失分問題進行分析，找出膝部滑移失分問題原因，并利用腳部止動塊結構改變假人腿部受力來解決問題，最終通過實車試驗驗證方案的有效性。通過研究可以得出：

1）汽車儀表板造型，尤其是手套箱和下護板等部位在碰撞時會直接影響乘員腿部傷害，因此，在造型設計階段，應盡量將下護板作圓滑處理，避免局部凸出和棱角，且膝部距儀表板距離應小于小腿距儀表板距離；

2）因儀表板造型造成乘員膝部滑移傷害較高時，可以嘗試使用腳部止動塊結構減輕小腿與下護板撞擊強度，從而降低膝部滑移傷害。

[1]Dan Pattimore，Edmund Ward，Pete Thomas，et al. The Nature and Cause of Lower Limb Injuries in Car Crashes[C]//Stapp Car Crash Conference，35th，1991，San Diego，California，USA，1991.

[2]Morgan RM，Eppinger R H，Hennessey BC. Ankle Joint Injury Mechanism for Adults in Frontal Automotive Impact[C]//Stapp Car Crash Conference，35th，1991，San Diego，California，USA，1991.

[3]潘如楊，張海洋，盧冬梅，等. 小膝部空間車型駕駛員膝部傷害及優(yōu)化[J]. 汽車工程師，2015（3）：23-26.

[4]楊笠，顧玉龍. 正面偏置碰撞中降低假人膝蓋滑動位移的結構優(yōu)化[J].汽車安全與節(jié)能學報，2014（4）：367-370.

[5]劉珍海. 正面碰撞中假人大腿的傷害[J]. 汽車工程師，2012（10）：39-43.

2017-10-10

U461.91

A

1002-4581（2018）01-0012-05

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.01.004