中低速碰安全帶點(diǎn)火對(duì)駕駛員胸部損傷的影響分析

郝毅，楊帥，韓菲菲，任鵬飛，何寧，方銳

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

引言

近幾年，隨著國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠帧Ｈ欢囋诮o人們帶來(lái)便利的同時(shí)，其交通事故也給人們帶來(lái)了身體和精神上的痛苦以及財(cái)產(chǎn)上的損失，道路交通事故已成為當(dāng)今世界主要的公共交通問(wèn)題。為此，各個(gè)國(guó)家制定了相關(guān)的法律法規(guī)，敦促汽車生產(chǎn)企業(yè)提高汽車安全性能，減少碰撞事故中車輛和人員的損傷[1]。在借鑒歐洲和日本等NCAP的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)道路交通安全情況，2006年中國(guó)汽車技術(shù)研究中心制定了符合中國(guó)自己的新車評(píng)價(jià)規(guī)程，即C-NCAP。隨著汽車安全技術(shù)的不斷進(jìn)步以及人們對(duì)汽車安全意識(shí)的不斷提升，C-NCAP也在不斷完善，目前我國(guó)實(shí)施的2015版的C-NCAP，對(duì)汽車的安全性能提出了更嚴(yán)格的挑戰(zhàn)。

目前我國(guó)頒布的碰撞安全相關(guān)法規(guī)主要針對(duì)高速碰撞中的乘員傷害，有關(guān)中低速碰撞中的乘員損傷標(biāo)準(zhǔn)還在研究當(dāng)中。本文針對(duì)某車型正碰過(guò)程中的駕駛員胸部傷害情況，基于THUMS有限元假人搭建了駕駛員DYNA約束系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)其胸部損傷情況進(jìn)行了分析，并研究了該車型中低速碰撞下，安全帶點(diǎn)火對(duì)THUMS人體模型胸部損傷的影響，在此基礎(chǔ)上，用同樣方法分析了多款配有預(yù)緊安全帶車型在中低速下安全帶點(diǎn)火的臨界速度。

1 正面碰撞乘員損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

交通事故中的損傷評(píng)估一般采用簡(jiǎn)明損傷等級(jí) AIS標(biāo)準(zhǔn)，AIS分為8個(gè)等級(jí)來(lái)評(píng)定人體各部位的損傷嚴(yán)重性，AIS等級(jí)越高即數(shù)字越大表示損傷危害越大[2,3]，如表1所示。

表1 AIS損傷分類標(biāo)準(zhǔn)

胸部損傷的評(píng)價(jià)一般通過(guò)包含一個(gè)或者幾個(gè)物理參數(shù)的函數(shù)來(lái)表示，進(jìn)而利用人體損傷力學(xué)來(lái)衡量載荷是否超過(guò)導(dǎo)致某種損傷的極限。乘員胸部損傷常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有胸部3ms合成加速度、胸部壓縮量、胸部粘性指標(biāo)VC以及胸部組合傷害指標(biāo)CTI等，2015版C-NCAP主要應(yīng)用了胸部損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)為胸部的變形量及胸部的粘性指標(biāo)[2,4]。

2 正面碰撞約束系統(tǒng)模型建立

約束系統(tǒng)模型是在整車模型的基礎(chǔ)上建立的，正面碰撞約束系統(tǒng)模型主要包括地板、地毯、擱腳板、踏板、儀表板、A柱、B柱、氣囊、座椅、安全帶、方向盤、轉(zhuǎn)向管柱等主要部件。在碰撞過(guò)程中，通過(guò)各零部件之間的協(xié)同工作，約束乘員運(yùn)動(dòng)，從而減小二次碰撞對(duì)人體的傷害。本小節(jié)對(duì)該SUV車型建立正面碰撞約束系統(tǒng)模型，并根據(jù)試驗(yàn)對(duì)假人各部位傷害值進(jìn)行對(duì)標(biāo)，保證仿真模型的準(zhǔn)確性。

2.1 Hybrid Ⅲ假人約束系統(tǒng)模型搭建

根據(jù)該車型整車正碰試驗(yàn)的邊界條件，采用有限元方法，利用Hybrid III 50th有限元假人及相關(guān)約束系統(tǒng)模塊，建立駕駛員假人約束系統(tǒng)仿真模型分別如圖1、圖2所示。建模所用B柱加速度曲線如圖3所示。

圖1 前排駕駛員假人約束系統(tǒng)仿真模型

圖2 約束系統(tǒng)零部件模塊分解圖

圖3 B柱加速度曲線

2.2 Hybrid Ⅲ假人仿真模型對(duì)標(biāo)分析

為保證仿真假人在碰撞中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及各部位受力情況與試驗(yàn)具有較高的一致性，對(duì)仿真模型進(jìn)行對(duì)標(biāo)。部分對(duì)標(biāo)曲線如圖4所示。

圖4 假人傷害對(duì)標(biāo)曲線圖

2.3 基于THUMS模型的約束系統(tǒng)仿真模型搭建

圖5 Hybrid III假人與THUMS假人駕駛員約束系統(tǒng)模型圖對(duì)比

在對(duì)標(biāo)模型的基礎(chǔ)上，用 THUMS模型替換 Hybrid III假人，并根據(jù)試驗(yàn)中 Hybrid III假人的空間定位參數(shù)對(duì)THUMS假人各部位進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，確保兩假人模型坐姿一致。重新調(diào)整座椅壓痕并更新座墊和靠背泡沫的預(yù)應(yīng)力，重新調(diào)整安全帶初始姿態(tài)，更新THUMS假人與車體和約束系統(tǒng)零部件之間的接觸，完成約束系統(tǒng)模型搭建。Hybrid III假人與THUMS假人駕駛員約束系統(tǒng)模型對(duì)比如圖5所示，假人乘員空間部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 兩假人關(guān)鍵部位乘員空間數(shù)據(jù)對(duì)比

3 THUMS假人傷害分析

通過(guò)胸部肋骨的應(yīng)變和內(nèi)臟組織的應(yīng)力評(píng)價(jià)人體胸部的損傷是從人體損傷生物力學(xué)角度判斷胸部損傷的重要依據(jù)，THUMS假人在碰撞過(guò)程中，胸部區(qū)域傷害如圖6所示。研究表明，當(dāng)肋骨應(yīng)變率超過(guò) 1.7%時(shí)，肋骨可能會(huì)發(fā)生骨折[5-7]。Ruan等人的研究指出，當(dāng)胸部壓力達(dá)到16kPa時(shí)，會(huì)引起肺部損傷；當(dāng)胸部壓力達(dá)到170kPa時(shí)，會(huì)造成心臟損傷；當(dāng)胸部壓力達(dá)到251kPa時(shí)，會(huì)造成肝臟損傷[8-10]。結(jié)合上述胸部損傷研究及THUMS假人碰撞仿真結(jié)果，THUMS胸腔各部位傷害結(jié)果如表3所示。

圖6 THUMS假人胸部傷害情況

表3 THUMS模型胸部損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及傷害

從表3可以看出心臟壓力最大值為724.5KPa，遠(yuǎn)大于心臟壓力受傷限制170KPa，因此心臟有會(huì)受到極大傷害；肺臟壓力最大值為537.6KPa，遠(yuǎn)大于心臟壓力受傷限制16KPa，肺臟會(huì)受到極大傷害；肋骨等效塑性應(yīng)變最大值為 6.49%，左側(cè)有三根肋骨發(fā)生骨折。可見(jiàn)駕駛員的胸部受到了嚴(yán)重的損傷(AIS≥3)。

4 中低速碰下安全帶點(diǎn)火對(duì)假人胸部區(qū)域的影響

汽車低速碰撞試驗(yàn)雖然在國(guó)際上開(kāi)展已有多年，但在中國(guó)無(wú)論是理論還是試驗(yàn)研究方面，已開(kāi)展的工作非常有限。目前點(diǎn)火算法大多數(shù)采用加速度變化量法、加速度峰值法或功率變化率法等，這幾中算法主要考慮車體碰撞強(qiáng)度，但是忽略了低速碰撞時(shí)對(duì)乘員的保護(hù)?？赡茉斐绍囕v低速碰撞時(shí)早點(diǎn)火、晚點(diǎn)火或者誤點(diǎn)火等情況。安全帶因誤點(diǎn)火預(yù)緊時(shí)，過(guò)大的預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致乘員胸腹部因承受較大的外力而受傷。

在正面碰撞整車結(jié)構(gòu)對(duì)標(biāo)模型的基礎(chǔ)上，分別將碰撞速度設(shè)置為20km/h、25km/h、30km/h、35km/h及40km/h，得到對(duì)應(yīng)速度下的車體加速度波形，并作為約束系統(tǒng)模型在不同碰撞速度下的加載輸入。計(jì)算不同碰撞速度下，安全帶點(diǎn)火與否對(duì)THUMS假人胸部傷害的影響，如表4所示。

表4 不同碰撞速度下安全帶點(diǎn)火與否THUMS假人胸部傷害情況

從表4可以看出，當(dāng)碰撞速度較低，如 30km/h以下時(shí)，相比于安全帶不點(diǎn)火，安全帶點(diǎn)火對(duì)假人胸部會(huì)造成更大的傷害。

表5 不同碰撞速度下安全帶點(diǎn)火與否THUMS假人胸部傷害情況

將碰撞速度區(qū)間25km/h～30km/h繼續(xù)細(xì)化，從表5可以看出，當(dāng)碰撞速度小于 28km/h 時(shí)，安全帶預(yù)緊對(duì) THUMS心臟、肺臟及肋骨的傷害大于不預(yù)緊時(shí)的傷害；當(dāng)碰撞速度達(dá)到 28km/h 時(shí)，安全帶預(yù)緊造成的傷害較小。因此，當(dāng)碰撞速度低于28km/h時(shí)，安全帶不應(yīng)該點(diǎn)火。

用同樣的分析方法，研究了另外幾款配備有預(yù)緊限力式安全帶的，車型在中低速碰撞下，安全帶點(diǎn)火的臨界速度，如表6所示：

表6 不同車型安全帶預(yù)緊臨界速

5 結(jié)論與展望

本文針對(duì)某車型正碰過(guò)程中的駕駛員胸部傷害情況，利用THUMS有限元假人搭建了駕駛員DYNA約束系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)其胸部損傷情況進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，研究了該車型在中低速碰撞下，安全帶點(diǎn)火對(duì)THUMS模型胸部損傷的影響。從中可得出以下結(jié)論：

（1）該車型駕駛員心臟、肺臟及肋骨均受到嚴(yán)重?fù)p傷，胸部損傷AIS≥3。

（2）在中低速碰撞下，安全帶點(diǎn)火對(duì)假人胸部損傷有較大影響。該車型在碰撞速度低于 28km/h時(shí)，安全帶點(diǎn)火對(duì)假人心臟、肺臟及肋骨的損傷大于安全帶不點(diǎn)火，因此碰撞速度低于28km/h時(shí)，該車型安全帶不應(yīng)點(diǎn)火。

（3）用同樣的分析方法，研究了幾款配有預(yù)緊式安全帶的車型，安全帶點(diǎn)火的臨界速度，表明所研究車型安全帶點(diǎn)火的臨界速度范圍為在25～30km/h。

此外，本文只分析了安全帶點(diǎn)火對(duì)假人胸部損傷的影響，還可以進(jìn)一步研究安全帶點(diǎn)火對(duì)腹部損傷的影響，從而可以更好地指導(dǎo)車輛設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高車輛在中低速碰撞中的乘員安全。

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