城市公交車內(nèi)兒童乘員頭部損傷的有限元分析*

崔世海，馬偉盛，李海巖，賀麗娟，呂文樂(lè)

（1. 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2. 現(xiàn)代汽車安全技術(shù)天津國(guó)際聯(lián)合研究中心，天津 300222）

前言

兒童除乘坐私家車出行外，公交車仍是國(guó)內(nèi)兒童乘客出行的主要選擇。而城市公交車由于其內(nèi)部座椅尺寸和空間布局等都是按照成年人尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，故對(duì)兒童乘客的安全約束會(huì)大大減弱，且兒童由于其自身的行為特點(diǎn)，在不同座位或區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)不同的姿態(tài)，因此公交車內(nèi)的兒童乘員安全是值得關(guān)注的問(wèn)題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)公交車內(nèi)乘員，尤其是成人的損傷進(jìn)行了相關(guān)研究。何超［1］基于多剛體假人模型，對(duì)公交車不同位置坐姿乘員的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析與評(píng)估。徐烔［2］采用多剛體與有限元結(jié)合的方法，對(duì)公交車碰撞事故進(jìn)行再現(xiàn)仿真，分析導(dǎo)致車內(nèi)乘員損傷的原因。程梓豪［3］構(gòu)建了某款混合動(dòng)力公交車有限元模型，并通過(guò)正面碰撞仿真試驗(yàn)，對(duì)車身變形和駕駛員生存空間進(jìn)行分析。Stanisawek等［4］為減輕公交車中正面碰撞對(duì)乘員的損傷，建立了一種簡(jiǎn)單的緩沖座椅模型。Palacio等［5］使用MADYMO軟件中多剛體人體模型對(duì)公交車中站立乘客進(jìn)行碰撞損傷研究。Olivares等［6］分析了美國(guó)國(guó)家高速公路交通安全管理局（NHTSA）年度交通安全事實(shí)報(bào)告和美國(guó)國(guó)家汽車通用采樣評(píng)估系統(tǒng)（GES）的客車事故數(shù)據(jù)，指出公交車碰撞導(dǎo)致乘員傷亡事故主要是由正面碰撞和側(cè)面碰撞引起的。目前公交車中乘員損傷研究大多采用多剛體假人和HybridⅢ假人有限元模型，關(guān)于公交車內(nèi)兒童乘員的損傷研究較少。He等［7］使用多剛體兒童乘員模型研究了兒童乘坐公交車時(shí)的碰撞損傷，并基于損傷方式和程度對(duì)車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。該研究中兒童假人模型的生物仿真度不夠高，無(wú)法細(xì)致研究?jī)和娘B腦損傷。在中國(guó)典型混合交通狀況下，雖然公交車行駛速度不高，但頻繁的制動(dòng)和發(fā)生碰撞事故時(shí)，是否會(huì)導(dǎo)致兒童顱腦損傷是值得研究的問(wèn)題。本文中使用HYPERMESH建立一款城市公交車整車有限元模型，研究公交車在緊急制動(dòng)和正面碰撞兩種情況下兒童乘員在車內(nèi)典型位置頭部的碰撞損傷，為城市公交車兒童乘員損傷研究和防護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1 公交車整車有限元模型構(gòu)建

1.1 整車有限元模型的構(gòu)建

使用CATIA軟件對(duì)某款公交車骨架總成和車內(nèi)乘客座椅、投幣箱、扶手等車內(nèi)部件進(jìn)行幾何建模后，完成后導(dǎo)入HYPERMESH中進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分，并繪制地板、蒙皮、玻璃等部件有限元模型，車內(nèi)部件均參考實(shí)車車廂內(nèi)相應(yīng)部件位置進(jìn)行放置。完成后進(jìn)行模型各部分的連接，發(fā)動(dòng)機(jī)和前后車橋等質(zhì)量較大部件在相應(yīng)質(zhì)心位置簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)，隨后進(jìn)行模型穿透和單元質(zhì)量檢查。最終的整車有限元模型共有823 120個(gè)單元，總質(zhì)量9.01 t，整車有限元網(wǎng)格模型和內(nèi)飾布置如圖1所示。

圖1 公交車整車有限元模型及內(nèi)飾布置

1.2 整車模型可靠性驗(yàn)證

在進(jìn)行仿真試驗(yàn)前，須事先驗(yàn)證模型可靠性［8］。利用建立的整車模型構(gòu)建公交車與剛性墻的碰撞模型，在LS-DYNA 中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，碰撞初速度設(shè)為30 km/h。仿真結(jié)果表明，碰撞前后模型總能量增長(zhǎng)2.31%，沙漏能和滑移能在總能量中的占比分別為1.74%和0.87%，均控制在5%以內(nèi)，所建的整車有限元模型滿足可靠性要求。

2 仿真試驗(yàn)設(shè)置

2.1 6歲兒童混合有限元模型的構(gòu)建

多剛體假人模型和假人有限元模型在仿真計(jì)算中具有計(jì)算時(shí)間快、計(jì)算效率高等特點(diǎn)，在碰撞仿真中有很高的使用率，但它不具備詳盡的人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，其生物仿真度不高。近年來(lái)國(guó)內(nèi)很多高校和研究機(jī)構(gòu)致力于開(kāi)發(fā)具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的兒童整人有限元模型，生物仿真度得到了很大提高，但它計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)算效率低。針對(duì)公交車內(nèi)兒童乘員頭部的碰撞損傷，考慮到模型的計(jì)算效率，本文中構(gòu)建了6歲兒童混合有限元模型。其頭部采用天津科技大學(xué)構(gòu)建的經(jīng)過(guò)有效性驗(yàn)證的具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的6歲兒童頭部有限元模型［9］，該模型基于真實(shí)兒童頭部CT掃描數(shù)據(jù)，包括腦顱骨和面頰骨等硬組織胼胝體、大腦鐮等軟組織，如實(shí)反映了兒童頭部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)、幾何尺寸的變化特征，形態(tài)學(xué)上逼近真實(shí)兒童頭部。混合有限元模型的身體采用LSTC官網(wǎng)的6歲兒童簡(jiǎn)易有限元假人模型的身體，在摘去其頭部后，以其原模型頭部質(zhì)心位置為基準(zhǔn)，將其與上述頭部有限元模型相連，構(gòu)成混合有限元模型，如圖2 所示。模型共有251 072個(gè)單元，260 592 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中頭部模型共有113 474個(gè)單元，103 716個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 6歲兒童混合有限元模型組合示意圖

2.2 公交車內(nèi)兒童乘員乘坐典型位置的選取

根據(jù)公交車內(nèi)乘客座椅周圍環(huán)境的不同，選取了兒童乘員常坐的4個(gè)典型位置，如圖3所示。其中位置1的前約束為扶手，位置2的前約束為扶手和客車前輪包，位置3和位置4前約束為高度不同的前面座椅背。此外考慮兒童乘員自身姿態(tài)的隨意性，在位置3 和位置4 兩個(gè)常規(guī)位置設(shè)置正坐和側(cè)坐兩種坐姿。

圖3 車內(nèi)兒童乘員典型位置的選取

2.3 公交車緊急制動(dòng)和碰撞時(shí)的仿真試驗(yàn)設(shè)置

由于公交車在城區(qū)內(nèi)的行駛速度一般不超過(guò)50 km/h，尤其在早晚高峰運(yùn)行時(shí)道路車流較大的路況，其行駛速度較低，故將公交車行駛的初速度設(shè)定為30 km/h。由于我國(guó)城市交通工況是行人、非機(jī)動(dòng)車和機(jī)動(dòng)車同時(shí)行駛的混合交通工況，公交車在行駛過(guò)程中經(jīng)常需要緊急制動(dòng)，且復(fù)雜的道路情況也會(huì)增加公交車與其它車輛發(fā)生碰撞的隱患，故選取緊急制動(dòng)和正面碰撞兩種工況，采用LS-DYNA 軟件進(jìn)行仿真，以分析兩種工況下公交車內(nèi)兒童乘員的碰撞損傷。緊急制動(dòng)工況仿真所需的減速度曲線采用CARSIM 軟件仿真獲取，利用軟件中自帶的客車模型，對(duì)其在道路上正常行駛遇突發(fā)情況緊急制動(dòng)至速度為0的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真試驗(yàn)，獲取了緊急制動(dòng)工況下的制動(dòng)減速度曲線，如圖4（a）所示；正面碰撞工況仿真所需的減速度曲線由第1.2 節(jié)中公交車有限元模型可靠性驗(yàn)證的正面碰撞仿真試驗(yàn)獲得，如圖4（b）所示。仿真試驗(yàn)組的具體設(shè)置如表1所示。

圖4 緊急制動(dòng)和正面剛性墻碰撞時(shí)的減速度曲線

表1 公交車內(nèi)兒童乘員損傷仿真試驗(yàn)組設(shè)置

3 結(jié)果分析

3.1 不同乘坐位置時(shí)兒童運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

各試驗(yàn)組兒童假人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖5 所示。由圖可見(jiàn)，試驗(yàn)組中兒童假人均在慣性作用下，脫離座椅向前運(yùn)動(dòng)，其中位置1 兒童假人在因慣性向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中胸部與扶手相接觸，頭部未與車內(nèi)結(jié)構(gòu)碰撞；位置2 兒童假人受到公交車前輪包與扶手的共同約束下，頭部探出，與前輪包相撞；位置3和位置4的兒童假人頭部則均與前排座椅背相撞。且與緊急制動(dòng)工況相比，正面碰撞工況下的減速度更大，使兒童假人在慣性作用下迅速撞向車內(nèi)結(jié)構(gòu)。以位置3為例，A3、A4 兩組試驗(yàn)兒童假人頭部分別在275 和300 ms 時(shí)與前排座椅背相撞，而在B3、B4 組試驗(yàn)中兒童頭部在56 與52 ms 時(shí)就已與前排座椅背相撞，且在與公交車內(nèi)部構(gòu)件碰撞后的運(yùn)動(dòng)更為劇烈，其頭部可能受到更加嚴(yán)重的損傷。

圖5 各組試驗(yàn)兒童假人運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程

3.2 不同乘坐位置時(shí)兒童顱腦生物力學(xué)響應(yīng)

圖6 描述了兩種工況下大腦灰質(zhì)處壓力變化情況。李凡［10］指出人體頭部撞擊側(cè)正壓與對(duì)撞側(cè)負(fù)壓的損傷閾值為195.5和-196.8 kPa。Kleiven［11］通過(guò)研究表明，大腦灰質(zhì)處壓力與顱腦損傷有較高相關(guān)性。由圖6 可知，試驗(yàn)組的大腦灰質(zhì)處撞擊側(cè)正壓與對(duì)撞側(cè)負(fù)壓曲線大致呈對(duì)稱分布，除位置1 假人頭部未與車內(nèi)結(jié)構(gòu)相撞外，其余各組試驗(yàn)假人大腦灰質(zhì)處撞擊側(cè)正壓與對(duì)撞側(cè)負(fù)壓極值均出現(xiàn)在頭部與車內(nèi)結(jié)構(gòu)相碰撞時(shí)。其中緊急制動(dòng)工況下的6 組試驗(yàn)假人大腦灰質(zhì)處壓力極值均小于損傷閾值，而正面碰撞工況下除B2組外，其余試驗(yàn)組大腦灰質(zhì)處壓力極值均超過(guò)損傷閾值，兒童乘員將出現(xiàn)明顯的顱腦損傷。

圖6 兩種工況下大腦灰質(zhì)處壓力曲線

圖7 為兩種工況下腦組織Von-Mise 應(yīng)力最大時(shí)刻云圖。Roth 等［12］提出，Von-Mise 應(yīng)力可作為腦組織中度神經(jīng)損傷的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)其超過(guò)11 kPa時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)損傷風(fēng)險(xiǎn)。由圖7 可知，同一位置在正面碰撞工況的Von-Mise應(yīng)力最大值均大于緊急制動(dòng)工況下的對(duì)應(yīng)數(shù)值。在緊急制動(dòng)工況下的6 組試驗(yàn)Von-Mise 應(yīng)力最大值均小于損傷閾值，而正面碰撞工況下B1、B3、B4、B6這4組試驗(yàn)Von-Mise應(yīng)力最大值均超過(guò)11 kPa 的損傷閾值，兒童腦組織將會(huì)出現(xiàn)損傷風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 兩種工況下腦組織Von-Mise應(yīng)力最大時(shí)刻云圖

此外在觀察Von-Mise 應(yīng)力出現(xiàn)最大值的位置，除A4、B4、B6 3組試驗(yàn)的最大值出現(xiàn)在胼胝體處外，其余試驗(yàn)最大值則出現(xiàn)在大腦灰質(zhì)處，且最大值出現(xiàn)在胼胝體處的3 組試驗(yàn)的兒童假人均為側(cè)坐情況，故可以推測(cè)腦組織Von-Mise 應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置也與頭部的碰撞位置有關(guān)。而A6 側(cè)坐組試驗(yàn)最大值未出現(xiàn)在胼胝體處的原因由其仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)過(guò)程可推測(cè)，是由于在兒童假人肩部與前排座椅背接觸后，假人有側(cè)向旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，當(dāng)其頭部與前排座椅背相撞時(shí)，假人顴部下方與座椅背接觸，使接觸位置產(chǎn)生了變化所致。

各組試驗(yàn)兒童假人頭部各項(xiàng)指標(biāo)最大值時(shí)刻的數(shù)值如表2所示。可知在緊急制動(dòng)下6組試驗(yàn)兒童假人的頭部HIC15、大腦灰質(zhì)處撞擊側(cè)正壓與對(duì)撞側(cè)負(fù)壓、腦組織Von-Mise 應(yīng)力和腦組織剪切應(yīng)力均遠(yuǎn)小于相應(yīng)的損傷閾值［10-13］，可知公交車在緊急制動(dòng)工況下，對(duì)兒童乘員的顱腦損傷較小。而在正面碰撞工況下，B1 組試驗(yàn)的頭部HIC15為1 358，超過(guò)了700 的損傷閾值；B1、B3、B4、B5、B6 5 組試驗(yàn)大腦灰質(zhì)處碰撞側(cè)正壓與對(duì)撞側(cè)負(fù)壓超過(guò)了李凡［10］提出的195.5與-196.8 kPa 的損傷閾值；B1、B3、B4、B6 4 組試驗(yàn)的腦組織Von-Mise應(yīng)力超過(guò)了Roth等［12］提出的11.0 kPa損傷閾值；B1、B3、B6 3 組試驗(yàn)的腦組織剪切應(yīng)力均超過(guò)Zhang等［13］提出的7.8 kPa損傷閾值。相比于緊急制動(dòng)工況，正面碰撞工況下的公交車內(nèi)兒童乘員的安全隱患大大增加，兒童乘員將會(huì)受到較明顯的顱腦損傷，且對(duì)比不同位置處兒童乘員頭部損傷指標(biāo)可知，正面碰撞時(shí)位置1處兒童乘員各項(xiàng)損傷數(shù)值均高于其余位置，表明該位置兒童乘員會(huì)受到最大的傷害，兒童乘員乘坐該位置最危險(xiǎn)。

表2 各組試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)最大值時(shí)刻數(shù)值

4 結(jié)論

建立公交車整車有限元模型，對(duì)車內(nèi)典型位置的兒童假人在緊急制動(dòng)和正面碰撞兩種工況下進(jìn)行仿真，并以頭部HIC15、大腦灰質(zhì)處壓力、腦組織Von-Mise應(yīng)力和腦組織剪切應(yīng)力為損傷指標(biāo)分析兒童乘員頭部損傷。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，在緊急制動(dòng)工況下顱腦各項(xiàng)損傷指標(biāo)均遠(yuǎn)小于各項(xiàng)損傷閾值，兒童乘員頭部不會(huì)受到明顯損傷。在正面碰撞工況下，各損傷指標(biāo)數(shù)值均有明顯增長(zhǎng)，兒童乘員將會(huì)受到較明顯的顱腦損傷。故在現(xiàn)階段公交車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，車內(nèi)兒童乘員等特殊群體的乘車安全性不容忽視，也為公交車車內(nèi)結(jié)構(gòu)的改善提供了理論依據(jù)和數(shù)值參考。