基于乘員傷害保護的車輛翻滾試驗仿真研究

喬維高 湯超群

（武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件新技術湖北省重點試驗室 武漢 430070）

0 引 言

汽車翻滾是交通事故中一種非常危險的事故形式.汽車事故統(tǒng)計表明，汽車翻滾事故僅占所有車輛事故的2.4%；但車輛翻滾造成的死亡人數(shù)在澳大利亞、歐洲、美國所有交通事故死亡人數(shù)中所占比例分別為27%，20%，33%.每年因汽車翻滾事故造成的各方面經(jīng)濟損失達到了500 億美元［1］.由于翻滾事故中車頂、車門變形嚴重，乘員生存空間小，乘員頭頸受到嚴重擠壓，乘員甚至被甩出車外，導致汽車翻滾事故死傷率很高.然而，目前各國還缺少評定汽車翻滾安全性方面的強制性法規(guī).涉及評價汽車翻滾安全性的法規(guī)，全球只有美國的208號聯(lián)邦機動車安全標準（FMVSS）.能實現(xiàn)重復翻滾的翻滾碰撞試驗，現(xiàn)在只有控制翻滾碰撞系統(tǒng)（CRIS）、喬丹翻滾系統(tǒng)（JRS）和動態(tài)翻滾試驗系統(tǒng)（DRoTS）［2］.現(xiàn)在對汽車翻滾碰撞的研究主要集中在計算機仿真上.利用計算機仿真分析翻滾事故中汽車和乘員的動態(tài)特性尋求有效的乘員保護措施，所建立的仿真模型有剛體模型和變形體有限元模型兩大類.MADYMO 軟件可以將建立的三維剛體模型、假人模型和乘員約束系統(tǒng)結合起來仿真分析研究翻滾碰撞中乘員的傷害保護.由此可見，研究翻滾事故中汽車和乘員的動態(tài)特性、分析乘員的受傷機理，對尋求有效乘員保護措施和相關法規(guī)的建立有重要的意義.

1 整車翻滾乘員傷害保護分析

翻滾事故中，乘員傷害一直是研究重點.研究表明，翻滾事故中，乘員的頭部、頸部、胸部是最容易受傷的部位.頭部傷害中腦損傷發(fā)生頻率比頭骨的骨折發(fā)生頻率更高，而頸部傷害中頸骨骨折較為常見［3］.表1顯示了乘員頭部、肩部、頸部和腹部最常見的損傷形式.

表1 翻滾碰撞中乘員常見損傷形式

車輛翻滾碰撞中乘員有效的保護措施有安全氣簾、安全帶和車頂緩沖材料.安全氣簾在車輛翻滾中能緩沖乘員與車輛內(nèi)飾的沖擊，起到保護乘員的作用.安全帶在碰撞中對乘員能起到明顯的保護作用.Moffat用試驗設計的方法對不同安全帶的性能參數(shù)，以及安裝位置下的乘員位移差別進行了分析，發(fā)現(xiàn)肩帶與腰帶的不同角度對乘員約束效果有顯著差異.Newberry應用MADYMO驗證了預拉緊式安全帶在車輛翻滾中對乘員也有較好的約束效果.車頂緩沖材料能夠緩解乘員頭部撞擊車頂?shù)乃俣龋鸬奖Ｗo乘員頭部和頸部的效果.Hu等通過有限元模型分析不同車頂材料的摩擦系數(shù)對乘員頸部傷害的影響，得出小的車頂材料摩擦系數(shù)有利于對頸部的保護［4］.

2 整車翻滾試驗模型建立

2.1 整車模型的建立

基于剛體運動學理論建立的整車仿真模型由橢球多剛體構成.模型包括汽車懸架，側(cè)圍、頂蓋、機罩、儀表板和主副駕駛座椅.這些汽車結構均起源于車輛質(zhì)心，設定質(zhì)心的運動便可以定義整車的翻滾運動.車輛的前懸采用雙橫臂結構，包括上橫臂、轉(zhuǎn)向桿、車輪和下橫臂.下橫臂通過點約束與車輛質(zhì)心相連形成閉環(huán)鏈.汽車后懸包括后軸和車輪，代表一個簡化的驅(qū)動橋.

除了車輪和儀表板用圓柱體描述以外，座椅、汽車側(cè)圍和頂部結構都是用橢球體描述.將車輛質(zhì)心定義為自由鉸（JOINT.FREE），主副駕駛座椅相對于質(zhì)心為固鉸接（JOINT.BRAC）.由于模擬整車翻滾過程不需要考慮懸架的運動，因此懸架中所定義的轉(zhuǎn)動鉸（JOINT.REVO）均被鎖死.

2.2 假人模型建立

SAE J2114臺車試驗曾經(jīng)是FMVSS 208法規(guī)中的一部分，試驗所用的假人是Hybird Ⅲ型假人.為此，仿真所用的假人模型正是從MADYMO 假人庫中直接提取出來的HybridⅢ男性50百分位假人.需要利用INIALJOINT＿POS 語句改變假人的位置，假人的坐姿也要進行調(diào)整.

2.3 安全帶模型建立

基于傳統(tǒng)三點式安全帶建立的安全帶模型包括MB多體部分和FE有限元部分.MB部分主要是在MADYMO 中通過相關命令設定卷收器，D環(huán)、卡扣點以及錨點的具體位置.FE 部分主要是通過有限元軟件建立的與人體相接觸的肩帶和腰帶部分.能否按要求正確定義安全帶相對于假人的初始位置以及假人相對座椅的位置，對汽車翻滾仿真乘員傷害結果有很大影響.具體的定位方法描述如下.

1）先準確定位HybirdⅢ50th多體假人模型的位置，并將該假人模型中所有鉸鏈的初始狀態(tài)設置為鎖止.

2）參考MADYMO 中自帶的相關文件介紹的建模方法，通過測量搜集實車的安全帶相關數(shù)據(jù)建立肩帶以及腰帶的FE模型.

3）將有限元安全帶尾端用剛性單元定義，并將其與多剛體安全帶模型的卡扣，D 環(huán)，錨點對應連接.

4）為了保證安全帶模型在假人模型上為平滑狀態(tài)，在定義有限元安全帶模型與假人模型的接觸力與摩擦力時，應選擇較低的力.

5）在安全帶尾端向后加載大小約為10N 的力.假人模型的肩部、腹部在接觸力與摩擦力共同作用下將會與有限元安全帶模型部分貼合緊密，達到力學平衡.整車以及定位好的假人、安全帶模型見圖1.

圖1 MADYMO 仿真模型

2.4 其他模型建立

仿真中模型車輛的翻滾運動軌跡可以通過直接設定模型質(zhì)心運動數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，因此不需要建立臺車模型.質(zhì)心運動數(shù)據(jù)包括模型初始姿態(tài)、高度和質(zhì)心加速度.整車仿真模型質(zhì)心運動數(shù)據(jù)可以通過試驗臺車的結構數(shù)據(jù)以及試驗中臺車的運行速度計算得到，并可以通過MOTION.JOINT＿POS語句預先設定.仿真中地面模型直接用剛體平面表達.

3 仿真與結果分析

3.1 安全帶對乘員傷害的影響

側(cè)面翻滾中，正面安全氣囊起不到明顯的保護作用；側(cè)面安全氣囊雖然能起到乘員保護作用，但側(cè)氣囊配置成本高，目前只在高檔車上才有配置.這時安全帶在側(cè)面翻滾碰撞中對乘員的保護作用就顯得尤為重要.在上述所建仿真模型的基礎上，對乘員系和不系安全帶進行翻滾碰撞仿真，對比分析乘員在2種仿真情況下的損傷情況，以驗證安全帶對乘員的保護作用.

截取通過MADYMO 前處理軟件計算分析后輸出的乘員在不系安全帶條件下的車輛及乘員的翻滾動畫，見圖2.圖2a）為車輛前輪第一次與地面接觸時的畫面，此時乘員已完全失去重心，有被拋出車外的趨勢，乘員頭部與車頂發(fā)生猛烈撞擊，頸部發(fā)生彎曲變形.圖2b）為乘員與地面發(fā)生碰撞的瞬間.此時乘員被拋出車外，整個仿真結束.相比于不系安全帶，在系安全帶的仿真中，因安全帶對乘員良好的保護作用，乘員被束縛在座椅上伴隨車輛翻滾而翻滾，避免了被拋出車外.圖3為以頭部加速度表征的乘員在系和沒系安全帶時的乘員頭部傷害曲線.

圖2 不系安全帶時乘員動態(tài)響應

圖3 基于安全帶的頭部加速度對比曲線

由圖2可見，假人系安全帶的頭部加速度曲線相對于不系安全帶時變化平穩(wěn)，同一時刻的加速度值遠低于不系安全帶時的情況.綜上可以得出，系安全帶可以防止乘員被拋出車外，緩和乘員頭部與車輛內(nèi)飾的碰撞作用減輕乘員頭部的傷害，能對乘員起到良好的保護作用.

3.2 乘員頭部空間對乘員傷害的影響

由于翻滾碰撞中車體和人體復雜的動態(tài)響應以及人們分析方法和數(shù)據(jù)處理方法的不同，現(xiàn)在還沒有直接的結論證明車頂壓潰變形與乘員損傷之間存在直接的因果關系［5-6］.雖然建立的剛體模型不能分析車頂?shù)淖冃渭窜図攧偠却笮Τ藛T傷害的影響，但可以假設乘員頭部空間越大，翻滾碰撞中乘員頭部與車頂?shù)淖矒袅Χ仍酱蟪藛T損傷越嚴重.為了驗證上述假設，進行仿真時，可以將乘員頭部空間（乘員頂部距車頂?shù)木嚯xh）分別設為5，10，15cm.以頭部加速度表征的頭部傷害對比曲線如圖4，以頸部Z向載荷表征的頸部傷害對比曲線如圖5.

圖4 基于頭部空間的頭部加速度曲線對比

圖5 基于頭部空間的假人上頸部Z向載荷對比

由圖4 可見，車輛與地面發(fā)生碰撞的瞬間（0.9s左右），3條加速度曲線都達到峰值；頭部空間越大頭部加速度峰值也越大，且在后續(xù)翻滾過程中也保持較大的加速度峰值.由圖5可見，車輛左側(cè)車輪與地面發(fā)生接觸時，乘員頸部出現(xiàn)最大拉力，但對應不同乘員頭部空間的拉力值并沒有明顯的差別；車頂與地面發(fā)生撞擊時，乘員頭部撞擊車頂，乘員頸部產(chǎn)生最大壓力，且頭部空間越大壓力值越大頸部傷害越嚴重.

由上述分析可以得出，在車頂剛度比較大時，乘員頭部空間對翻滾碰撞中乘員頭部和頸部的傷害有影響，即頭部空間越大，乘員頭部和頸部傷害也越嚴重.

3.3 初始翻滾加速度對乘員傷害的影響

SAE J2114臺車翻滾試驗中，假人傷害與臺車速度、試驗車傾斜角度和放置高度有關.仿真中試驗車傾斜角度和放置高度可以通過調(diào)整整車模型的初始狀態(tài)位置實現(xiàn)，臺車速度可以用加載在整車模型質(zhì)心處的瞬時加速度表征.因為臺車速度、試驗車傾斜角度、試驗車放置高度等試驗條件變化對乘員傷害影響的仿真分析方法相同，只對整車模型質(zhì)心處的加速度對乘員傷害的影響進行仿真分析.質(zhì)心加速度分別設定為1g和2g，仿真分析結果見圖6～7.

選取仿真分析中的五個典型翻滾時刻的乘員頭部加速度值和胸部壓縮量值，并按下面公式計算出參數(shù)靈敏度.為了使選取的參數(shù)有可比性，對應的5個時刻分別為：時刻1車輛左側(cè)車輪著地，時刻2胸部壓縮量第一次峰值，時刻3車頂撞擊地面，時刻4右側(cè)車輪著地，以及時刻5翻滾完成1周.

圖6 基于加速度的頭部加速度對比曲線

圖7 基于加速度的胸部壓縮量對比曲線

計算得出的典型翻滾時刻對應的頭部靈敏度和胸部靈敏度見表2.由表中數(shù)據(jù)可以得出增加翻滾初始整車模型拋出質(zhì)心處加速度，頭部傷害增加率相比于胸部傷害增加率更大，即相對于胸部傷害頭部傷害對模型拋出質(zhì)心加速度變化更敏感.

表2 加速度改變的頭部靈敏度和胸部靈敏度對比

4 結束語

運用MADYMO 軟件建立SAE J2114臺車翻滾試驗仿真剛體模型.對比分析乘員系與不系安全帶兩種情況下的乘員頭部傷害情況，得出系安全帶能有效防止車輛翻滾碰撞中乘員被拋出車外以及明顯減輕乘員頭部傷害，能對乘員起到明顯保護作用.在改變乘員頭部空間的仿真中，得出在車頂強度較高的條件下，乘員頭部空間越大，乘員頭部傷害和乘員頸部傷害越嚴重.在改變初始翻滾整車模型拋出質(zhì)心加速度仿真分析中，得出相比于胸部傷害頭部傷害對拋出加速度變化更敏感.

［1］曹立波，顏凌波.汽車翻滾安全性研究及試驗概覽［J］.汽車工程學報，2012，2（4）：235-248.

［2］曹立波，顏凌波.基于喬丹翻滾試驗的乘用車翻滾碰撞特性研究［J］.汽車工程，2013，35（8）：695-700.

［3］CHOU C C，WAGNER C D，YANG K H，et al.A review of math-based CAE tools for rollover simulations［J］.Accident Analysis &Prevention，2003，35（3）：236-275.

［4］DIGGES K H，EIGEN A M.Crashes attributes that influence the severity of rollover crashes［C］.18th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles，Paper No.03-0231，Nagoya，Japan，2003.

［5］何 歡.車輛翻滾仿真技術與應用研究［D］.重慶：重慶大學，2007.

［6］顏凌波.乘用車的翻滾碰撞特性及防護措施研究［D］.長沙：湖南大學，2012.