乘用汽車小重疊率側面柱碰撞的乘員損傷研究*

劉金鑫,潘勝娟

(蘭州交通大學機電工程學院,甘肅蘭州 730070)

乘用汽車小重疊率側面柱碰撞的乘員損傷研究*

劉金鑫,潘勝娟

(蘭州交通大學機電工程學院,甘肅蘭州 730070)

基于側面柱碰撞對乘員傷害的嚴重性,利用LS-DYNA與HyperWorks軟件建立了某乘用汽車的側面柱碰撞仿真模型,通過ES-2RE型假人對該事故形態中乘員的損傷進行了仿真研究。其結果表明:在側面柱碰撞中人體的頭部、頸部、下部肋骨以及腹部受到的傷害較大,而上、中部肋骨以及骨盆的傷害較小。

側面柱碰撞;安全性;有限元仿真;乘員損傷

0 引 言

汽車側面柱碰撞是指汽車與柱狀物(電線桿、樹木、交通指示牌等)發生的側面碰撞[1]。因其為小重疊率碰撞,并且乘員與車門內板之間僅有20～30 cm的距離,因此該種事故一旦發生,車內乘員在強列貫入的沖擊載荷的作用下將會受到高致命性的傷害[2]。CIDAS(中國交通事故深入研究)的調查數據表明近年來側面柱碰撞事故在我國具有非常高的傷亡率[3],該事故形態已引起了國內交通安全管理部門的高度重視,因此對于側面柱碰撞的研究具有重要的意義。

國內目前有關側面柱碰撞的研究絕大部分為關于車體結構響應的研究,而對于乘員損傷機理的研究則極少;僅有個別研究人員做了相關方面的工作,其中楊濟匡[4]利用MADYMO軟件的子模型法參照EuroNCAP試驗要求對比研究了側面柱碰撞與側面壁障碰撞對乘員造成傷害的異同,其研究結果表明側面柱碰撞對乘員的傷害較側面壁障碰撞更為嚴重;商恩義[5]借助ES-2型假人分別進行了FMVSS214和ENCAP側面柱碰撞試驗,從實驗的角度對比分析了不同實驗條件下人體傷害部位之間的差異。其結果表明,FMVSS214試驗中假人胸部傷害相對較小,腹部傷害相對偏大。

以上研究均是在不同碰撞法規條件下對比研究了側面柱碰撞對乘員造成傷害的差異,而并沒有就側面柱碰撞中乘員自身的損傷機理進行探索,因此筆者擬利用有限元仿真分析法對側面柱碰撞中乘員的損傷進行研究。

1 仿真模型的建立

有限元仿真分析法被廣泛應用于汽車被動安全的研究中,因此利用LS-DYNA與HyperWorks軟件聯合建立了某乘用汽車的側面柱碰撞有限元仿真模型,其中駕駛員用ES-2RE型假人來模擬。所建模型共計有1 053 095個單元。仿真實驗中整車以側向32 km/h的速度傾斜75°與直徑為254 mm的固定剛性柱發生側面碰撞,其中碰撞點選擇在剛性柱軸線與碰撞速度方向所組成的平面通過駕駛員的頭部中心位置,整個仿真過程歷時125 ms。如圖1所示。

圖1 側面柱碰撞有限元模型

2 碰撞時序分析

碰撞過程中乘員身體主要部位與汽車側圍之間碰撞時序的差異會造成乘員不同的傷害,因此碰撞時序對乘員損傷的研究具有非常重要的意義。觀察碰撞過程中假人的運動姿態發現,假人的上軀干(骨盆及以上部位)在其碰撞側與車體側圍有明顯的碰撞,而下軀干則沒有與側圍發生接觸。因此在分析假人的運動姿態與碰撞時序時只需考慮假人的上軀干部位即可。

2.1 ES-2假人結構及傳感器位置

在碰撞試驗中為了獲得人體在碰撞中受到的碰撞力以及變形情況,需要在假人的身體上設置大量的傳感器,詳細信息如圖2所示。

圖2 ES-2假人結構及傳感器位置

2.2 碰撞時序分析

在碰撞過程中,人體各部位與車體側圍發生碰撞的時序對乘員傷害值的影響很大,因此,側面碰撞時序對研究乘員損傷具有非常重要的意義。圖3所示為假人碰撞側主要部位的加速度—時間曲線。

圖3 假人各部位加速度-時間曲線

由圖3可知,假人碰撞側主要部位的加速度出現時序為左臂鎖骨、肋骨、脊椎、頭部、骨盆。因此,左臂最先與車體側圍發生碰撞,隨后肋骨位置開始與車門內飾發生接觸,這主要是由于車門內側的扶手先與人體下部肋骨位置發生碰撞所致,由于碰撞不斷加劇,脊椎在強烈的沖擊載荷作用開始發生變形,此時人體上軀干開始向碰撞側傾斜,由于碰撞的持加劇使得人體頭部與門框上邊緣迅速發生碰撞,隨后立即向碰撞側開始反彈,在慣性力的作用下,人體的頸部及上軀干受到頭部的牽動有向非碰撞側傾斜的趨勢,而此時車體側圍仍在向車內不斷侵入,從而使得骨盆與車門內飾發生碰撞。

3 人體主要部位傷害值分析

3.1 假人頭部損傷分析

HIC(頭部傷害指數)是評價碰撞對乘員頭部傷害的重要指標,FMVSS214碰撞法規[6]所規定的HIC限值為1000,該值越大,表明碰撞對乘員頭部造成的傷害就越大。

圖4所示為側面柱碰撞中駕駛員位置處假人的頭部HIC響應曲線。由圖中數據可知假人的頭部HIC值為8 576,該值顯然大于FMVSS214法規限值1 000,由此說明,側面柱碰撞對人體頭部的傷害非常大。這將會給車內司乘人員帶來致命性的傷害。

圖4 HIC-時間曲線

3.2 頸部傷害分析

圖5所示為側面柱碰撞中假人的頸部力-時間曲線,橫向、垂向頸部力曲線在40～80 ms之間的變化最為劇烈,其中垂向頸部力出現的時刻要早于橫向,但橫向頸部力的峰值比垂向頸部力稍大一些。由圖中曲線的變化趨勢可知,在初始時刻,二者均向負方向開始逐漸增大,隨著碰撞的加劇,在達到負向峰值之后,又開始向正向變化,并出現正向峰值,由此說明人體頸部在碰撞初期有向碰撞側發生彎曲變形的現象,在達到彎曲極限之后開始反彈,即向非碰撞側發生彎曲變形。

圖5 頸部力-時間曲線

觀察碰撞中假人的運動姿態發現其頸部除了有嚴重彎曲變形之外,還伴有扭轉現象存在,為了進一步說明該現象,將假人頸部力矩隨時間變化的曲線繪于圖6之中。

圖6 頸部力矩-時間曲線

由圖6可知頸部的扭轉力矩明顯大于其剪切力矩,并且扭轉力矩隨時間的變化更為劇烈,由此說明在側面柱碰撞中人體頸部在碰撞力的作用下出現了嚴重的扭轉變形,在這種扭轉力矩的作用下,常常會給乘員帶來致命性的傷害。

3.3 胸部傷害指數分析

圖7所示為側面柱碰撞中假人的肋骨變形量-時間曲線。由圖可知上部肋骨的最大變形量為26.8 mm,中部肋骨的變形量為30.9 mm,下部肋骨的變形量為53.1 mm,FMVSS214法規規定的肋骨變形量限值為42 mm,因此只有下部肋骨的變形量超出了限值,由此說明在側面柱碰撞中乘員下部肋骨受到的傷害最為嚴重。

圖7 肋骨變形量

3.4 腹部及骨盆傷害值分析

圖8所示為側面柱碰撞中假人腹部力隨時間的變化曲線。

圖8 假人腹部力-時間曲線

由圖8可知假人骨盆力的最大峰值為2.83 kN,該值超出了FMVSS214法規所規定的限值2.5 kN,而骨盆力的最大峰值為5.86 kN,該值則小于 FMVSS214法規所規定的限值6 kN。

4 結 語

通過上述對側面柱碰撞中假人各部位的傷害值分析之后,可以得出在側面柱碰撞中人體的頭部、頸部、下部肋骨、腹部的傷害較大,而上部肋骨、中部肋骨以及骨盆的傷害值較小。因此在側面約束裝置的開發中需要重點考慮人體頭部、頸部、下部肋骨、腹部區域的保護。

[1]Wang Dazhi,Dong Guang,Zhang Jinhuan,etal.Car side structure crashworthiness in pole and moving deformable barrier side impacts [J].Tsinghua Science and Technology,2006,11(6):725-730.

[2]李翼德.轎車側面柱碰撞的耐撞性優化設計研究[D].長沙:湖南大學,2011.

[3]Qihui Li,Jikuang Yang.Study of vehicle front structure crashworthness based on pole impactwith differentposition[C].The10thInternational Forum of Automotive Traffic Safety(INFATS),Shenzhen-Hongkong,China,2013.

[4]楊濟匡,覃禎員,王四文,等.轎車側面柱碰撞結構響應與乘員損傷研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2011,38(1):23-28.

[5]商恩義,侯福震,師玉濤,等.對某車型兩種側面撞柱試驗假人傷害研究[J].汽車工程學報,2014,4(4):280-284.

[6]NHTSA.FMVSSNO.214,DYNAMIC SIDE IMPACT PROTECTION -Rigid Pole Side Impact Test Requirements[S].U.S.:NHTSA,2012:1-23.

Study on Occupant Injury in Side Pole Impact of Passenger Car

LIU Jin-xin,PAN Sheng-juan
(School ofMechatronic Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou Gansu 730070,China)

Based on the occupant injury severity in side pole impact,the finite elementmodelwas developed by using the LS -dyna and the HyperWorks software,and occupant injury in side pole impactwas studied with ES-2 dummy.It can be concluded that the body's head,neck,lower rib and abdomen suffered more injury than the upper,middle rib and pelvis in the pole side impact.

pole side impact;security;finite element simulation;occupant injury

U270

A

1007-4414(2015)06-0059-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.021

2015-09-23

劉金鑫(1988-),男,甘肅慶陽人,碩士研究生,主要從事汽車被動安全研究工作。