基于仿真分析的乘員小腿損傷改進

魯后國，李鐵柱，闞洪貴

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

?

基于仿真分析的乘員小腿損傷改進

魯后國，李鐵柱，闞洪貴

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車正面碰撞過程中小腿損傷是最常見的損傷形式之一，乘員艙入侵往往會增加小腿的損傷幾率。腳墊可以有效緩沖腿部載荷，降低小腿損傷。文章針對某車型正面碰撞中乘員小腿脛骨軸向載荷較大的問題，提出增加腳墊的方案，建立了該車型的乘員約束系統模型，并對該模型小腿運動和損傷進行了模型驗證。基于該模型對腳墊方案進行了驗證和優化，乘員約束系統仿真分析驗證了方案的有效性，并制作腳墊樣件，最終整車試驗驗證了方案的工程實用性。

小腿損傷；腳墊；正面碰撞；乘員約束系統分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.012

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-33-04

引言

隨著C-NCAP的實施和不斷升級，國內汽車企業對于車輛安全也越來越重視，總體來說國內的汽車安全性能水平提升較快，多說汽車企業都開發了五星級的車型，但針對乘員個別部位的保護仍不理想，特別是針對小腿和胸部的保護仍存在較大的改進空間[1]。針對2015年C-NCAP管理中心發布的所有車型進行統計分析，正面碰撞中小腿的平均得分率僅為 75.1%，略高于得分率最低的胸部，偏置碰撞中的小腿得分率僅為 77.2%。腿部傷害通常是非致命損傷，不足以直接危機人體生命，但小腿脛骨骨折損傷恢復往往需要較長時間，有時可能導致永久的殘疾，給患者帶來嚴重傷害，給社會帶來巨大的經濟損失。因此降低碰撞過程中的小腿損傷具有非常重要的意義[2-3]。

本文首先介紹了小腿的損傷指標，并針對某款車型正面碰撞中乘員小腿軸向載荷偏大的問題，提出了增加腳墊的改進方案，建立了乘員約束系統模型，并完成了小腿運動和軸向受力狀態的模型驗證，在該模型的基礎上對腳墊方案進行了分析驗證，并制作了腳墊樣件，最終整車試驗驗證了腳墊對于降低小腿的軸向載荷具有明顯效果。

1、小腿損傷指標

小腿損傷主要表現在小腿脛骨的骨折，小腿承受軸向力或是彎矩是造成骨折的主要原因，如圖1所示。為此小腿脛骨評價指標主要有兩個：小腿脛骨軸向壓縮力和脛骨指數TI （Tibia Index）[4-5]。小腿脛骨指數TI是綜合考慮小腿承受軸向力和彎矩情況的損傷指標，是根據小腿軸向力 FZ、MX和MY加權計算所得，其計算公式如式1所示。假人小腿載荷傳感器位于上下兩端，如圖2所示。上端和下端均包括軸向力和彎矩指標，小腿損傷評價中以最惡劣的指標作為最終的評價。

式中：MX為繞小腿X軸的彎矩；MY為繞小腿Y軸的彎矩；(MC)R為臨界彎矩，數值為225 Nm；FZ為小腿Z向的軸向載荷；(FC)Z為小腿臨界軸向壓縮力，數值為35.9 kN；

圖1　小腿脛骨骨折損傷

圖2　小腿傳感器位置

2015版 C-NCAP管理規程中規定了小腿損傷指標的限值。脛骨指數的高、低性能限值分別為0.4和1.3；軸向力的高、低性能限值分別為2 kN和8 kN，高低限值分別對應滿分和零分，處于兩者之間的測量值采用線性插值的方法計算得分評價。

2、小腿損傷改進方案分析

圖3　整車碰撞分析

某車型按照2015版C-NCAP管理規程要求完成了整車50 km/h正面碰撞試驗如圖3所示。針對乘員艙完整性方面，前圍歇腳板位置入侵量較小，但乘員側小腿軸向力指標遠遠超過了C-NCAP規定的2 kN高性能限值，如圖4所示，乘員左小腿軸向力達到3.1 kN，右小腿軸向力達到4 kN。

圖4　乘員側左小腿軸向力

為此分析得出乘員艙入侵會增加小腿損傷的風險，但是入侵量不是造成小腿損傷的唯一因素，小腿所受的外部載荷和小腿自身的慣性力也是造成小腿傷害的主要因素。小腿自身的慣性力與整車碰撞加速度相關，而小腿所承受的外部載荷主要包括地板接觸力，儀表板接觸力和膝蓋施加的載荷。考慮到主要是小腿軸向力FZ超標，軸向載荷主要來自地板接觸力和膝蓋作用力，膝蓋作用力相對小腿來說屬于外力，相對假人屬于內力無法實施優化方法。因此優化的方向集中在減小來自地板的接觸力。由圖4可以看出地板接觸力直接作用在腳部，往上傳遞至小腿下，再傳遞至小腿上，由于小腿上下傳感器之間的慣性力存在，因此小腿下脛骨力大于上脛骨力。降低地板接觸力可有效減小下部脛骨力和上部脛骨力。因此考慮在腳部與地板之間增加腳墊的方案來實現降低腳部接觸力的目的。腳墊采用吸能緩沖 PP發泡材料，剛度目標初步設計為腳部壓頭壓縮80%時載荷不超過2 kN。根據乘員側前地板結構初步確定了腳墊方案，如圖5所示。

圖5　乘員側腳墊方案

3、乘員約束系統模型建立與驗證

3.1約束系統模型建立

為了驗證腳墊方案的有效性，建立了該車乘員側的約束系統模型，模型中包括了詳細的座椅座墊結構、儀表板結構、安全帶和氣囊等。車體部分進行了剛體化處理，整車碰撞中的左B柱下減速度曲線作為該模型的輸入條件。模型中使用了LSTC公司提供的混三50百分位男性假人。整體模型如圖6所示。

圖6　乘員約束系統模型

3.2模型驗證

模型驗證主要是確保得到一個良好的模型，該模型能夠真實反映碰撞的物理過程，特別是該模型中小腿響應與試驗的一致性，對小腿運動姿態和軸向力進行了對比，如圖7所示，(a圖中在75ms左右仿真中腳部和小腿運動姿態與試驗基本一致，(b圖中對比了仿真和試驗中小腿軸向力曲線，曲線整體趨勢，峰值出現時刻和大小都比較吻合，該模型可以用于腳墊方案的性能驗證。

圖7　小腿響應對比

4、方案改進分析及驗證

4.1仿真分析驗證

圖8　增加腳墊的約束系統模型

基于驗證的乘員約束系統模型，在該模型中增加了腳墊，針對假人下肢位置完成了假人坐姿重新定位，模型如圖8所示。

增加腳墊前后乘員左小腿軸向力曲線對比如圖9所示，可見優化后左小腿下、上軸向力分別為2534N和1782N，相比原始方案分別降低了30%和38%，小腿軸向力明顯改善。

圖9　仿真中小腿軸向力對比

4.2試驗驗證

根據腳墊方案試制了改進后的樣件，如圖10所示，按照C-NCAP要求完成了整車正面碰撞試驗。

圖10　腳墊樣件

圖11　整車試驗中左小腿軸向力對比

增肌腳墊后乘員左小腿軸向力對比如圖11所示，可見改進后后左小腿下、上軸向力分別為2592N和2052N，相比原始方案分別降低了35%和34%。乘員左小腿軸向力大幅度降低，整車試驗結果驗證了方案的有效性，腳墊可以有效降低小腿軸向力損傷。

5、結論

（1）正面碰撞中小腿損傷概率較高，其不僅與乘員艙入侵相關，與自身慣性力和地板接觸力有很大關系，設計前期需要重點關注。

（2）腳墊對于改善小腿的軸向力指標具有明顯的作用，適用于駕駛員和副駕駛員兩側，乘員約束系統仿真分析可以有效驗證和優化腳墊方案，提高小腿的保護效果。

[1] 趙福全，吳成明，潘之杰，等.中國汽車安全技術的現狀與展望[J].汽車安全與節能學報.2011(2)：l11-121.

[2] 田涌君，張亞軍，曾必強. 正面碰撞中乘員小腿傷害的優化分析[J].機電工程，2015.32(6)：812-816.

[3] 郭慶祥，王桃英，王楠.正面碰撞假人小腿傷害因素分析[J]. 汽車工程師.2015.(6)：42-47.

[4] 中國汽車技術研究中心. C-NCAP管理規程（2015版）[M]. 天津：中國汽車技術研究中心.2015.

[5] 伍騰飛，景旭.正面碰撞中假人小腿傷害影響因素分析[C]. 第十四屆中國汽車技術安全學術會議論文集.北京：安全分會，2011：344-349.

Improvement of Occupant's Tibia Injury Based on Simulation Analysis

Lu Houguo, Li Tiezhu, Kan Honggui
（Anhui Jianghuai Automotive Co. Ltd, Anhui Hefei 230601）

The tibia injury is one of the most common formsduring a frontal impact. The passenger compartment intrusion tends to increase the chances of leg injuries. The foot pads can effectively buffer load and reduce tibia injury. In this paper, aiming at the problem that the axial load of tibia is big in frontal impact, the foot pad is used. Theoccupant restraint system model is built and validated. Based on the model the proposal is validated and optimized. The occupant restraint system simulationanalysis verifies the effectiveness of the proposal, and the foot pad prototype is made, the final vehicle testing verify the engineering practicability of the proposal.

Tibia Injury; Foot Pad; Front Impact; Occupant Restraint SystemAnalysis

魯后國，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

U467.1

A

1671-7988 （2016）06-33-04