車車斜角碰撞工況下駕駛員損傷研究

顏凌波　丁宗陽　曹立波　謝飛　樂中耀

摘要：為了探究車車斜角碰撞模式下的乘員損傷的特點，分別建立了某款小轎車與某款SUV在不同碰撞重疊率以及不同碰撞嚴重程度下的車車斜角碰撞有限元模型，并采用有限元軟件和多剛體軟件相結合的方法分析了車車斜角碰撞中不同碰撞重疊率和不同碰撞嚴重程度條件下的乘員損傷。結果顯示，假人各部位中，頭部和下肢損傷受碰撞嚴重程度和碰撞重疊率的影響較大，在多種重疊率工況中，30%重疊率工況下假人損傷受碰撞嚴重程度的影響比較敏感，70%重疊率工況下假人損傷較小。

關鍵詞：汽車碰撞安全；正面斜角碰撞；乘員損傷

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A

正面碰撞作為汽車交通事故和法規評價中的主要碰撞形式，一直是汽車被動安全性研究的焦點問題。正面碰撞的試驗方法包括全寬碰撞、偏置碰撞和斜角碰撞。我國的正面碰撞法規主要采用100%重疊率的剛性壁障碰撞試驗和40%重疊率的偏置可變形壁障碰撞試驗兩類試驗方法，法規中并沒有關于斜角碰撞的內容及試驗要求，然而，Kaye Sullivan對美國國家汽車調查系統耐撞性數據庫（NASS-CDS）統計結果的研究顯示，在現實交通事故中，汽車發生斜角碰撞仍占30%。因此，進行汽車斜角碰撞的研究，對進一步提高汽車安全性具有重要意義。

目前，世界主要汽車大國的碰撞法規中，美國的FMVSS208正面碰撞法規包含汽車斜角碰撞試驗，試驗要求車輛以48.3km/h的速度撞擊30°斜角剛性壁障，國內一些學者基于該法規的試驗方法對車輛斜角碰撞安全性進行研究。但也有學者指出試驗中汽車撞擊剛性墻后產生較大側向滑移，使得車身及乘員的動態響應與實際交通事故不同。因此學者們利用車車碰撞的試驗方法來研究車輛斜角碰撞安全性，但是在過往研究中只考慮了單一重疊率工況，不能全面反映汽車發生斜角碰撞時的情況。Paul Scullion的研究表明，在不同碰撞重疊率下的乘員損傷概率有所不同，需要將正面碰撞細分成小重疊率碰撞、中等偏置碰撞、大重疊率碰撞等幾種工況進行分別研究。因此，要深入分析斜角碰撞的乘員損傷特點，需要對不同重疊率下的汽車斜角碰撞進行研究。另外，現行的正面碰撞試驗評價方法都只能考查類型相似的兩輛車之間發生的碰撞事故中安全性能的好壞，沒有考慮車輛碰撞相容性的影響。研究表明，不同級別的車輛發生碰撞時，小車所遭受的碰撞嚴重程度及乘員損傷會明顯增高。但在車車斜角碰撞中，碰撞相容性問題所造成的乘員各部位損傷特點缺乏相關研究說明。

因此，本文采用某款小轎車作為研究對象，建立了該車與某款SUV在不同重疊率下的車車斜角碰撞有限元模型，并且通過改變兩車的碰撞速度來模擬車車碰撞中該小轎車所遭受碰撞程度的不同。將車車碰撞的有限元仿真結果導人MADYMO乘員約束系統模型中計算該小轎車乘員損傷，從而研究車車斜角碰撞中碰撞重疊率和碰撞嚴重程度對乘員損傷的影響。

1 碰撞仿真模型的建立

1.1 整車有限元模型的驗證

本研究中選用的兩款車分別為2001年版福特小轎車Taurus和2003年版福特SUV Explorer。兩款車的整車有限元模型由美國國家碰撞分析中心（NationalCrashAnalysisCenter，NCAC）建立并發布。在建立該模型后，NCAC通過100%正面碰撞試驗對模型進行了驗證，其中整車試驗數據來自于美國新車碰撞測試中的100%正面碰撞試驗，試驗號依次為7520和3730。

1.2 車車斜角碰撞模型的建立

Carl Ragland等人對美國國家汽車調查系統耐撞性數據庫1995-1999年交通事故統計的分析結果顯示，左偏置斜角碰撞形式在正面斜角碰撞中是發生概率最高的碰撞形式（見圖1，其中s為被碰車輛，代表被研究對象，P為碰撞車輛）。在碰撞角度中，處在50百分位（非加權算法）的碰撞角度是30°，加權算法中50百分位的角度是33°。

根據以上數據，本文所有仿真都設置為左側斜角碰撞，設置被碰車為小轎車Taurus，碰撞車為SUV Explorer，兩車的中心線夾角為30°。兩車的碰撞重疊率分別設為30%，50%和70%，如圖2所示。

在車車碰撞中，兩車相互的接近速度反映了車車碰撞的嚴重程度，兩輛車相互接近速度越大，兩車相互碰撞越嚴重。兩車碰撞的接近速度應結合交通事故統計以及相關法規進行設置。同濟大學陳君毅對我國道路交通事故統計結果進行了分析，結果顯示75%的交通事故中事故車的車速在50km/h以下。美國FMVSS208正面斜角碰撞法規中要求汽車以48.3km/h撞擊剛性壁障，為了得到與法規相一致的Taurus受撞擊程度，本研究按照該法規中左側30°斜角的試驗設置對小轎車Taurus進行了仿真，并將其與不同碰撞車速度工況下的車車30°斜角碰撞仿真進行對比。在車車碰撞仿真中Taurus的初始速度與法規相同，設定為48.3km/h，而后設定不同的碰撞車Explorer初始速度進行仿真。結果顯示，Explorer初始速度為20km/h時，被碰車Taurus在X方向上的碰撞前后速度變化量AV與法規試驗中接近（見表1）。速度變化量AV與乘員損傷概率存在緊密的相關性，常用來描述汽車的受撞擊程度。因此，當碰撞車Explorer初始速度為20km/h，Taurus的初始速度為48.3km/h時，Taurus受撞擊程度與法規試驗條件下的受撞擊程度基本相同。

本研究以碰撞車速度為仿真試驗變量，根據交通事故統計結果和相關試驗法規設置，將被碰車（Taurus）的速度設定為48.3km/h，碰撞車（Ex-plorer）速度分別選取為20km/h，30km/h，40km/h，50km/h，用來模擬被碰車不同的碰撞嚴重程度，進行車車斜角碰撞仿真試驗。車車斜角碰撞仿真矩陣如表2所示。

1.3 駕駛員側乘員約束系統模型的建立

本文采用MADYMO軟件建立了Taurus駕駛員側乘員約束系統碰撞仿真模型，用來分析車車斜角碰撞中被碰車的乘員損傷響應，該模型包括假人、約束系統和車體。車體包含儀表板總成，地板，左側車門內飾板，左側A、B柱，前排左側座椅；約束系統包括安全氣囊和安全帶。安全帶模型由有限元安全帶和多體安全帶單元組成，模型中安全氣囊的起爆時間和起爆速率通過對比整車碰撞的試驗動畫來調節，整車試驗動畫來自于美國新車碰撞測試中的100%正面碰撞試驗。假人模型采用了Hybrid III50百分位橢球假人模型，參照美國新車碰撞測試中的7520號試驗，調節MADYMO仿真模型的假人位置與試驗一致。根據試驗調節好的駕駛員側乘員約束系統模型如圖3所示。

為了在MADYMO仿真中模擬車體變形情況，本文運用PSM（prescribedstructuremotion）方法，將有限元整車碰撞模型中相關部件的節點位移歷程導出，MADYMO約束系統模型中通過MO-TION。STRUCT_DISP將其導人，即把車車斜角碰撞中車體變形情況作為MADYMO模型中的已知邊界條件輸入。同時，在有限元碰撞仿真模型中設置輸出駕駛員座椅下方加速度計的加速度和轉角加速度，作為MADYMO模型的輸入條件。

1.4 駕駛區乘員約束系統模型的驗證

為了保證模型的準確性，需要對乘員約束系統模型進行驗證，本文對Taurus100%正面碰撞進行了仿真，從結果中提取加速度曲線以及相關車體部件的節點位移歷程，導人MADYMO模型中得到乘員損傷，將仿真中乘員頭部HIC，胸部加速度和左右大腿力值與試驗結果進行比較，試驗數據來自于美國新車碰撞測試中的100%正面碰撞試驗。表3給出了仿真和試驗中假人各部位損傷峰值，可知該乘員約束系統模型仿真計算的假人損傷值與試驗假人損傷值的誤差均在10%以內。

2 不同工況下的仿真結果分析

2.1 碰撞重疊率對乘員損傷的影響

圖4給出了3種不同碰撞重疊率工況下兩車前部結構的相互作用情況。從圖中可以看出，30%重疊率工況下被碰車前縱梁及前防撞梁并未直接參與碰撞變形，50%和70%重疊率工況下被碰車前縱梁及前防撞梁均直接參與碰撞變形，但前防撞梁的受撞擊位置有所不同，70%重疊率工況下前防撞梁的受撞擊位置更靠近兩側縱梁中間位置。

圖5～圖8為不同碰撞速度下，碰撞重疊率對被碰車乘員損傷情況的影響，將30%重疊率下碰撞仿真得到的被碰車假人各部位損傷指標作為基礎數值，并賦為1，其它重疊率工況的被碰車假人損傷指標與其對比得出。從圖中可以看出，當碰撞車速度分別設定為20km/h，30km/h，40km/h，50km/h時，不同碰撞重疊率工況間的頭部損傷HIC3。值變化幅度分別為66.7%，25.8%，48%，329.4%。其中，碰撞車速度為40km/h以下的三種工況中，50%重疊率的被碰車乘員頭部損傷較大；碰撞車速度為50km/h的工況中，30%重疊率的被碰車乘員頭部損傷遠高于其他兩種碰撞重疊率。頸部損傷N_ij值的變化幅度分別為11%，14%，10%，67%，其中，碰撞車速度為40km/h以下的三種工況，頸部損傷N_ij值變化不大，碰撞車速度為50km/h的工況中，30%重疊率的被碰車乘員頸部損傷出現了一定程度的增大。胸部3ms加速度的變化幅度分別為19%，15%，7%，5%。左大腿損傷值的變化幅度分別為92%，45%，50%，144%，其中30%重疊率的乘員左大腿損傷值最高，70%重疊率的乘員左大腿損傷值最低。右大腿損傷值的變化幅度分別為56%，58%，24%，45%，其中70%重疊率的乘員右大腿損傷值均比其他兩種重疊率小。

根據以上結果可得，車車斜角碰撞中，相比于不同碰撞重疊率之間乘員頸部和胸部損傷的差別程度，乘員頭部和下肢損傷受碰撞重疊率的影響較大。左大腿損傷值隨著兩車碰撞重疊率的減小而增加，30%重疊率下乘員左大腿損傷高于其他兩種重疊率。這是由于腿部損傷受乘員艙侵入的影響很大，不同的碰撞重疊率會造成乘員艙變形程度和變形模式的不同。碰撞重疊率越小，乘員艙變形程度越大，發生最大變形的位置越靠近駕駛員左側區域，尤其是30%重疊率工況下，被碰車前縱梁不直接參與碰撞變形，碰撞車直接撞擊被碰車乘員艙，變形程度更嚴重，從而導致乘員左大腿損傷高于其他兩種重疊率。另外，不同重疊率下乘員頭部損傷的變化趨勢隨著碰撞嚴重程度變化而有所不同。在碰撞嚴重程度較低的工況下，50%重疊率中乘員頭部損傷高于其他兩種重疊率。而在碰撞嚴重程度較高的工況下，30%重疊率中乘員頭部損傷高于其他兩種重疊率。這是由于在碰撞嚴重程度較低的斜角碰撞工況下，X方向加速度是造成乘員頭部損傷的主要原因，50%重疊率碰撞中被碰車X方向加速度大于其他兩種工況，而30%重疊率碰撞中被碰車參與碰撞的部件相對剛度較小，X方向加速度峰值也較小（見圖9），因此，50%重疊率下頭部損傷較大。在碰撞嚴重程度較高的斜角碰撞工況下，假人會與側向內飾件發生碰撞，影響頭部運動學響應，并導致頭部損傷增加。30%重疊率碰撞中被碰車Y方向受到沖擊較大，導致30%重疊率中頭部損傷指標劇烈增大，從而高于其他兩種重疊率。

2.2 碰撞嚴重程度對乘員損傷的影響

在車車碰撞中，整車碰撞吸能量反映了該車的受碰撞程度，其數值越高說明受碰撞程度越嚴重。圖10給出了不同碰撞重疊率的車車斜角碰撞工況下被碰車的碰撞吸能情況。從圖中可以看出，在3種重疊率工況下，隨著碰撞車速度的增大，被碰車的碰撞吸能量相應增大，這表明被碰車速度不變，隨著碰撞車速度的增大，被碰車受碰撞程度逐漸增大。

圖11～圖13給出了3種重疊率工況下，不同碰撞車速度對被碰車乘員損傷情況的影響，將碰撞車速度為20km/h下碰撞仿真得到被碰車假人損傷指標作為基礎數值，并賦為1，其它碰撞車速度工況與之相比得到的被碰車假人各部位損傷指標。結果顯示，在三種重疊率下，隨著碰撞車速度從20km/h逐漸增加到50km/h，乘員各部位損傷也逐漸增加。當碰撞重疊率分別為30%，50%，70%時，頭部損傷HIC3。值增加的最大倍數分別為10.4，2.5，3.6；頸部損傷N_ij值增加的最大倍數分別為1.98，1.13、1.31；胸部3ms加速度增加的最大倍數分別為1.81，1.56，1.46；左大腿力增加最大倍數分別為4.2，3.8，3；右大腿力增加最大倍數分別為2.6，2.1，2.3。

根據上述結果可以得出，車車斜角碰撞中，隨著被碰車受碰撞程度的增加，被碰車乘員各部位損傷指標呈現增大的趨勢。其中頸部和胸部損傷指標變化幅度相對較小，頭部和下肢損傷指標變化幅度相對較大。頭部損傷指標增加明顯主要是由于汽車斜角碰撞中，假人頭部從安全氣囊左側邊緣滑過，安全氣囊無法充分發揮緩沖作用，假人頭部損傷值隨碰撞程度的增大而明顯增大。下肢損傷與乘員艙的壓潰程度直接相關，碰撞程度增大導致乘員艙侵入量增大，儀表板與下肢接觸導致損傷增加。相比于重疊率為50%，70%的兩種工況，重疊率為30%的工況下乘員各部位損傷增大幅度較大，這表明30%重疊率工況下被碰車乘員損傷對碰撞程度變化的響應較敏感。這是由于該工況下碰撞重疊率較小，被碰車前縱梁不直接參與碰撞，導致前艙緩沖吸能效率較低，碰撞能量很大程度上被乘員艙吸收。因此，隨著碰撞程度的增加，被碰車乘員損傷受到的影響較大。

另外，從圖11中發現，30%重疊率工況下，碰撞車速度設置為50km/h的車車碰撞仿真中被碰車乘員頭部損傷值遠大于其他幾組碰撞車速度設置的仿真，在不同碰撞車速度設置的仿真中，被碰車假人頭部x方向和y方向的位移時間歷程曲線如圖14和圖15所示。從圖中可以得出，假人頭部X方向的位移隨著碰撞車速度增大而增大，但曲線趨勢基本相同。而碰撞車速度為50km/h時，假人頭部Y方向的位移時間歷程曲線趨勢明顯不同于其他幾組速度工況，這表明該工況下假人頭部Y方向的運動學響應異常。

圖16和圖17給出了30%重疊率工況下，碰撞車速度分別為40km/h，50km/h時，被碰車乘員胸部和頭部y方向加速度。從圖中可以看出，碰撞車速度為50km/h的仿真中，乘員胸部Y方向加速度在100ms時出現劇烈增大，頭部Y方向加速度在120ms時出現劇烈增大，胸部Y方向加速度劇烈增大時間先于頭部Y方向加速度。這表明碰撞中乘員胸部在Y方向上受到巨大沖擊，胸部向左移動受到抑制，導致乘員頭部Y方向加速度急劇增大，頭部損傷值隨之劇增。

圖18給出了30%重疊率工況下，碰撞車速度為40km/h，50km/h碰撞仿真中的被碰車假人110ms運動姿態。在圖18（b）中假人胸部與門內飾板并未直接接觸，圖18（a）中假人胸部與門內飾板發生側向撞擊，這是造成假人運動學響應異常，從而導致假人頭部損傷急劇增大的主要原因。這表明在30%重疊率工況下，隨著受撞擊程度的增加，假人更容易與側向內飾件發生二次碰撞，從而導致假人頭部損傷值急劇增加。

3 結論

本文采用某款小轎車作為研究對象，研究了在車車斜角碰撞工況下碰撞重疊率和碰撞嚴重程度對乘員各部位損傷的影響。

研究表明，碰撞重疊率會影響兩車前部結構的相互作用情況，不同重疊率工況的車車斜角碰撞之間，乘員頸部和胸部損傷差別較小，頭部和下肢損傷的差別較大。乘員左大腿損傷值隨著兩車碰撞重疊率的增加而減小，頭部損傷變化趨勢隨著碰撞嚴重程度的變化而有所不同，在碰撞嚴重程度較低時，50%重疊率下的乘員頭部損傷高于其他兩種重疊率，在碰撞嚴重程度較高時，30%重疊率下的乘員頭部損傷出現較大增長，高于其他兩種重疊率。在三種碰撞重疊率工況中，70%重疊率的乘員頭部和下肢損傷均較小。

另外，車車斜角碰撞中，隨著碰撞車速度的增加，被碰車受碰撞程度隨之增大，乘員各部位損傷指標也呈現增大的趨勢，其中頭部和下肢損傷指標增長幅度較大，頸部和胸部損傷指標變化幅度較小。三種重疊率的斜角碰撞工況中，30%重疊率工況下被碰車的前縱梁并未直接參與碰撞，該工況的乘員損傷對碰撞嚴重程度的影響比較敏感。