某轎車翻滾碰撞乘員損傷研究

于倩，金宇，于沐含，張思佳

（大連裝備制造職業技術學院，遼寧 大連 116110）

某轎車翻滾碰撞乘員損傷研究

于倩，金宇，于沐含，張思佳

（大連裝備制造職業技術學院，遼寧 大連 116110）

文章通過計算機仿真分析，研究車內乘員在某轎車翻滾碰撞過程中的損傷，運用HyperMesh建立整車及試驗平臺車的有限元模型，所使用的假人模型來自VPG（虛擬實驗場技術）軟件中自帶的非商業假人可變形50百分位假人模型，采用顯示有限元分析軟件LS-DYNA進行求解，得到整車在車輛翻滾碰撞過程中乘員的運動狀態，提取乘員各主要部位的損傷值，分析乘員的損傷原因，為乘員的保護提供依據。

LS-DYNA；翻滾碰撞；乘員損傷

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.040

CLC NO.: U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-125-04

前言

近年來，在我國雖然道路交通條件得到改善，但隨著車輛速度的提高及汽車保有量的逐年增加，交通事故和人員傷亡及財產損失依然嚴峻。因此，本文針對乘員在車輛翻滾碰撞事故中的損傷進行研究，為乘員保護并減少乘員傷亡提供依據。

平臺車翻車試驗能夠反映乘員在車輛翻滾過程中的動態響應，因此本論文采用平臺翻車試驗方法進行仿真分析，通過計算機仿真，得到在車輛翻滾碰撞過程中副駕駛側乘員的運動狀態，提取翻滾碰撞過程中主要部位的損傷值，分析乘員的損傷原因，為乘員的保護提供依據。[1]

1、翻滾碰撞仿真模型的建立

根據美國EAT公司開發的VPG（虛擬實驗場技術）軟件中的汽車碰撞仿真專門模塊VPG/Safety的仿真步驟和流程建立本文的翻滾碰撞仿真模型。

1.1 乘員約束系統模型

1.1.1 輸入模型

輸入假人有限元模型，本文采用VPG軟件中自帶的非商業假人可變形50百分位假人模型（Deforable 50%），輸入假人的H點坐標，調用假人模型并對其坐姿進行調整，使該模型與座椅及車內空間的位置協調以符合實際情況。

輸入安全帶模型，本文采用VPG軟件中自帶三點式安全帶模型，根據實際情況定義安全帶的傳感器單元、卷收器單元、預緊器單元等的相關參數，實現安全帶的功用。

1.1.2 約束系統模型驗證

對于建立好的乘員約束系統模型，需要對其約束性能進行有效驗證，在約束系統模型的驗證仿真過程中，對假人模型施加一定的初速度，如圖1所示，假人將向前運動，此時安全帶能夠及時鎖止，阻止與安全帶接觸的胸部和腹部的向前運動，同時人體產生減速度，向后運動，從而使假人模型很好的被束縛在座椅上，防止乘員發生二次碰撞。由此可看出，所建立的乘員約束系統模型能夠起到一定的約束作用。

1.2 翻滾碰撞仿真模型

1.2.1 輸入模型

輸入整車、試驗平臺車和乘員約束系統的有限元模型，并進行組裝，如圖2所示，得到車輛翻滾碰撞仿真的有限元模型。

1.2.2 建立接觸

在VPG軟件中，提供了多種接觸方式，本文將車輪胎與平臺車的接觸、假人與車內內飾所有可能的接觸定義為自動面面接觸，通過關鍵字AUTOMATIC_SURFACE_TO_ SURFACE進行定義[2]，其中假人與車內內飾的接觸主要包括假人與座椅、側門、假人側的地板和車頂以及安全帶；將整車中的部件定義一個總體單面接觸，通過關鍵字AUTO MATIC_SINGLE_SURFACE進行定義；將轎車與路面的接觸通過RIGIDWALL進行定義。

1.2.3 定義初始條件

根據平臺車翻車試驗要求，對已建立的仿真模型施加初始速度，大小為48km/h；同時對試驗平臺車的運動進行定義，在0至0.06s時平臺車將保持勻速運動，大小為48km/h，在0.06s時開始緊急制動，并在0.128s時減速至0。[3]由于平臺車擋塊的阻擋，整車將脫離平臺車并延Y向發生翻滾碰撞，試驗平臺車的速度曲線如圖3所示。

2、乘員運動狀態

2.1 整車翻滾軌跡

如圖4所示，為車輛翻滾碰撞仿真過程轎車車身左右兩側Y向的速度曲線，在0.06s之前，由于轎車與試驗平臺車共同向前運動未發生分離，因此兩側速度保持一致。當平臺車開始制動，由于慣性力作用，轎車將繼續向前運動，導致轎車左側輪胎與試驗平臺車的擋板相撞，使轎車的左右兩側將產生速度差，如圖所示，轎車右側的速度大于左側速度，因此車輛發生翻轉，與實際情況吻合，本文仿真時間為1.2s，在1.2s時車輛恢復至停放狀態，如圖顯示有繼續發生翻滾的趨勢。說明仿真結果可靠，可用于下一步的分析研究。

2.2 乘員運動狀態

經過仿真運算，提取乘員在車輛發生翻滾碰撞過程中的運動狀態， 如圖5顯示了車輛從駕駛員側開始翻滾，假人模型置于副駕駛位置，即遠地端時假人在車輛翻滾碰撞過程中的運動軌跡，滿足了試驗條件最惡劣的仿真原則。

3、乘員損傷分析

在車輛翻滾碰撞過程中，車內乘員的損傷機理主要有兩種情況：有安全保護裝置（如安全帶、安全氣囊等）和沒有安全保護裝置。在沒有安全保護裝置的車內，發生翻滾碰撞時，乘員很容易與座椅發生脫離，與車內飾件發生二次碰撞，甚至被甩出車外，造成嚴重的人體損傷；在有安全保護裝置的車內，乘員可以被約束在座椅上，可以減少與車內飾件發生的碰撞，但是安全帶的壓力會對乘員的胸部造成傷害，同時過大的加速度也會對頭部及頸部等造成損傷[4]。

3.1 頭部損傷分析

在本文的仿真分析中，在車內裝有安全保護裝置安全帶，在圖6所示的乘員在翻滾碰撞中的運動狀態可以看出，三點式安全帶可以很好的將乘員束縛在座椅上，對乘員起到了一定的保護作用[5]。

圖6乘員的頭部加速度曲線及對應的頭部損傷值HIC，曲線顯示頭部的加速度出現了兩處峰值，分別是在0.6s和1.05s時刻。在0.6s時刻，車頂的右側邊梁與地面接觸，第一次對車內乘員產生沖擊，但是由于在邊梁撞擊地面之前，車身的右側圍將先接觸地面，因撞擊發生變形，使得對乘員的沖擊起到緩解作用，此時頭部的加速度值為45g；在1s時刻，此時車輛發生二次翻轉且右側車輪撞擊到地面，圖6顯示，頭部所受的加速度急劇增加，并在1.05s時頭部加速度達到最大值57g，該值低于法規標準值80g，其中，頭部損傷值為493.4，低于法規標準值1000，兩者均滿足法規要求。

3.2 頸部損傷分析

如圖7所示為頸部受力曲線，頸部分別在四個時間段內出現壓縮力峰值，其他時間段皆受拉伸力的作用。頸部受到壓縮力的第一個時間段為0.11s～0.15s，此時由于試驗平臺車突然靜止，轎車輪胎撞擊到平臺車的擋板，此時乘員的頸部向左彎曲壓縮，壓縮力的值并不大，為1.5KN；在0.42s～0.83s時間段內頸部受到第二次壓縮，轎車與試驗平臺分離后發生翻滾后左側車圍、車頂開始逐漸接觸地面，在此期間，頸部壓縮力出現最大值，在0.65s至0.72s，從車輛的左后輪接觸地面的瞬間開始至車頂與地面接觸并離開地面這一時刻結束，在左后車輪接觸地面的瞬間，乘員的頸部受到劇烈的沖擊，所受的壓力急劇加大，隨著車輛繼續翻滾，左側圍及車頂也開始接觸地面，此時，與地面接觸區域的部件發生變形，吸收部分能量，乘員頸部所受的壓力有減小趨勢，此后，由于車頂發生變形，使乘員的生存空間發生變化，乘員的頭部與車頂發生碰撞，致使頸部壓縮力再次增大，期間的最大值為5.2KN；在0.87s～0.9s時間段內頸部受到第三次壓縮，車輛車頂著地后繼續翻轉并恢復到正常狀態前，乘員的身體在安全帶作用下，逐漸隨著座椅恢復到正常狀態，但頸部由于缺少相應的保護措施，仍處于向右彎曲的狀態，受到壓縮力，其值為2.7KN；在1.02s～1.06s時間段內，頸部受到第四次壓縮，這段時間內車輛右后車輪著地發生二次翻轉，車輪對地面的沖擊使頸部再次受到壓縮力作用，峰值為4.4KN。在車輛翻滾過程中，頸部壓縮力的最大峰值約為5.2KN，此外在車輛發生二次翻滾時，頸部壓縮力的峰值為4.6KN，均超過法規標準值4KN；在其它時間段內，頸部一直受到拉伸力的作用，且所受的拉伸力的最大峰值約為2.2KN，符合法規標準值3.3KN。

3.3 胸部損傷分析

如圖8所示為乘員的胸部壓縮量曲線，乘員胸部壓縮量從0.6s開始逐漸增加，在0.7s時達到最大值26mm，這一過程從車體左側圍與車頂交界處接觸到地面開始，至0.7s時車頂全部接觸地面，此時乘員在車內幾乎豎直垂直于地面，由于安全帶的作用，乘員被很好的約束在座椅上，但是安全帶的拉力也對乘員的胸部產生沖擊力，使胸部被壓縮，之后隨著車體的繼續翻轉，乘員狀態隨著改變，胸部的沖擊力逐漸變小。胸部壓縮量的最大值為26mm低于法規標準要求的75mm。

3.4 大腿損傷分析

如圖9所示，（a）、（b）分別為乘員左、右兩側大腿所受的軸向力曲線，圖中乘員腿部分別在三個時間段內出現峰值。首先，乘員腿部軸向力在0.1s時刻出現峰值，亦為最大值，右側受力為4.8KN，且右側所受的沖擊力大于左側所受的沖擊力，左側腿部受力為3.3KN，此時，由于試驗平臺車的緊急制動，導致左側車輪與平臺車的擋板發生撞擊，腿部將受到沖擊，在慣性力的作用下右側大腿先與右側車門發生撞擊因此所受沖擊力大于左側；在0.7s～0.78s時間段內，轎車頂部接觸地面，此時車體與人體均為倒置的狀態，隨著車輛的繼續翻轉，由于安全帶的作用，乘員沒有被拋離座椅，但是腿部在重力的作用下將下落并與儀表板、風擋玻璃等發生撞擊，出現受力峰值，右側大腿受力大小約為2KN，左側為1.2KN；1.02s～1.1s時間段內，車輛經過二次翻轉接近停放狀態，乘員也從之前的倒置狀態逐漸下落恢復正常，在這一過程中，左、右腿先后下落并與車內飾件、風擋玻璃等發生撞擊，腿部沖擊力出現峰值，右側為2.9KN，左側為2.3KN。在上述過程中，乘員大腿所受軸向力的最大值為4.8KN，低于法規規定的10KN。

4、乘員損傷評價

頭部加速度、頭部損傷值HIC、頸部受力、胸部壓縮量及大腿所受的軸向力皆為乘員損傷程度評價的單一指標。為了對乘員的損傷情況進行總體的評價，可以通過設立加權因子的方法，對單一的傷害指標進行綜合評價，得到正則化傷害評估值WIC（Weight Injury Critrion），通過式（1）計算得到，其中，計算得到的WIC值要求小于1，且越低，則乘員的所受的損傷程度越輕[6]。

式中HIC36為36ms頭部損傷值；Ccomp6為胸部壓縮量，單位為m；Fl、Fr分別為左腿和右腿的軸向沖擊力，單位為KN。

在本文中，乘員乘員的各部位損傷結果由上一節可知：HIC36=493.4，Ccomp=0.026m ，Fl=3.4KN ，Fr=4.8KN ，將其代入式（1）計算得到WIC=0.418，其值小于1，說明乘員在安全帶的約束作用下得到了一定的保護，沒有受到致命性的傷害。

5、結論

本文根據實驗平臺車試驗方法進行動態的仿真運算，試驗車輛為轎車，乘員所在位置為副駕駛側，滿足試驗條件最惡劣的仿真原則。得出乘員在車輛翻滾碰撞過程中的運動狀態以及乘員各主要部位的傷害值并根據仿真結果對乘員的損傷機理進行分析得出結論。乘員的頭部加速度、胸部壓縮量以及大腿所受的軸向力皆在法規要求的標準范圍內，說明安全帶對乘員起到了一定的保護作用。但是，乘員頸部受力并不滿足法規要求，主要因為安全帶并不能夠對乘員的頭部及頸部起到相應的約束作用，安全帶的保護作用還不夠全面，仍需要其他的防護裝置，如可根據各主要部位的損傷情況，在不同部位增設安全氣囊等，為乘員提供更為全面的保護。

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Research on Occupant Injury of A Car Rollover Crash

Yu Qian, Jin Yu, Yu Muhan, Zhang Sijia
（Dalian Equipment Manufacturing College, Liaoning Dalian 116110）

This article researches on occupant injury in a car rollover crash by computer simulation. Establishes a finite element model of the vehicle and a domestic car by HyperMesh.The dummy in this article comes from VPG(virtual practice ground), the non-commercial deformable 50%.LS-DYNA is explicit finite analysis software, it calculates the crash model, gets motion state of the vehicle and occupant during rollover crash; extracts the major parts of occupant injury values, analyzes the reasons for occupant injury, provides the basis for the occupant protection.

LS-DYNA; rollover impact; occupant injury

U462.2

A

1671-7988(2016)10-125-04

于倩（1989.10-），女，助教，碩士，就職于大連裝備制造職業技術學院汽車工程系，研究方向：車輛CAD/CAM/CAE。