汽車小偏置正面碰撞對駕駛員小腿傷害的分析

丁成 陳偉剛

（北京汽車股份有限公司研究院）

隨著汽車保有量的不斷增加，交通事故呈現逐步增長趨勢，消費者對汽車安全性能更加關注。在汽車碰撞過程中，正面碰撞是汽車發生碰撞事故的主要形式。其中小偏置正面碰撞約占正面碰撞死亡事故的1/5[1]。因此，美國公路安全保險協會（IIHS）于2012-08正式頒布了汽車小偏置正面碰撞的試驗規范和評估標準[2]，根據IIHS制定的標準進行小偏置碰撞試驗過程中，發現通常駕駛員左側小腿在碰撞過程中損傷嚴重，是主要失分項。為此，文章根據汽車小偏置碰撞試驗的特點及約束系統匹配原則，對汽車小偏置碰撞中駕駛員小腿傷害情況進行分析，優化小腿得分，提出相應的解決方法。

1 小偏置碰撞試驗規范[3]

IIHS定義的小偏置正面碰撞試驗工況，如圖1所示。被測試車以64 km/h的初始速度正面撞擊特制的小偏置剛體壁障，車體前部與壁障重疊部分為車體寬度的25%。其中，特制的小偏置剛體壁障與車體接觸處有一個半徑為150 mm的倒角，同時該壁障需要被固定在一個巨大的剛體墻上。

圖1 美國公路安全保險協會(IIHS)定義的小偏置正面碰撞試驗工況示意圖

2 假人小腿評價指標和傷害機理

根據IIHS制定的小偏置正面碰撞的評估標準[4]，小腿的評價指標有Mx（小腿繞X軸的彎矩）、My（小腿繞Y軸的彎矩）及Fz（小腿軸向壓縮力）。

碰撞假人與真人的人體生物特性吻合程度直接影響正確評價汽車對乘員的保護能力[5]。目前在汽車安全碰撞過程中所使用的HybridⅢ50百分位試驗假人能夠很好地滿足人體力學結構的相關性能，保證了在碰撞過程中能夠準確地預測身體各部位的傷害程度[6]。小腿骨上下兩端分別安裝有傳感器，用于采集小腿在碰撞過程中的上下脛骨所受Mx，My及Fz的情況。圖2示出HybridⅢ50百分位假人小腿結構示意圖。

圖2 HybridⅢ50百分位假人小腿結構示意圖

3 LSDYNA仿真模型的建立

文章基于LSDYNA建立的有限元模型，比以往的MADYMO模型對小腿的仿真傷害精度更高。該模型采用SUB-MODEL建模方法，使用LSDYNA中的關鍵字interface_component_node提取所需要的點（防火墻、油門踏板、玻璃、護膝板橫梁、座椅及安全帶固定點等所有與假人運動相關點）的運動信息，并設置為點集合（Nodes Set），然后將這些點的運動信息輸入給子模型，作為其運動的邊界條件。該方法的優點是節省計算時間。最后通過調整模型參數，將仿真模型與試驗假人傷害曲線對標，保證該模型進行仿真優化分析的準確性。圖3示出LSDYNA有限元模型。

圖3 汽車小偏置正面碰撞LSDYNA有限元模型圖

4 小腿得分影響因素分析

為了提高小腿得分，降低小腿傷害程度，對小腿傷害有影響的外界因素逐一進行分析。

4.1 護膝板造型的影響

護膝板造型與假人腿部接觸表面要求盡量平直，否則會對小腿產生較大的傷害，圖4示出某車型護膝板與小腿截面圖。從圖4中可以看出，該造型面對小腿上脛骨有硬點沖擊影響，是導致小腿上脛骨Fz和My增大的原因之一，因此對護膝板造型沿黑色線所示位置進行修改，保證小腿與護膝板平滑面接觸，降低小腿上脛骨的碰撞傷害。文章優化出2種改進方案，以便后續進行組合優化分析。

圖4 某車型護膝板與小腿截面示意圖

4.2 安全帶限力的影響分析

在假人小腿傷害分析過程中發現，如果能夠很好地限制乘員向前移動的位移，就可以很好地解決小腿傷害的問題，這需要對乘員的安全帶限力等級進行調整，但從模擬仿真結果顯示（表1）可以看出，隨著安全帶限力等級的提高，假人胸部壓縮量將在一定程度上增加，過高的限力等級會導致假人胸部壓縮量直接超標10分，根據該車型初步選定2.5 kN和3 kN 2種安全帶限力與后續因素進行組合優化分析。

表1 汽車25%小偏置碰撞假人傷害參數表

4.3 歇腳板角度對小腿的影響

駕駛員左腳放在歇腳板上，歇腳板的角度直接影響在碰撞過程中左小腿受到My的情況，目前該車型歇腳板與水平面成60°，如圖5所示。根據該車前地板造型情況，對歇腳板角度進行65，60，55，50°4個角度的優化分析，在仿真模型中對駕駛員側歇腳板進行角度變化模擬分析，評估歇腳板角度在小偏置碰撞過程中對小腿脛骨指數的影響。

圖5 歇腳板角度結構示意圖

4.4 護膝板內部結構的影響分析

在進行小偏置碰撞仿真動畫中發現，在碰撞運動過程中，駕駛員向左偏轉特別嚴重，導致左小腿直接碰撞到護膝板的最左側邊緣，護膝板左側邊緣內部是剛性的橫梁支撐架結構，碰撞直接造成護膝板與左小腿發生剛性接觸，導致小腿傷害，因此需要對護膝板內部的支撐結構進行優化，圖6示出護膝板內部結構示意圖。文章所采取的措施是對護膝板內部支架藍色件進行材料厚度的優化，經過和內飾設計人員的溝通，該支架材料厚度最低要求是保證護膝板護板支撐強度的要求，且如果支架厚度太薄，對小腿無法起到支撐作用，也會導致假人前移量過多，造成胸部傷害值增大。目前，該支架材料厚度為 1.8 mm，因此對 1.8，1.6，1.4，1.2 mm 4個厚度進行仿真優化，評估其對小腿的影響。

圖6 護膝板內部結構示意圖

5 小腿仿真優化分析及試驗驗證

根據以上對小腿傷害因素的分析，進而對影響小腿傷害因素進行組合分析。影響小腿傷害的因素匯總，如表2所示。

表2 影響小腿傷害因素匯總表

通過對影響因素進行排列組合共64個方案的優化分析，發現方案14效果最優，即采用護膝板造型1，安全帶限力等級為3.0 kN，歇腳板角度為55°，支架厚度為1.4 mm的參數組合。優化方案14與基礎模型的左小腿傷害曲線對比圖，如圖7所示。從圖7可以看出，方案14對左小腿的傷害指標有明顯的改善，且對大腿和胸部等其他部位傷害情況影響不大，因此采用方案14進行試驗驗證。試驗結果顯示，小腿傷害得到了明顯改善，達到了預期的開發目標。

圖7 優化方案14與基礎模型左小腿傷害曲線對比圖

6 結論

文章針對64 km/h的小偏置正面碰撞中小腿損傷嚴重的情況，分別從護膝板造型、安全帶限力等級、歇腳板角度及護膝板護板內部結構等因素進行分析，通過建立LSDYNA有限元仿真模型，對以上因素進行仿真優化，降低了小腿的傷害情況，使小腿得分得到了改善。文章為降低小腿傷害提供了影響因素的優化方向，對以后的建模仿真優化有一定的指導意義。