某車型正面碰撞乘員膝部滑移傷害研究

劉 偉，冉 丹，李 莉，王元博 Liu Wei，Ran Dan，Li Li，Wang Yuanbo

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某車型正面碰撞乘員膝部滑移傷害研究

劉 偉，冉 丹，李 莉，王元博 Liu Wei，Ran Dan，Li Li，Wang Yuanbo

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

針對某車型正碰前排乘員側(cè)假人膝部滑移量過高問題，基于有限元法建立正碰約束系統(tǒng)仿真模型，并通過試驗結(jié)果對模型進(jìn)行校正。通過對假人腿部運動及受力情況進(jìn)行分析，引入“乘員腳部止動塊”結(jié)構(gòu)，降低假人膝部滑移量。分析和試驗結(jié)果表明，“腳部止動塊”可以有效降低特定原因引起的膝部滑移量過高問題。

正面碰撞；約束系統(tǒng)分析；假人膝部滑移；腳部止動塊

0 引 言

汽車碰撞安全性能作為當(dāng)今汽車工程領(lǐng)域的研究熱點，得到了消費者、汽車主機(jī)廠、相關(guān)政府部門的高度重視。汽車發(fā)生碰撞事故后，不僅給車輛本身造成損壞，更重要的是會造成乘員受傷，甚至死亡。在汽車發(fā)生碰撞事故時，車內(nèi)人員下肢損傷發(fā)生頻率僅次于頭部[1]。雖然不是導(dǎo)致死亡的主要原因，但由于發(fā)生率高，治療困難，且下肢截肢比例高，會導(dǎo)致永久性致殘，給社會帶來巨大負(fù)擔(dān)。為了減少在碰撞事故中乘員受到韌帶斷裂、下肢癱瘓等嚴(yán)重傷害，各國汽車法規(guī)和新車評價規(guī)程（New Car Assessment Program，NCAP）都設(shè)定了評估假人大腿損傷程度的指標(biāo)[2]。在中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）正面碰撞和正面偏置碰撞工況中，假人大腿傷害評價指標(biāo)包括大腿壓縮力和膝蓋滑移量，其中膝蓋滑移量主要用來判斷車輛在發(fā)生碰撞事故時對乘員膝蓋部位的保護(hù)效果[3]。

某車型C-NCAP正面碰撞試驗工況中，前排乘員側(cè)假人左、右膝部滑移量分別為7 mm和11 mm，超出評估體系中該部位高性能6 mm限值；左、右腿的大腿力峰值分別為5.1 kN和4.1 kN，造成失分。此問題不僅影響該車型在C-NCAP評價規(guī)程中的得分，而且增加車型量產(chǎn)后客戶在交通事故中腿部受傷的風(fēng)險，因此需要找到有效方案將問題解決。在實車試驗中，高速攝像機(jī)無法直接記錄試驗過程中假人腿部的運動情況以及腿部與汽車內(nèi)飾接觸情況，這對查找膝部滑移過大的原因造成困難。隨著CAE建模技術(shù)以及高性能并行計算硬件資源的不斷提升，有限元分析法已經(jīng)成為汽車碰撞安全性能開發(fā)過程中一個不可或缺的工具，尤其在試驗問題查找和觖決方案初步驗證方面，采用有限元法可以節(jié)省大量時間、成本。

針對試驗中出現(xiàn)的問題，基于有限元法建立正面碰撞約束系統(tǒng)分析模型，并使用LS-DYNA求解器進(jìn)行求解。對假人腿部運動及受力情況進(jìn)行分析，結(jié)合50百分位混合Ⅲ型假人膝部結(jié)構(gòu)特點，找出膝部滑移過高的原因，并引入腳部止動塊設(shè)計方案，不僅有效解決試驗中假人膝部滑移過高的問題，同時為解決汽車正面碰撞中假人腿部傷害問題提供了新的思路。

1 有限元模型建立與對標(biāo)

1.1 建立約束系統(tǒng)有限元模型

乘員約束系統(tǒng)主要由安全帶、安全氣囊、儀表板、座椅、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等組成，其中安全帶和安全氣囊的主要作用是約束車內(nèi)乘員的運動，使人體避免與駕駛室內(nèi)飾件發(fā)生二次碰撞；優(yōu)化座椅、吸能式轉(zhuǎn)向管柱、儀表板、內(nèi)飾組件等的目的是當(dāng)人體各部位與之發(fā)生二次碰撞時，能夠最大限度降低人體所受到的傷害。

使用Hypermesh前處理軟件建立約束系統(tǒng)有限元模型，如圖1所示。為減少模型計算時間，車身截取前排乘員所在的A柱至B柱之間的部分，并在乘員腳部與地板接觸區(qū)域建立地毯模型，同時為模擬乘員側(cè)氣囊真實展開狀態(tài)，建立前風(fēng)擋模型，并簡化車頂區(qū)域。

圖1 約束系統(tǒng)有限元模型

前排座椅采用細(xì)化單元建立骨架、座墊，使用預(yù)壓緊方法下壓座墊泡沫至與假人貼合，以確保假人的運動姿態(tài)與試驗一致。座墊泡沫材料使用LS-DYNA中的*MAT_LOW_DENSITY_ FOAM材料模型。為防止計算過程中泡沫體單元出現(xiàn)負(fù)體積，在座墊單元表層包裹空殼單元。安全帶采用1D SEATBELT單元與2D殼單元相結(jié)和的方式，與假人接觸的部分使用2D殼單元，其余部分使用1D SEATBELT單元。安全氣囊選用LS-DYNA氣囊模型中的WANG_NEFSKE類型，使用膜單元建立，氣體發(fā)生器參數(shù)根據(jù)試驗參數(shù)設(shè)定，點火時間為16 ms。

假人模型使用LSTC公司“Hybrid Ⅲ 50th Percentile Male”，將假人按照試驗位置進(jìn)行擺放。假人膝蓋滑移是研究重點，參照試驗物理假人腿部結(jié)構(gòu)對有限元假人進(jìn)行修正，增加膝部前向滑移限位結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 膝部前向滑移限位結(jié)構(gòu)

根據(jù)C-NCAP正面碰撞試驗規(guī)則設(shè)置模型邊界條件，車體和假人初始速度為50 km/h，同時為車體加載與碰撞試驗等同的減速度。

1.2 有限元模型對標(biāo)

為確保所建立有限元模型的準(zhǔn)確性以及優(yōu)化結(jié)果的可信性，將有限元模型與試驗結(jié)果進(jìn)行對標(biāo)。對標(biāo)內(nèi)容主要包括：（1）前排乘員側(cè)假人骨盆加速度；（2）前排乘員側(cè)假人安全帶肩帶力與腹帶力；（3）前排乘員側(cè)假人左、右膝部位移；（4）前排乘員側(cè)假人左、右大腿力。具體見表1。

表1 有限元模型調(diào)整內(nèi)容與試驗對標(biāo)項目

對比有限元分析結(jié)果與實車碰撞試驗結(jié)果，對有限元模型進(jìn)行細(xì)化。調(diào)整安全帶與假人胸部、腹部的相對位置，使其與試驗狀態(tài)一致；調(diào)整假人腿部、腳部姿態(tài)，使其與試驗狀態(tài)一致。由于手套箱、儀表板下護(hù)板在碰撞過程中與假人膝蓋、小腿發(fā)生接觸，其材料參數(shù)直接影響假人腿部傷害。因此，進(jìn)行手套箱與儀表板下護(hù)板材料拉伸試驗，將試驗結(jié)果作為有限元模型材料參數(shù)，提高模型精度。

通過上述對標(biāo)工作，得到最終調(diào)整后的有限元模型計算結(jié)果。如圖3、4所示，對標(biāo)后假人骨盆向、向加速度曲線與實車碰撞試驗測量數(shù)據(jù)基本吻合；安全帶肩帶力、腹帶力加載過程、峰值與試驗測量值一致。表明在有限元模型中，假人軀干的運動情況與試驗過程接近。

圖3 骨盆加速度與試驗對比曲線

圖4 安全帶拉力與試驗對比曲線

如圖5、6所示，對標(biāo)后，前排乘員左膝部滑移曲線與試驗結(jié)果相近，右膝部滑移曲線比試驗結(jié)果略窄，但峰值與試驗曲線接近。如圖7所示，假人左、右大腿力波形與試驗結(jié)果相似，表明假人腿部運動以及與假人腿部接觸區(qū)域的零部件剛度均與實車試驗相當(dāng)，由此可以確定對標(biāo)后有限元模型的準(zhǔn)確性與可信性。

圖5 乘員假人左膝部滑移與試驗對比曲線

圖6 乘員假人右膝部滑移與試驗對比曲線

圖7 乘員假人左、右大腿力與試驗對比曲線

2 假人膝部滑移失分原因分析

2.1 假人膝部滑移產(chǎn)生的機(jī)理及影響因素

2.1.1 假人膝部滑移產(chǎn)生的機(jī)理

正面碰撞試驗采用Hybrid Ⅲ 50百分位男性假人。大腿的傷害包括膝蓋滑移量和大腿壓縮力兩項指標(biāo)，通過位移傳感器和力傳感器測量。當(dāng)小腿受到外力作用時，大腿相對于小腿產(chǎn)生相對滑動，膝部位移滑塊運動帶動拉線傳感器運動，拉線的拉出長度表征膝蓋位移，拉出越長，假人膝蓋的傷害值越大。

2.1.2 影響假人膝部滑移的因素分析

對假人膝部滑移產(chǎn)生機(jī)理分析可知，可能影響假人膝部受力的因素很多，包括：儀表板造型、膝部與儀表板沖擊接觸區(qū)域的剛度、約束系統(tǒng)配置、座椅強(qiáng)度、假人位置與坐姿、車身加速度等，而與假人腿部接觸的區(qū)域主要是儀表板[4]。在正面碰撞試驗中，假人大腿的傷害主要來自于假人膝部撞擊手套箱、小腿撞擊儀表板下護(hù)板產(chǎn)生的大腿壓縮力和膝蓋滑移量。碰撞過程中，假人腿部與儀表板的接觸位置直接影響膝蓋的滑移量：若假人膝部先與儀表板接觸，大腿壓縮力一般較高，膝部滑移量較低；若假人小腿先與儀表板接觸，膝蓋滑移量一般會超標(biāo)[5]。

2.2 某車型正面碰撞假人膝部失分原因分析

為確定某車型正面碰撞假人膝部失分原因，在有限元模型分析結(jié)果動畫中觀察前排乘員腿部與儀表板手套箱、下護(hù)板的接觸情況。在碰撞過程中，車身做減速運動，假人胸、腹部因受安全帶約束隨車身減速，而假人小腿由于慣性向前運動。由某車型儀表板造型截面可以看出，該車儀表板下護(hù)板內(nèi)布置了空調(diào)箱，為適應(yīng)空調(diào)箱尺寸，下護(hù)板向外部凸出，且其拐角處沿空調(diào)箱形狀產(chǎn)生棱角，如圖8所示。

圖8 某車型儀表板造型特征及布置

由于下護(hù)板的凸出設(shè)計，當(dāng)假人腿部與儀表板接觸時，假人膝蓋與小腿幾乎同時與儀表板的手套箱和下護(hù)板發(fā)生接觸。此時，假人大腿受到手套箱的撞擊力手阻止假人大腿繼續(xù)向前運動，小腿中間位置受到下護(hù)板的撞擊力護(hù)以及地板對腳部的支撐力地方向相反，使小腿與大腿之間產(chǎn)生明顯的剪切效果，從而造成膝部滑移過大，如圖9所示。

圖9 原方案假人腿部受力

通過以上分析，可以確定某車型正碰乘員側(cè)假人膝部失分的主要原因為假人小腿與下護(hù)板撞擊力過大，使小腿與大腿之間產(chǎn)生較大的剪切力矩。因此，解決問題的方法可以分為兩種：

1）減小假人小腿與下護(hù)板撞擊強(qiáng)度，從而降低護(hù)；

2）改變護(hù)的受力位置，降低護(hù)對膝部滑移塊的力矩。

3 假人膝部滑移傷害優(yōu)化分析

3.1 腳部止動塊方案設(shè)計

根據(jù)上文對假人腿部的受力分析，若改變假人小腿受到下護(hù)板撞擊力護(hù)的位置，將其下移至假人腳部，則小腿與大腿的運動趨勢會由“剪切”變?yōu)椤靶D(zhuǎn)”，膝部位移滑塊受到的剪切力減小，膝部滑移量會隨之降低。因此，在車身前圍板適當(dāng)位置增加腳部止動塊，碰撞過程中，當(dāng)假人腳部向前運動時與腳部止動塊發(fā)生接觸，產(chǎn)生接觸力止。止阻止小腿繼續(xù)向前運動，減小或消除小腿與下護(hù)板的撞擊力護(hù)。與此同時，止使小腿與大腿之間形成繞膝部轉(zhuǎn)動的運動，從而降低假人膝部滑移傷害，如圖10所示。

圖10 增加止動塊后假人腿部受力

3.2 腳部止動塊方案驗證

3.2.1 腳部止動塊方案有限元分析驗證

約束系統(tǒng)分析模型增加腳部止動塊后進(jìn)行計算，對比兩次計算結(jié)果中假人腿部的運動情況。如圖11所示，在增加止動塊的模型中，假人腳尖踢到止動塊，使小腿并未與儀表板下護(hù)板發(fā)生強(qiáng)烈撞擊，小腿相對大腿繞膝部轉(zhuǎn)動，并撬動大腿向上運動，減輕大腿與手套箱的撞擊力。

圖11 假人腿部運動對比

增加止動塊后，乘員側(cè)假人左腿膝部滑移量減小至0.5 mm，右腿膝部滑移量減小至3.77 mm，均低于C-NCAP評價體系中該部位高性能6 mm限值。另外，由于腳部向前運動受到止動塊限制，假人小腿與大腿之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)動趨勢，撬動大腿向上運動，大腿與手套箱之間的撞擊力隨之降低。因此，增加止動塊后左、右大腿壓縮力分別降至1.56 kN和0.68 kN。

3.2.2 腳部止動塊方案實車試驗驗證

為驗證腳部止動塊方案有效性，在某車型OTS樣車上安裝手工制作的止動塊進(jìn)行C-NCAP正面碰撞試驗，試驗結(jié)果顯示，假人左、右腿膝部滑移量分別為0.84 mm和0.98 mm，左、右大腿壓縮力峰值分別為1.27 kN和2.16 kN，均低于C-NCAP評價體系中該部位高性能限值，乘員側(cè)假人大腿得分為滿分。

4 結(jié)束語

通過有限元法對某車型正面碰撞中前排乘員側(cè)假人膝部滑移失分問題進(jìn)行分析，找出膝部滑移失分問題原因，并利用腳部止動塊結(jié)構(gòu)改變假人腿部受力來解決問題，最終通過實車試驗驗證方案的有效性。通過研究可以得出：

1）汽車儀表板造型，尤其是手套箱和下護(hù)板等部位在碰撞時會直接影響乘員腿部傷害，因此，在造型設(shè)計階段，應(yīng)盡量將下護(hù)板作圓滑處理，避免局部凸出和棱角，且膝部距儀表板距離應(yīng)小于小腿距儀表板距離；

2）因儀表板造型造成乘員膝部滑移傷害較高時，可以嘗試使用腳部止動塊結(jié)構(gòu)減輕小腿與下護(hù)板撞擊強(qiáng)度，從而降低膝部滑移傷害。

[1]Dan Pattimore，Edmund Ward，Pete Thomas，et al. The Nature and Cause of Lower Limb Injuries in Car Crashes[C]//Stapp Car Crash Conference，35th，1991，San Diego，California，USA，1991.

[2]Morgan RM，Eppinger R H，Hennessey BC. Ankle Joint Injury Mechanism for Adults in Frontal Automotive Impact[C]//Stapp Car Crash Conference，35th，1991，San Diego，California，USA，1991.

[3]潘如楊，張海洋，盧冬梅，等. 小膝部空間車型駕駛員膝部傷害及優(yōu)化[J]. 汽車工程師，2015（3）：23-26.

[4]楊笠，顧玉龍. 正面偏置碰撞中降低假人膝蓋滑動位移的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2014（4）：367-370.

[5]劉珍海. 正面碰撞中假人大腿的傷害[J]. 汽車工程師，2012（10）：39-43.

2017-10-10

U461.91

A

1002-4581（2018）01-0012-05

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.01.004