基于某車(chē)型正面碰撞假人小腿傷害研究

黃 杰，費(fèi) 敬，趙清江，郭怡暉，史愛(ài)民

(1.汽車(chē)噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 401122； 2.中國(guó)汽車(chē)工程研究院， 重慶 401122)

隨著安全技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車(chē)被動(dòng)安全性能越來(lái)越被消費(fèi)者所重視，目前我國(guó)安全技術(shù)水平取得了很大的進(jìn)步和發(fā)展[1]，特別是安全氣囊、安全帶等安全配置的應(yīng)用，在正面碰撞中對(duì)車(chē)內(nèi)乘員的頭部和胸部有著很好的保護(hù)效果[2-3]。相比之下，如何減少小腿傷害就顯得尤為突出。小腿傷害雖然很少直接危及生命，但在實(shí)際事故中乘員下肢損傷普遍存在，其中小腿傷害是交通事故中導(dǎo)致乘員下肢殘廢的主要原因之一[4-5]，給受傷者生活帶來(lái)極大的不便。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在C-NCAP的100%正面碰撞試驗(yàn)中，小腿得分為滿(mǎn)分的不足1%，而低于1.4分的則接近50%[6]。因此，進(jìn)行小腿傷害研究十分必要。目前已有不少學(xué)者對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中小腿的傷害特性和影響因素進(jìn)行了相關(guān)分析和研究[7-8]。本文基于某車(chē)型，采用madymo軟件建立駕駛員側(cè)正面碰撞仿真模型進(jìn)行小腿傷害研究，從安全帶限力等級(jí)、歇腳板傾角大小、預(yù)緊器的不同類(lèi)型3個(gè)方面的影響對(duì)小腿傷害進(jìn)行分析研究。

1 腿部損傷機(jī)理與評(píng)價(jià)指標(biāo)

小腿損傷是人體在沖擊環(huán)境下常見(jiàn)的損傷，易形成骨折、扭傷、韌帶受損、撕裂等機(jī)械性損傷，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致終身殘疾。由于垂直于小腿骨方向的受力以及作用于小腿上下部位的扭矩作用是分別導(dǎo)致小腿骨骨折和腳踝以及膝關(guān)節(jié)受傷的重要原因，因此，在試驗(yàn)中采用軸向載荷力、扭矩作為評(píng)價(jià)參數(shù)。

在C-NCAP中，小腿損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)包括小腿壓縮力和小腿性能指標(biāo)，且都有其高低性能指標(biāo)[9]，具體見(jiàn)表1。

表1 小腿傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)高性能值低性能值小腿壓縮力Fz/kN 28小腿性能指標(biāo)TI0.41.3

小腿軸向力可由試驗(yàn)過(guò)程中沿各自腿部軸向傳遞的壓縮力直接測(cè)得，而性能指標(biāo)則需要根據(jù)公式(1)計(jì)算得出：

TI=MRMCR+FZFCZ

(1)

式中：FC為Z向臨界壓縮力；MR為合成彎矩；MC為臨界彎矩。在正面碰撞實(shí)驗(yàn)中， (FC)Z和(MC)R的取值分別為35.9 kN和225 N·m。合成彎矩(MR)的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：MX和MY分別為小腿繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)矩(N·m)，可由假人身上的傳感器直接測(cè)得。

2 仿真建模與驗(yàn)證

基于某車(chē)型試驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)標(biāo)后的整車(chē)有限元碰撞模型，利用madymo軟件建立約束系統(tǒng)模型以具體研究小腿傷害影響因素。通過(guò)該車(chē)型有限元數(shù)模確定約束系統(tǒng)模塊相對(duì)位置，如圖1所示；安全帶配置參數(shù)及氣囊模型均由供應(yīng)商提供；考慮到前圍板與地板對(duì)小腿傷害起著至關(guān)重要的作用[10]，為精確模擬小腿的運(yùn)動(dòng)，采用PSM方法提取前圍板和地板的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)信息作為約束系統(tǒng)模型輸入；根據(jù)試驗(yàn)時(shí)測(cè)量的H點(diǎn)和試驗(yàn)照片等信息確定試驗(yàn)前假人的位置和姿勢(shì)；試驗(yàn)中測(cè)得的B柱下端加速度作為假模型輸入脈沖并添加重力加速度[11]，設(shè)置輸出以完成建模，如圖2所示。

圖1 有限元數(shù)模

圖2 madymo乘員約束系統(tǒng)模型

通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)情況下假人小腿彎矩MX相對(duì)較小(如未發(fā)生崴腳現(xiàn)象)[12]，而小腿X向轉(zhuǎn)矩與小腿擺放位置、前圍侵入和變形形式等不定因素有關(guān)，同時(shí)假人上體對(duì)下肢體動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響很小，因此主要從安全帶力、骨盆加速度、大腿和小腿軸向力、小腿Y向彎矩等評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)標(biāo)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)曲線

根據(jù)圖3可知，仿真曲線的走勢(shì)、峰值及其出現(xiàn)的時(shí)刻與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，因此，該仿真模型可作為基礎(chǔ)模型進(jìn)行后期分析。

3 小腿傷害分析

本文從安全帶限力等級(jí)、歇腳板傾角、預(yù)緊器3個(gè)方向進(jìn)行小腿傷害分析。該車(chē)型的駕駛員左側(cè)小腿壓縮力為雙波峰曲線，第一個(gè)波峰是由于小腿慣性向前運(yùn)動(dòng)而受到歇腳板的阻礙所導(dǎo)致，第二個(gè)波峰是由于膝蓋與護(hù)膝板或轉(zhuǎn)向管柱護(hù)套接觸而造成的。因此，對(duì)于左側(cè)小腿，其壓縮力曲線的第一、二峰值主要影響因素分別為歇腳板傾角和安全帶限力等級(jí)。

3.1 安全帶限力對(duì)小腿傷害的影響

汽車(chē)碰撞過(guò)程中，乘員因慣性向前移動(dòng)，安全帶就相當(dāng)于一個(gè)彈簧-阻尼單元直接作用于乘員胸部和骨盆部位，一方面約束乘員限制其向前運(yùn)動(dòng)，另一方面緩沖并吸收乘員的能量，從而有效避免乘員與內(nèi)飾發(fā)生碰撞。如圖4所示，在乘員向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，安全帶將會(huì)對(duì)骨盆產(chǎn)生約束力，大腿則受到骨盆向后的拉力，從而減小大腿向前運(yùn)動(dòng)量，降低膝蓋與儀表內(nèi)飾的沖擊程度；同時(shí)大腿的運(yùn)動(dòng)受到約束，也將在一定程度上影響小腿的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而影響小腿傷害。

圖4 安全帶對(duì)腿部約束示意圖

采用不同限力等級(jí)分析安全帶對(duì)小腿傷害的影響見(jiàn)表2，試驗(yàn)中安全帶配置為預(yù)緊式安全帶，其肩帶力為4 kN。

根據(jù)表2分析可以發(fā)現(xiàn)：增大安全帶限力等級(jí)，左右小腿傷害均有所降低(右側(cè)效果更加明顯)，這是由于安全帶通過(guò)大腿間接約束小腿，增大限力等級(jí)則提高了安全帶對(duì)小腿的約束，降低小腿與護(hù)膝板的沖擊，從而降低小腿傷害。但隨著限力等級(jí)的增大，安全帶對(duì)大腿約束作用更好，小腿由于一端處于自由狀態(tài)在慣性力作用將與大腿相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生“甩腳現(xiàn)象”，安全帶限力等級(jí)越大，甩腳現(xiàn)象越明顯，反而不利于小腿保護(hù)，故表2中5 kN和6 kN限力條件下小腿傷害有增大趨勢(shì)。

表2 不同安全帶限力等級(jí)下小腿傷害對(duì)比

3.2 歇腳板傾角對(duì)腿部傷害的影響

在假人動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中，小腿相對(duì)歇腳板有向前的加速度a，根據(jù)牛頓第二定律可知小腿將產(chǎn)生水平向前的慣性力F，該力可分解為垂直歇腳板向下的力FN′和水平于歇腳板的力Fc′，如圖5所示，相應(yīng)地，歇腳板對(duì)腳底產(chǎn)生支撐力FN和摩擦力Fc，則有：

F=ma

(4)

Fc′=Fcosα

(5)

FN=FN′=Fsinα

(6)

當(dāng)Fc′大于歇腳板最大靜摩擦力時(shí)，則：

Fc=μFN

(7)

此時(shí)腳部會(huì)相對(duì)歇腳板向前運(yùn)動(dòng)，但隨著歇腳板角度的增大，F(xiàn)N、FN′、Fc都隨之增大，而Fc′則會(huì)減小。

當(dāng)Fc′小于歇腳板最大靜摩擦力時(shí)，則：

Fc=Fc′

(8)

此時(shí)歇腳板將阻礙腳底向前運(yùn)動(dòng)，影響小腿向前運(yùn)動(dòng)量，從而影響碰撞過(guò)程中腿部動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

本文在滿(mǎn)足人機(jī)工程的條件下研究了不同歇腳板傾角對(duì)小腿損傷的影響，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6可知，隨著歇腳板傾角的增大，駕駛員左側(cè)小腿力呈遞減趨勢(shì)，而Y向轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)也呈遞減趨勢(shì)。因此，總體來(lái)說(shuō)增大歇腳板傾角可在一定程度上降低駕駛員左側(cè)小腿的軸向力和Y向轉(zhuǎn)矩，從而降低小腿傷害。

圖5 歇腳板受力示意圖

圖6 歇腳板傾角對(duì)小腿力的影響

圖7 歇腳板傾角對(duì)小腿Y向彎矩的影響

3.3 預(yù)緊器對(duì)小腿傷害影響

預(yù)緊器的作用是在碰撞發(fā)生初期消除安全帶松弛量，在仿真中的表現(xiàn)就是在碰撞初期安全帶織帶有個(gè)收緊的過(guò)程。預(yù)緊器裝置能夠被安裝在安全帶的任何一端(卷收器、帶扣、錨點(diǎn))，目前市場(chǎng)上常用的有卷收器預(yù)緊器、帶扣預(yù)緊器、卷收器與帶扣預(yù)緊結(jié)合的雙級(jí)預(yù)緊器這3種產(chǎn)品[13]，其中卷收器預(yù)緊器是最常用的預(yù)緊安全帶類(lèi)型。

預(yù)緊器作用時(shí)間較短，且在假人相對(duì)車(chē)體運(yùn)動(dòng)初期起作用，但會(huì)影響假人整個(gè)碰撞過(guò)程的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，故從整個(gè)碰撞過(guò)程來(lái)分析預(yù)緊器對(duì)假人小腿的影響效果。不同預(yù)緊配置下小腿傷害仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同預(yù)緊配置下小腿傷害對(duì)比

根據(jù)表3分析可知，在預(yù)緊器的作用下，左右兩側(cè)小腿壓縮量和Y向彎矩都明顯降低。3種預(yù)緊器中，雙預(yù)緊對(duì)小腿的保護(hù)效果最好，其次是鎖扣預(yù)緊，最后是卷收器預(yù)緊。這是由于鎖扣預(yù)緊一端直接作用于腰帶，故相對(duì)于卷收器預(yù)緊能更好地約束腿部的運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)小腿有更好的保護(hù)作用；而雙預(yù)緊是卷收器預(yù)緊和鎖扣預(yù)緊的結(jié)合體，可以更好地消除安全帶間隙，從而對(duì)假人有很好的約束和保護(hù)作用。

4 結(jié)論

通過(guò)madymo仿真軟件建立某車(chē)型約束系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)仿真模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，然后從安全帶限力等級(jí)、歇腳板傾角、預(yù)緊器的不同類(lèi)型3方面對(duì)小腿傷害進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1) 在一定程度上增大限力等級(jí)可以降低小腿傷害，但限力等級(jí)過(guò)大，甩腿現(xiàn)象越明顯，反而不利于小腿保護(hù)；

2) 隨著歇腳板傾角的增大，駕駛員左側(cè)小腿壓縮力呈遞減趨勢(shì)，而Y向轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)也呈遞減趨勢(shì)；

3) 預(yù)緊器對(duì)小腿有不同程度的保護(hù)效果，雙預(yù)緊對(duì)其保護(hù)效果最理想，鎖扣預(yù)緊次之，卷收器預(yù)緊稍差。