正面碰撞中基于中國人體尺寸的假人損傷響應研究?

顏凌波，解文娜，許 偉，曹立波，戴宏亮，張 愷

(1.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 400039； 2.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

前言

汽車碰撞試驗用假人是根據人體尸體的生物力學研究成果而設計的模擬人體結構與力學特性的機械裝置，是評估乘員在碰撞載荷下遭受傷害風險的重要工具[1]。目前，全球應用最廣泛的汽車碰撞假人是混III 50百分位男性假人[2]。該假人已普遍應用于汽車正面碰撞試驗中，但該假人是基于歐美人體尺寸而設計，與我國人體尺寸存在一定的差異[3－4]。這些人體體型的差異，尤其在體質量上的差異會造成不同的乘員損傷響應和約束系統設計目標[5]。而我國汽車碰撞試驗假人研究的滯后也成為我國汽車產業發展的瓶頸之一。因此，在工信部、科技部和中國汽車工程學會指導下，我國在2017年12月專門成立了中國體征碰撞假人工作組。由此可見，中國體征碰撞假人開發符合我國科技興國戰略要求，并受到越來越多的關注。

目前，我國有不少學者針對混III 50百分位男性假人和中國體征碰撞假人進行了各種條件下的試驗性能對比。曹立波和白中浩等人對中國假人模型與混III 50百分位假人模型在正面碰撞中的響應差異研究表明，中國假人模型與混III 50百分位假人模型在車輛正面碰撞中的損傷風險差異很大，開發具有中國人體特征的假人具有重要意義[6－7]。朱寧宇通過分析不同體型假人在正面碰撞中的響應差異得出結論，在一定范圍內，身材越小，損傷風險越大，現有的約束系統不利于保護小個子乘員[5]。張金換等人對比了中美不同百分位多剛體假人模型在正面碰撞中的損傷，結果顯示，當正面碰撞速度低于50 km/h時，中國5百分位女性和50百分位男性駕駛員比相應的美國駕駛員損傷風險更高，進行車型開發時需要考慮人體尺寸的差異[8]。

但是，上述研究都是利用MADYMO多剛體假人模型進行的正面碰撞損傷研究，而多剛體動力學模型不如有限元模型能更細致精確地表現物理假人的動態響應。另外，目前汽車的駕駛員約束系統是針對混III假人而設計的，現有約束系統能否很好保護中國人體駕駛員仍不明確，而目前研究更多還是集中在兩種假人對損傷響應的差異，并未針對約束系統參數對假人損傷響應的影響進行深入研究。為此，參照全體段縮放方法，根據中國人體尺寸對混III 50百分位整體假人有限元模型進行縮放得到中國50百分位假人有限元模型，并建立某量產車型的有限元模型，通過仿真詳細對比了兩種假人在汽車正面碰撞中的動態和損傷響應，并探討了安全氣囊參數對兩種假人損傷響應影響的差異。

1 中國與美國人體尺寸差異

通過收集公開的統計數據來獲取中國和美國兩國人體的尺寸數據，并進行對比。

圖1為中國與美國成年人體身高體質量對比數據。其中，中國人體尺寸數據主要來自1988年的中國成年人體尺寸標準和每5年發布一次的國民體質調查報告[3，9－12]。美國人體尺寸數據主要來自NHTSA 報告 DOT-HS-806－715(Schneider，1983)[13]以及1990和2008年發布的全國健康與營養調查報告[14]?？梢钥闯?，無論是男性還是女性，中國人體的身高和體質量均要低于美國人體的身高體質量，雖然從1988－2015年這近30年的時間內，中國人體的身高和體質量都在增加，但是仍舊小于混III 50百分位假人對應的身高體質量。

圖1 中國與美國成年人身高體質量對比散點圖

表1為中國和美國50百分位成年男性人體主要尺寸對比?？梢钥闯?，混III 50百分位男性假人所對應美國50百分位人體的身高體質量分別為1 751 mm和78.2 kg[4]，而我國1988年國標中50百分位男性的身高體質量分別為1 678 mm和59 kg[3]，其中身高與混III假人對應人體尺寸的差異是4.17%，而體質量的差異則達到24.55%。到了2015年，雖然我國人體身高和體質量有所增加，但體質量與混III假人所對應的體質量差異仍達10%。另外可以發現，我國50百分位男性的坐高要略微高于混III 50百分位男性假人對應的成年人體坐高，這與之前對比中國50百分位男性的身高要明顯低于混III假人所對應美國50百分位男性的身高形成鮮明的反差，這就意味著兩國人體在身高上的差距主要集中在下肢上。同時，這個反差也表明雖然隨著時間推移，中國人體的身高和體質量不斷增加，并逐步接近混III 50百分位男性假人所對應人體尺寸的身高體質量，但兩國人體在身體比例等體態上仍有明顯差異，而這個差異可能會對人體在車輛中的坐姿產生重要影響，并可能導致不一樣的動態響應和損傷結果。

表1 中美成年男性人體尺寸對比數據

2 中國人體尺寸特征假人有限元模型建立

中國與美國人體在體型上存在明顯的差異，有必要開發符合中國人體尺寸的碰撞試驗假人，但由于目前中國人體損傷生物力學研究基礎還不夠健全完善，完全從正向設計出發去開發假人模型的基礎相對薄弱。同時，考慮到中國人體與美國人體的主要差別是在體型上，其內部骨骼等解剖結構較為相似。因此，本文中主要在混III 50百分位男性假人有限元模型的基礎上，采用非均一的全體段縮放方法來建立中國人體假人有限元模型，探討假人設計所對應的人體尺寸體型差異對假人動態響應和約束系統設計的影響。該方法主要是將人體分為多個體段，根據人體的尺寸和質量參數來計算各體段幾何形狀和質量的縮放系數，同時利用這些系數進一步確定縮放后假人的標定試驗要求。目前行業內廣泛使用的混III 5百分位女性假人和混III 95百分位男性假人均是采用這個方法縮放而得[15]。因此本文中采用全體段縮放方法縮放混III 50百分位男性假人有限元模型來建立符合中國人體尺寸特征的假人有限元模型是可行的。

全體段縮放方法將人體分為頭、頸、軀干、左右臂、左右手、左右大腿、左右小腿11個體段，然后對各體段分別進行縮放。由于中美人體在各體段的比例不完全一樣，所以各體段的縮放系數也不同，而為獲得更準確的外形尺寸，對于某一個體段，在不同方向上的縮放系數也是不同的?？s放系數則主要包括質量縮放系數Rm和外形尺寸縮放系數λx，λy和λz。通常，為保證縮放后得到的假人模型和原假人模型的質量分布相同，λx和λy基本都是相等的。λx，λy和λz三者的關系則通過質量比例Rm來約束。

表2列出了用于計算縮放系數的中美人體尺寸數值。其中由于我國尚未更新最新的人體尺寸標準，行業內也未有公開的最新中國人體尺寸數據，因此中國50百分位人體尺寸數據還是來自GB/T 10000—1988[3]，美國人體尺寸參數則來自Schneider所統計的美國人體數據[14]，該數據也是混III 50百分位假人設計所對應的美國人體尺寸數據。根據這些數值計算的各體段的縮放系數如表3所示。

表2 中國50百分位假人各體段人體參數數值

縮放后的中國50百分位男性假人(以下簡稱中國假人)有限元模型和混III 50百分位男性假人(以下簡稱混III假人)有限元模型對比如圖2所示。從圖中可以看出，中國假人在體型上要比混III假人小很多，且中國假人相對更苗條，四肢也更短，中國假人的肩寬和胸厚也要明顯小于混III假人，尤其胸厚變小對假人在試驗中受沖擊產生的損傷測試會產生不確定的影響，它可能會導致在相同胸部位移的情況下中國假人有更大的胸部壓縮率。

表3 中國50百分位假人各體段縮放系數

圖2 兩種假人有限元模型對比

3 正面碰撞駕駛員側有限元模型的建立和驗證

基于LS-DYNA分析方法建立某量產乘用車型的正面碰撞駕駛員側約束系統模型，它包括車體、安全帶、安全氣囊和混III 50百分位假人。按照 CNCAP試驗所測得的假人定位參數對假人進行定位，定位后的完整模型如圖3所示。

圖3 駕駛員側約束系統模型

圖4 部分試驗與仿真結果對比

為驗證模型有效性，將正面碰撞試驗中所測得的B柱下方加速度脈沖施加于假人上進行50 km/h碰撞仿真，仿真與試驗結果的對比如圖4和表4所示。可以看出，仿真與試驗曲線在峰值、峰值時刻和曲線走勢上基本一致，誤差均在12%以內，曲線的擬合度較好，因此該駕駛員側約束系統模型可用于后續的仿真分析。

表4 仿真與試驗結果峰值對比

4 正面碰撞中兩種假人的損傷響應對比

正面碰撞駕駛員側有限元模型建立后，分別將混III假人和中國假人放置到座椅上。在放置過程中可以發現，當把混III 50百分位假人按照C-NCAP試驗所測得的假人定位參數完成定位后，即混III假人H點處于與測試中大致相同的位置，假人雙腳剛好置于腳踏板上，手剛好握在轉向盤，如果將中國假人按照與混III假人相同的H點位置放置到座椅上，并保持各體段間連接鉸鏈的轉動角度相同，此時中國假人由于更短的四肢，腳部無法觸到踏板，手也未能握在轉向盤上。因此，須將座椅沿著座椅滑軌向前移動，使中國假人雙腳剛好置于踏板上，從而保證假人處于一個合理正確的乘坐位置。按照該方法重新定位后的中國假人和混III假人的對比如圖5所示，兩種假人在車內與內飾的距離具體數值如表5所示，測量項目參考圖6?？梢钥闯觯捎谧蔚那耙?，使中國假人離內飾的距離更近，假人的生存空間更小。

圖5 兩種假人調整后位置對比

表5 混III假人與中國假人相對位置測量

圖6 假人相對位置測量示意圖

兩種假人模型建立后，按照C-NCAP法規要求對其進行正面100%碰撞工況下的仿真，碰撞速度為50 km/h。兩種假人的動態響應對比則如圖7所示。從圖中可以看出，碰撞進行40 ms時刻，混III假人胸部剛好接觸正在展開的安全氣囊，而此時的中國假人胸部已與氣囊有了一定的接觸；當碰撞進行到60 ms時刻時，氣囊完全展開，此時混III假人頭部下巴剛好要接觸到安全氣囊，整個假人頭部并未與安全氣囊產生完整的接觸，而此時中國假人頭部已與氣囊深接觸；當碰撞進行100 ms時刻時，混III假人頭部向前運動到最大位置，從圖中可以看到此時安全氣囊已基本泄氣，氣囊對假人頭部的支撐相對較弱，假人的頭部快要接觸到轉向盤上緣；而中國假人頭部在85 ms時就已經運動到最前端，此時氣囊泄氣并未完全結束，氣囊內部仍有一定的壓力，使假人頭部與轉向盤上緣仍有一定距離。由于中國假人的位置更靠前，假人在前移的過程中與正在展開的氣囊發生接觸，使假人上半身向前的運動受到了一定限制，也導致假人的頸部向前彎曲的幅度要小于混III假人。此外，中國假人胸部與安全氣囊的接觸主要集中在假人肋骨上半段，即上面的4根肋骨，而混III假人則6根肋骨都與安全氣囊發生接觸。由此可見，由于假人更加靠前的乘坐位置和更小的體質量，中國假人在正面碰撞中動態響應細節方面與混III假人有著明顯的不同。

圖8 對比了兩種假人主要損傷響應曲線。假人各部位損傷峰值則如表6所示?？梢钥闯觯捎谥袊偃宋恢们耙?，頭部提前接觸氣囊，頭部加速度上升時間提前，頭部加速度和HIC36值也偏大；由于整個上半身軀干向前運動受到更多的限制，中國假人頸部向前彎曲的幅度更小，其損傷也要小于混III假人；由于假人胸部與安全氣囊接觸面積和位置的差異，中國假人胸部加速度和胸部壓縮量均小于混III假人；大腿力方面，中國假人右腿的大腿力要更大，但左腿力卻更小，這可能與座椅前移和體型改變導致腰帶力加載角度變化有關；由于兩種假人在質量上的差異，混III假人安全帶肩帶力持續時間要比中國假人長10 ms左右，同時其腰帶力也明顯大于中國假人。

圖8 混III假人與中國假人正面碰撞損傷響應曲線對比

5 約束系統參數變化對不同假人的損傷影響分析

從圖7可以看出，由于兩種假人體型和乘坐位置的不同，安全氣囊與兩種假人的接觸細節有一定的差異。因此，選取安全氣囊起爆時間、排氣孔直徑和氣體質量流率因子3個安全氣囊參數作為變量，改變其值來研究安全氣囊設計參數變化對中國假人和混III假人損傷響應的影響。各參數取值如表7所示。

表6 混III假人與中國假人損傷響應峰值對比

表7 安全氣囊參數水平

5.1 安全氣囊起爆時間變化對不同假人的損傷影響分析

按照表7中安全氣囊起爆時間參數水平進行仿真，輸出頭部HIC36值、胸部3 ms合成加速度值、胸部壓縮變形量和左、右大腿軸向力等參數。仿真所得到的兩種假人的損傷響應結果如表8和表9所示。為能更全面地評價乘員各部位的綜合損傷情況，采用Viano和Arepally于1990年提出的加權損傷指數(weighted injury criterion，WIC)來綜合評價不同安全氣囊參數條件下的假人損傷，計算公式[16]為

式中：HIC36為頭部損傷指標；Cg為胸部3 ms合成加速度，g；C為胸部壓縮量指標，m；Fl和Fr分別為左右大腿軸向力最大值，kN。

表8 安全氣囊起爆時間變化對中國假人的損傷影響分析

表9 安全氣囊起爆時間變化對混III假人的損傷影響分析

對比表8和表9可以看出，在該車型50 km/h的100%正面碰撞中，隨著安全氣囊起爆時間的推遲，中國假人HIC36值有明顯增加的趨勢，而提前起爆時間有助于提高對中國假人的保護性能。當氣囊起爆時間為15 ms時，中國假人HIC36值相比原始起爆時間條件下減小了6.98%，且綜合損傷指標WIC值最低。相比之下，對于混III假人，當安全氣囊起爆時間為初始值21 ms時，混III假人大部分的損傷響應是最低的，且綜合損傷指標WIC值也為最低，達到了對混III假人保護最佳的效果。而當氣囊起爆時間提前至18 ms時，混III假人的綜合損傷WIC值有所增大。這主要是氣囊起爆較早，泄氣也較早，當混III假人頭部與安全氣囊接觸時氣囊偏軟，從而導致假人頭部與轉向盤發生了二次接觸，增大了假人損傷風險。

5.2 安全氣囊排氣孔直徑變化對不同假人的損傷影響分析

不同安全氣囊排氣孔直徑參數對應的中國假人和混III假人損傷仿真結果如表10和表11所示。對比可以看出，安全氣囊排氣孔直徑在一定范圍內增大時，中國假人的頭部、胸部損傷和WIC值有減小的趨勢。當排氣孔直徑增大為45 mm時，中國假人頭部HIC36相比原始排氣孔直徑減小了15.48%，且WIC值減小了11.47%，而對于混III假人，隨著排氣孔直徑的增大，HIC36和WIC值皆先降后升。當安全氣囊排氣孔直徑為初始值40 mm時，混III假人HIC36和WIC值達到最低，起到了對混III假人保護最優的效果。超過40 mm后，兩者都開始增大。尤其當直徑接近50 mm時，由于氣囊泄氣過快而變軟，導致混III假人頭部與轉向盤產生硬接觸，失去保護乘員的作用。仿真時也因模型單元產生過大變形而出錯、中斷，故表中缺少50 mm的數據。

表10 安全氣囊排氣孔直徑變化對中國假人的損傷影響分析

表11 安全氣囊排氣孔直徑變化對混III假人的損傷影響分析

5.3 安全氣囊氣體質量流率變化對不同假人的損傷影響分析

不同安全氣囊氣體質量流率對應的中國假人和混III假人損傷仿真結果如表12和表13所示。對比可以看出，隨著安全氣囊充氣速率的增大，中國假人頭部HIC36和WIC值先降后升。當安全氣囊氣體質量流率因子為0.9時，兩者皆達到最低值。而對于混III假人，隨著氣囊充氣速率的增大，其頭部HIC36和WIC值呈減小的趨勢，在安全氣囊氣體質量流率因子為1.2時，安全氣囊對混III假人保護效果最佳。

表12 安全氣囊氣體質量流率變化對中國假人的損傷影響分析

表13 安全氣囊氣體質量流率變化對混III假人的損傷影響分析

綜上所述，基于當前混III假人優化的安全氣囊起爆時間、排氣孔直徑和氣體質量流率等參數，雖然可以給混III假人提供最佳保護效果，但都無法對中國假人提供最佳保護效果，甚至部分安全氣囊參數變化對中國假人和混III假人損傷響應的影響趨勢是相反的。因此，現有按照混III假人最優設計的約束系統不一定能給中國假人提供有效的保護，其是否能夠提供有效的保護需要進一步去探討研究。

6 結論

運用有限元分析方法，在混III 50百分位假人有限元模型的基礎上，通過全體段縮放方法建立了一個符合中國50百分位人體尺寸特征的男性假人有限元模型，通過仿真對比了兩種假人在汽車正面碰撞工況下的損傷響應，并研究了安全氣囊參數變化對兩種假人的損傷影響，得出了如下結論。

(1)相比混III 50百分位男性假人，中國50百分位男性假人的身材較小，四肢較短，肩寬和胸厚也較小。而當兩種假人都處于正常乘坐位置時，中國50百分位男性假人與內飾的距離要小于混III 50百分位男性假人，其生存空間更小。

(2)在同一車型50 km/h正面碰撞過程中，中國50百分位男性假人頭部損傷風險要大于混III 50百分位男性假人，而胸部損傷有可能較小。

(3)現有按照混III 50百分位男性假人最優設計的安全氣囊參數未必能給中國50百分位男性假人提供最優的保護。針對兩種假人最優設計的安全氣囊參數值存在一定的差異，部分安全氣囊參數的影響趨勢甚至是相反的。