基于人體損傷的中低速正面碰撞氣囊點火狀態分析方法研究

沈富寬, 王煥然, 謝書港, 李紅運

基于人體損傷的中低速正面碰撞氣囊點火狀態分析方法研究

沈富寬1, 王煥然1*, 謝書港2, 李紅運2

（1.寧波大學 沖擊與安全工程教育部重點實驗室, 浙江 寧波 315211; 2.南京維思科汽車科技有限公司, 江蘇 南京 210046）

為降低駕駛員在中低速碰撞下受到的損傷, 利用2010年版豐田Yaris整車模型建立100%正面剛性壁碰撞有限元模型, 并根據駕駛員艙布置及相關法規要求建立Madymo約束系統仿真模型, 以驗證有限元模型的準確性. 利用建立的碰撞模型, 在中低速碰撞中對不同氣囊點火狀態下的駕駛員所受損傷進行仿真. 結果表明, 該車型在35km·h-1及以上車速時, 點爆氣囊能有效減少駕駛員損傷; 30km·h-1及以下車速時, 氣囊點火會對駕駛員造成額外傷害; 中低速碰撞下, 駕駛員的胸部損傷程度較頭部更容易受氣囊點火時間影響.

中低速碰撞; 人體損傷; 安全氣囊; 點火時間; 仿真

近幾年隨著汽車制造業的高速發展及大眾對汽車需求的增加, 國內汽車保有量逐年上漲. 汽車在給大眾帶來便利的同時, 交通事故也不可避免. 由于交通事故的頻發, 嚴重威脅到乘員人身財產安全, 為此我國制定了相關法律及規范來促進車企提高汽車安全性及維修經濟性.

在道路交通現狀中, 中低速碰撞產生的交通事故遠比高速碰撞發生的頻率高[1], 而現有的法律法規及中國新車評價規程(簡稱C-NCAP)對汽車發生中低速碰撞后乘員損傷的評價較為模糊. 目前低速碰撞研究多基于國標《GB 17354-1998 汽車前、后端保護裝置》及歐標(Front and Rear Protective Devices)來研究車身防撞梁強度[2-4], 且多數集中于防撞梁力學性能研究, 較少涉及乘員保護問題, 而探究中低速下的乘員保護有利于提高整車安全性, 以及為相關法律法規的制定提供借鑒, 因此研究低速碰撞下的乘員保護具有重要意義.

安全氣囊(以下簡稱氣囊)作為乘員保護系統重要的組成部分, 其點火車速閾值及點火時間不合理會對乘員造成額外傷害[5]. 郭慶祥等[6]確定了不同低速碰撞工況下氣囊的目標點火時刻, 但并未對氣囊點火的車速閾值做出探討. 氣囊點火的車速閾值方面, 國內外一般規定在20km·h-1下氣囊不點火, 30km·h-1以上氣囊必須點火, 而20~30 km·h-1未有明確規定[7].

本文以C-NCAP高性能評價指標及簡明創傷分級標準(Abbreviated Injury Scale, AIS)為評價標準, 考察在不同車速下的駕駛員傷害值, 確定中低速碰撞下氣囊點火的車速閾值, 并在達到車速閾值后, 比較駕駛員在氣囊不同點火時間下所受的傷害值, 確定正面100%剛性壁碰撞下氣囊最佳點火時間.

1 人體損傷評價標準

1.1 C-NCAP正面碰撞評價標準

為了便于考察和評定整車碰撞試驗中人體部分位置損傷情況, C-NCAP參考歐盟新車認證程序(E-NCAP), 引用部分人體損傷用來作為評價指標. 其中, 頭部引用3ms合成加速度(簡稱頭部加速度,R)以及頭部傷害標準(Head Injury Criterion, HIC).R多考察頭部慣性損傷, 而HIC則多側重于由接觸損傷造成的顱骨骨折.

累計3ms合成加速度值(R)計算公式如下:

式中,A、A、A為、、方向上的加速度值.

頭部傷害標準HIC計算公式如下:

此外, C-NCAP還引入胸部壓縮量(chest)、胸部加速度(chest)及胸部粘性指數(VC). 具體的相關100%正面剛性壁障碰撞頭部及胸部評價標準的性能限值見表1所示.

表1 C-NCAP正碰性能限值[9]

注:chest為C-NCAP (2012版)胸部評價標準.

1.2 簡明創傷分級標準

為量化人體損傷嚴重程度, 美國醫學會及美國汽車醫學會結合實踐經驗及相關案例制定了簡明創傷分級標準(AIS). 該標準按照人體損傷程度對生命威脅的大小, 將人體器官損傷劃分為0~6共7個等級(表2), 其中4級及以上威脅生命安全, 6級表明該損傷致死或現有醫療技術無法救治[10-11].

表2 簡明創傷分級標準

2 仿真模型的建立及對標

2.1 整車有限元模型的介紹及對標

本文采用2010年版美國國家碰撞中心發布的豐田Yaris有限元模型. 整車試驗數據來源于美國新車評價規程中的第5677號試驗, 該實驗為100%正面剛性壁障碰撞試驗, 車速為56km·h-1 [12]. 整車碰撞試驗及整車模型有限元仿真結果如圖1和圖2所示, 該結果均為碰撞發生后100ms畫面. 整車脈沖如圖3所示. 對標結果顯示, 整車模型的變形及整車脈沖與試驗結果一致性較好, 整車有限元模型準確度較高, 有利于提取中低車速碰撞下的整車脈沖.

圖1 整車試驗變形

圖2 整車仿真變形

圖3 整車脈沖對比

圖4 Madymo約束系統仿真模型

圖5 仿真與實驗結果對比

2.2 約束系統模型的建立及對標

根據主駕空間布置及幾何參數, 通過Madymo定義前風擋玻璃、A柱、儀表板、地板、轉向管柱、方向盤座椅安全帶等車身結構及約束系統位置及造型, 并參照C-NCAP相關規定對駕駛員位置及姿態進行調整. 考慮到整車試驗中車身旋轉及向、向脈沖相對較小, 因此在賦予模型56km·h-1初速度的同時, 將正碰撞向整車脈沖賦予模型, 建立如圖4所示的模型. 對正面100%剛性壁障碰撞中駕駛員的頭部加速度(R)、胸部加速度(chest)、胸部壓縮量(chest)進行對標, 其最終結果如圖5所示.

圖5對標結果顯示, 主駕約束系統模型計算結果中頭部加速度(R)、胸部加速度(chest)、胸部壓縮量(chest)試驗結果曲線擬合度較好, 模型準確度較高, 表明該模型可用于中低速狀態下的計算與分析.

3 確定氣囊點火的車速閾值

氣囊在不當車速下點火會對乘員造成額外傷害, 因此確定氣囊點火車速閾值是低速碰撞下乘員保護的重要步驟. 本文通過對比駕駛員在不同氣囊點火狀態下所受傷害值來確定點火閾值. 取車速范圍[20, 45] km·h-1, 步長為5km·h-1. 根據文獻[5]可知, 正面剛性墻碰撞工況下, 車速在24~32 km·h-1范圍內, 氣囊應在30~50ms點火; 車速在32~48km·h-1范圍內, 氣囊應在20~30ms點火, 且取步長2ms計算駕駛員傷害值.

表3為30km·h-1下氣囊點火與否造成的傷害值對比. 氣囊在[30, 50] ms區間內點火時的HIC36、Rchest、chest均大于氣囊未點火時的傷害值, 并且chest為24.3mm, 大于C-NCAP評價標準中胸部壓縮量高性能評價標準22mm. 由于氣囊的重新安裝也會造成不必要的財產浪費, 因此考慮到乘員安全性及維修經濟性, 在30km·h-1及以下車速氣囊不應點火.

表3 30 km·h-1下氣囊不同點火狀態造成傷害值對比

圖6 頭部與方向盤接觸力

表4 顱骨對沖擊載荷的耐受限度[13]

圖6為35km·h-1下, 氣囊未點火時的仿真結果及頭部與方向盤接觸力曲線. 從圖中可見, 僅靠安全帶不能提供足夠保護, 導致駕駛員頭部撞擊到方向盤, 撞擊力為2300N. 根據表4中顱骨各部位對沖擊載荷耐受限度可知, 在撞擊力達到2300N時, 顱骨中的顴骨、顎骨及頜骨有骨折的風險. 并且R達到98, 超出C-NCAP中72~88的評價標準范圍, 導致如腦震蕩、腦組織等的慣性損傷對駕駛員生命安全造成嚴重威脅. 因此, 35km·h-1車速下氣囊不點火會造成嚴重的顱腦損傷.

圖7 駕駛員頭部得到緩沖

表5 35 km·h-1下氣囊點火與否傷害值對比

圖8 車速35 km·h-1下的點火時間對接觸力影響

相對于氣囊未點火時駕駛員受損傷較為嚴重, 而氣囊在車速35km·h-1碰撞下點火, 對駕駛員頭部就起到了良好的保護效果(圖7). 由表5可見, 氣囊在[20, 30] ms點火后, 駕駛員的HIC36最大值為132, 駕駛員頭部幾乎無損傷. 由于氣囊點火駕駛員頭部得到緩沖, 氣囊點火后的R也降至30, 遠小于氣囊不點火時的R以及C-NCAP高性能評價標準, 降低了頭部受到嚴重創傷的風險.

雖然氣囊點火后的駕駛員頭部得到了有效保護, 但chest達到25.3mm, 超出了C-NCAP高性能限值. 文獻[14]根據概率關系曲線, 總結出chest與AIS≥3間的關系, 其概率僅為6%, 表明對人體造成的損傷較小. 綜上所述, 為保證乘員安全, 此車型應在35km·h-1及以上車速下點火, 氣囊才能確保駕駛員得到有效保護.

4 確定中低速下氣囊最佳點火時間

在汽車碰撞過程中, 氣囊點火時間對乘員傷害值影響較大. 在中低速下, 以35km·h-1車速為例, 圖8為在不同點火時間下氣囊和駕駛員之間接觸力(簡稱接觸力)與時間的關系曲線. 從圖中可見, 點火時間的滯后造成接觸力在氣囊展開過程中偏大, 說明氣囊點火滯后對駕駛員造成的沖擊傷害越大. 在頭、胸部傷害評價指標中, HIC36、R以及chest皆是基于加速度的評價指標, 因此推測上述3個評價指標與接觸力正相關.chest則與接觸力大小、接觸力與胸部接觸面積以及沖擊位置有關[15].

圖9、圖10為R及HIC36值隨氣囊點火時間變化曲線. 由圖可見, 在35~45km·h-1車速下, 氣囊點火時間的滯后造成頭部傷害值增加. 由于駕駛員頭部HIC36、R最大值分別為246、50, 遠遠小于C-NCAP高性能標準, 說明駕駛員頭部受到損傷的概率較小, 其頭部傷害值的變化作為確定氣囊點火時間依據的意義不大. 相對于頭部, 胸部作為人體被氣囊點火后沖擊的首個部位, 其傷害值接近或超過評價標準, 因此, 其研究意義更大.

圖9 頭部加速度AR變化趨勢

圖10 頭部HIC36變化趨勢

chest以及chest隨氣囊點火時間的變化曲線如圖11、圖12所示. 由圖可見,chest隨氣囊點火時間的滯后而增加, 但chest受較多因素影響, 其變化趨勢與點火時間未有較強規律性. 通過對比氣囊不同點火時間對駕駛員胸部造成的傷害值, 確定了35、40、45km·h-1車速下100%正面剛性壁障碰撞的最佳氣囊點火時間分別為28、26、24ms, 此時胸部損傷值降到最低. 此外, 隨著氣囊的點火時間早于最佳點火時間, 胸部傷害值未產生突變, 說明胸部未擊穿氣囊撞擊到方向盤; 由于氣囊點火時間晚于最佳點火時間, 氣囊展開狀態產生對駕駛員的額外沖擊使駕駛員的chest以及chest增加. 另外通過縱向對比可知, 隨著車速的提高, 氣囊點火時間對駕駛員所受傷害影響更為明顯. 綜上所述, 根據人體損傷來確定點火時間能有效減少人體在中低速碰撞下所受的傷害值.

圖11 胸部加速度Achest變化趨勢

圖12 胸部壓縮量Dchest變化趨勢

5 總結

(1)提出了一種確定氣囊點火的車速閾值方法, 確定該車型在30km·h-1及更低車速下, 氣囊不應點火, 以避免產生額外傷害; 在35km·h-1車速下, 點火氣囊則起到更好的保護效果.

(2)在正面中低速碰撞下, 氣囊點火主要防止頭部撞擊到方向盤, 對頭部保護作用更明顯, 而其點火時間的變化對保護效果的影響不大; 相對于頭部, 胸部損傷結果受氣囊點火時間變化的影響較大. 后續的正面中低速碰撞研究可依據胸部損傷為主要參考項.

(3)以人體損傷為確定點火時間的主要因素, 確定中低車速下的氣囊最佳點火時間, 減少了乘員所受損傷, 對研究中低速碰撞下的乘員保護具有重要意義.

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Human injury-based ignition state analysis of airbags in front impact at low and medium velocity

SHEN Fukuan1, WANG Huanran1*, XIE Shugang2, LI Hongyun2

( 1.Key Laboratory of Impact and Safety Engineering, Ministry of Education of China, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2.Nanjing Waythink Automotive Technology Co., Ltd., Nanjing 210046, China )

In order to reduce the driver’s injury in low and medium speed collisions, the 2010 version of the Toyota Yaris model is used to establish a 100% frontal rigid wall collision finite element model, and a Madymo restraint system simulation model is established according to the layout of the driver’s cabin and relevant regulations, which is verified by test. Using the established collision model, the injury to the dummy under different ignition conditions of the airbag in the low-speed collision is simulated. The results show that the use of airbags at speeds of 35km·h-1and above can effectively reduce driver injury, and airbags at speeds of 30km·h-1and below can cause additional damage to driver. The driver’s chest injury is more likely to be affected by the ignition time of the airbag than the head’s in low and medium speed collisions.

low and medium speed collision; occupant injury; safety airbag; ignition timing; simulation

U467.1+4

A

1001-5132（2021）02-0049-06

2019?11?26.

寧波大學學報（理工版）網址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學基金（11572164）.

沈富寬（1994－）, 男, 江蘇連云港人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 整車被動安全. E-mail: 840195236@qq.com

王煥然（1976－）, 男, 河南睢縣人, 博士/副教授, 博導, 主要研究方向: 結構動態響應. E-mail: wanghuanran@nbu.edu.cn

（責任編輯 章踐立）