基于等效彈簧的Hybrid-Ⅲ50%仿真假人胸腔結構剛度特性數值仿真

龍宜凡，龐 毅，孟憲明，吳 闖，段利斌

（1.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江 212013；2.廣西數仿科技有限公司，廣西柳州 545000；3.中國汽車技術研究中心，天津 300300）

碰撞假人在汽車、航空及其他相關的工業領域應用廣泛，主要用于分析乘員的碰撞損傷機理，從而開發有效的車體結構和乘員約束系統來降低乘員的碰撞損傷［1-6］。中國汽車技術研究中心制定的新車評價規程C-NCAP中，要求必須使用Hybird-Ⅲ標準碰撞假人來評估乘員的頭部、頸部、胸部、腿部的受傷風險以及機動車輛的乘員保護性能［7］。

學者們針對仿真結果的準確性從不同的角度對仿真假人進行改進［8-10］。周青等［5］對 Hybird-Ⅲ50百分位標準假人有限元模型的髖部結構進行修改，從而消除一體式皮膚對髖關節旋轉角度的約束。肖森等［9］通過參數分析研究正面碰撞中安全帶高度位置、安全帶角度和碰撞速度對乘員胸部損傷的影響，從而為約束系統的優化設計提供參考。鄧世寬等［10］通過仿真與滑臺實驗相結合，找出假人傷害得分低的主要原因，指導新車型的開發。逯小雨［11］對Hybird-Ⅲ標準碰撞假人胸部內部結構進行修改并定義其材料參數，一定程度上提高了仿真結果的準確性。賴興華等［12］建立了多方向耦合的詳細假人胸部數字模型，用于包含斜向碰撞在內的多種碰撞工況下的乘員胸部傷害風險研究。

以往文獻多著眼于如何減少乘員的損傷，很少關注假人仿真結果的準確度。為了解決仿真結果與實驗的不匹配問題，提高運算效率，本文中對現有Hybird-Ⅲ假人有限元模型的胸部結構采用彈簧單元等效。通過正面碰撞及偏置碰撞的有限元仿真分析，發現基于等效彈簧模型的仿真假人胸壓變形曲線與試驗結果一致性較好，驗證了使用等效彈簧模擬胸部結構剛度的有效性。

1 問題分析

Hybrid-Ⅲ50百分位男性機械假人的胸腔由6根高強度鋼肋骨和聚合體制成的阻尼材料組成［13］，用來模擬人體胸腔受力變形的大小和快慢，其中包括1個用于測量胸部變形和1個測量加速度變化的傳感器。胸腔結構如圖1所示。

圖1 胸腔結構示意圖

在使用有限元LS-DYNA軟件計算某車型約束系統正面碰撞FRB50和ODB64工況時，在安全帶預緊結束假人向前俯沖運動階段和安全帶卸載后假人回彈階段，駕駛側V7.18假人的胸部位移傳感器讀出的變形曲線，如圖2、3所示。仿真計算結果俯沖階段較試驗時大，且回彈階段下降快。

圖2 FRB50仿真對標試驗結果

圖3 ODB64仿真對標試驗結果

2 胸腔結構損傷機理

早期為了研究交通損傷而建立了損傷等級，依據醫學診斷，損傷等級將各種類型的損傷程度加以定義。最常用的損傷等級是建立于1971年的簡明損傷等級AIS，其中分為7個等級來評定人體各部位的損傷嚴重程度［14］。

在損傷生物力學研究領域，當胸部由于鈍器撞擊突然減速時，存在3種不同的損傷機理：壓縮、黏性載荷和體內器官的慣性載荷。此外，也有可能發生這3種基本情況的任意組合。早期損傷生物力學研究的胸部耐受限度和損傷計算有壓縮準則、黏性準則、肋骨變形準則和胸部壓縮準則等。通過分析鈍器撞擊試驗，克勒爾等得出結論：胸部的最大壓縮量與AIS有密切聯系，而與力和加速度沒有聯系［15］：

其中：壓縮準則C被定義為胸部的變形量除以胸部的厚度，FMVSS208允許在正面碰撞時Hybrid-Ⅲ50分位男性假人最大的變形量為76 mm，而2015版C-NCAP允許的最大壓縮量為50 mm，超過這個限值得分為0。

黏性準則VC是考慮到軟組織損傷取決于壓縮量和壓縮速度而制定的損傷準則，也被稱為軟組織相關準則［16］，其中 VC值（m／s）是胸部變形速度和胸部變形量瞬時值的乘積的最大值，即

式中：ν（t）是由變形量 D（t）微分得到的變形速度（m／s）；C（t）是瞬時壓縮函數，即變形量 D（t）和初始的軀體厚度b之間的比值。其中，2015版C-NCAP規定胸部黏性準則VC值要小于1 m／s，超過這個限值得分為0。

3 等效彈簧剛度模擬與實驗驗證

3.1 等效彈簧模型受力簡化

在做汽車約束系統正碰FRB50和偏置碰ODB64工況LS-DYNA仿真計算時，假人碰撞工況受力如圖4所示。其中F1為歇腳板結構對右腳的接觸力，F2為內飾件對膝蓋的碰撞力，F3為方向盤轉向管柱和氣囊對假人頭部的接觸合力，F4為安全帶拉力和氣囊對假人的胸部壓力的合力，F5為安全帶腰帶力，F6為座椅對假人胯部的支撐力。

圖4 假人碰撞工況受力示意圖

截取胸腔結構進行受力簡化分析，如圖5所示，有

其中：F4為安全帶拉力和氣囊對假人的胸部壓力的合力總和；fi（i＝1，…，6）為6根肋骨的反力；f7為其他非主要受力部件的合反力。肋骨的材料為高強度鋼，由機械物理假人的胸腔結構可知肋骨是主要的受力結構，f7由于較小可并入6根肋骨的合反力。再細分受力模型，取單獨1根肋骨結構如圖6所示，經過有限元網格劃分，等效彈簧模型如圖7所示。

圖5 胸腔受力簡化圖

圖6 單根肋骨結構示意圖

圖7 有限元等效彈簧模型示意圖

這樣，胸腔結構模型的受力轉變成彈簧合力等于外力合力，則有

通過式（4）的分析發現，胸腔的剛度可以用彈簧的剛度來模擬和修正。

3.2 彈簧剛度和阻尼系數修正

目前，汽車正碰試驗中所用到的Hybrid-Ⅲ50分位男性假人的胸部標定程序有2種方法。一種是按照NHTSA CFR Part 572規定的胸部高速程序進行［17］，要求擺錘在撞擊開始時的速度為6.71±0.12 m／s；調整試驗擺錘縱向中心線，使得擺錘與胸部接觸時，其縱向中心線與假人中心對稱面內的某一水平線重合誤差為±0.5°，如圖8所示。另一種標定方法是由Euro NCAP［18］提出的胸部低速標定程序SAE J2779，規定擺錘撞擊速度為3.0±0.06 m／s。本文中采用高速6.7 m／s速度進行試驗標定和仿真計算。

圖8 胸部變形量標定示意圖

胸腔結構仿真模型使用有限元軟件LS-DYNA計算，彈簧材料選 MAT196，關鍵字為*MAT_GENERAL_SPRING_DISCRETE_BEAM_（TITLE），剛度K分別取1 kN／mm和10 kN／mm，阻尼系數分別取0和0.2，胸部標定試驗和仿真的結果如圖9所示。

圖9 胸部標定仿真胸壓變形量

通過假人胸部擺錘標定仿真計算，可修正胸腔結構等效剛度的彈簧K值和damping阻尼值。

3.3 試驗驗證

將修正后的等效彈簧胸腔結構模型分別應用于50 km／h正面碰撞工況（FRB50）和64 km／h偏置碰撞工況（ODB64）的仿真計算，再將仿真計算結果與試驗結果進行對比，進而驗證等效彈簧模型的有效性。本文中的正碰FRB50試驗和偏置碰ODB64試驗均在天津的中國汽車技術研究中心完成。為數據保密，2輛試驗車涂裝了迷彩，車況良好。

正碰FRB50試驗工況如圖10所示，車輛100%重疊以不低于50 km／h的速度正面碰撞固定剛性壁障。按照C-NCAP規定，試驗車輛前排駕駛員和乘員處分別放置1個Hybrid-Ⅲ50分位男性假人，用以測量前排人員受傷害情況。在FRB50的仿真計算模型中，等效彈簧剛度的仿真Hybrid-Ⅲ50分位假人胸壓變形曲線如圖11所示。經彈簧剛度和阻尼系數修正后的仿真計算假人的胸壓變形曲線在試驗假人和仿真假人的胸壓曲線中間，表明經彈簧剛度和阻尼系數修正的仿真假人在50 km／h速度正碰的計算工況時，向前俯沖運動階段和安全帶卸載后回彈階段精度較好，與試驗的假人曲線結果更接近。

圖10 正面碰撞FRB50工況示意圖

圖11 FRB50仿真胸壓變形曲線

偏置碰ODB64的碰撞試驗工況如圖12所示，車輛40%重疊以不低于64 km／h的速度碰撞固定可變形壁障，前排駕駛員和乘員位置處分別放置1個Hybrid-Ⅲ50分位男性假人。在ODB64的仿真計算模型中，等效彈簧剛度的仿真Hybrid-Ⅲ50分位假人胸壓變形曲線如圖13所示。經彈簧剛度和阻尼系數修正的仿真計算假人的胸壓變形曲線在試驗假人和仿真假人的胸壓曲線中間，表明經過彈簧剛度和阻尼系數修正的仿真假人在64 km／h偏置碰撞工況下，向前俯沖運動階段和安全帶卸載后回彈階段精度較好，與試驗的假人曲線結果更接近。

圖12 偏置碰撞ODB64工況示意圖

圖13 ODB64仿真胸壓變形曲線

4 結論

1）通過對比假人標定工況、正碰FRB50工況及偏置碰ODB64工況下的試驗胸壓變形曲線和仿真計算得出的胸壓變形曲線，發現：等效彈簧模擬胸腔結構的剛度模型，各工況下胸壓變形曲線都與7.1.8版本的Hybrid-Ⅲ50分位humanistic公司研發的男性假人的結果有較好的一致性。

2）胸壓變形曲線的峰值可以由等效彈簧的剛度K控制，前沖階段的胸壓變形曲線和回彈階段的胸壓變形曲線可以由等效彈簧的阻尼控制。從試驗和仿真的胸部壓縮量的曲線對標結果可以看出，該控制方法較傳統方法更為簡單快捷，為仿真假人胸腔結構變形量的模擬提供了可行的方法。