輕型卡車正面剛性碰撞下駕駛員損傷研究
——以50 km/h碰撞速度為例

簡盼盼

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330100）

安全性能是消費者關注的重要指標之一，中國對乘用車的安全性研究比較成熟，有標準《GB 11551—2014 汽車正面碰撞的乘員保護》[1]要求，有中國新車評價規(guī)程CNCAP，還有中國保險汽車安全指數(shù)CIASI等。但是對于輕型卡車整車碰撞安全性能而言，消費者以及社會各界關注得并不多，甚至很多消費者不知道使用何種安全標準來評價輕型卡車的安全性能。輕型卡車的安全性能分為兩個方面，一個是主動安全，另一個就是本文主要討論的被動安全。主動安全是提前識別危險，被動安全是在碰撞發(fā)生后保護乘員艙內(nèi)的乘員。本文主要研究使用乘用車正面碰撞標準，在50 km/h碰撞速度下的駕駛員損傷情況。

1 整車約束系統(tǒng)仿真模型的建立

如圖1所示，輕型卡車100%重疊正面沖擊固定剛性壁障，碰撞速度為50 km/h，在駕駛員位置放置一個Hybrid III型50百分位男性假人，用來測量駕駛員的頭部、頸部、胸部和大腿的損傷情況。整車約束系統(tǒng)仿真分析涉及車身結構和乘員約束系統(tǒng)兩部分內(nèi)容，兩者相互補充，相互制約，缺一不可，為車身結構設計和約束系統(tǒng)開發(fā)提供有效指導。相比于使用白車身進行約束系統(tǒng)模型搭建，直接將假人放在整車上進行模擬，能夠更加真實地模擬假人各部位在碰撞發(fā)生過程中的運動情況，從而更加準確地了解駕駛員的損傷情況。此外，不放置在滑臺上進行模擬的原因是無法模擬貨箱在碰撞過程中對駕駛室撞擊的過程，會導致模擬的運動狀態(tài)與實際所發(fā)生的情況不符。

圖1 輕型卡車整車正面碰撞約束系統(tǒng)分析模型

1.1 假人模型

本次分析采用的假人模型是Humanetics公司的Hybrid Ⅲ型第50百分位男性有限元假人，如圖2所示，該模型能夠較為準確地模擬假人在碰撞過程中的運動特性，有比較好的生物逼真度，根據(jù)工程經(jīng)驗對標，該有限元假人可以較為準確地提供假人損傷指標。在Primer中可以通過設置H點坐標來將假人移動到設計坐姿，并且運用該軟件的假人設置模塊來將假人調(diào)整到《GB 11511—2014汽車正面碰撞的乘員保護》[1]中規(guī)定的位置：頭頂角為0°；假人的上臂貼近軀干，其中心線盡量接近鉛垂面；假人手掌在方向盤輪緣水平中心線處和輪緣外側(cè)相接觸，拇指放在轉(zhuǎn)向盤輪緣上；假人骨盆角度為22°；右腳放在未踩下的加速踏板上，左腳放在歇腳板上。調(diào)整好位置后需定義假人與座椅、安全帶、儀表板、方向盤、安全氣囊等部件的接觸[2]。

圖2 Hybrid Ⅲ型第50百分位男性假人模型

1.2 氣囊模型

本次分析所用的DAB有限元模型采用均勻壓力法建模[3]，如圖3所示。根據(jù)DAB氣袋實物圖建立相應模型并分配折疊線，采用Primer氣袋折疊工具進行折疊，折疊完成后對氣袋網(wǎng)格單元設置屬性和材料，氣袋網(wǎng)格單元使用四邊形膜單元，使用9號積分單元，氣袋材料使用織布材料卡片進行定義。

圖3 方向盤和氣囊模型

1.3 安全帶模型

本次分析所用的安全帶模型是全2D單元組成的，如圖4所示。主要包括卷收器單元、滑環(huán)單元、殼單元。織帶材料卡片設置是Mat34[4]，需要在該材料卡片下設置安全帶的延伸率。此外，還需要在卷收器單元中設置安全帶力和位移的曲線。由于安全帶織帶從卷收器出來后需要經(jīng)過D環(huán)，所以需要在D環(huán)處設置一個摩擦系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗，該摩擦系數(shù)一般為0.13。

圖4 安全帶模型

1.4 輕型卡車模型

本次分析所用的整車模型是根據(jù)實車CAD數(shù)據(jù)一比一進行建模，如圖5所示。主要包括以下系統(tǒng)：車身系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、貨箱系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、車架系統(tǒng)、座椅系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等。目前，乘用車整車碰撞模型搭建已經(jīng)非常成熟，但是像輕型卡車的整車碰撞模型國內(nèi)研究較少，例如貨箱與車架之間使用木頭來減緩摩擦，使用Mat143號材料卡片進行設置；油箱中的燃油使用粒子法進行建模，以便能夠準確地模擬燃油的運動狀態(tài)，并且可以考察油箱的受力狀態(tài)。

圖5 整車模型

2 整車約束系統(tǒng)仿真結果

按照標準《GB 11551—2014汽車正面碰撞的乘員保護》[1]的規(guī)定，輸出以下指標來評判駕駛員的傷害情況，頭部性能指標（HPC）、頸部傷害指標（NIC）、胸部壓縮指標（THPC）和黏性指標（V.C）、大腿壓縮力指標（FFC）。輕型卡車碰撞后的結果如圖6所示。

圖6 整車約束系統(tǒng)碰撞結果

2.1 頭部性能指標（HPC）

駕駛員頭部合成加速度曲線如圖7所示，峰值為68.5 g，出現(xiàn)的時間在51 ms。HIC36是474.57，頭部3 ms合成加速度是54.6 g。這兩項指標均符合乘用車正面碰撞標準要求。

圖7 駕駛員頭部合成加速度曲線

2.2 頸部傷害指標（NIC）

駕駛員頸部軸向拉伸力曲線如圖8所示，駕駛員頸部剪切力曲線如圖9所示，駕駛員頸部對Y軸彎矩在伸張方向曲線如圖10所示。駕駛員頸部軸向拉伸力曲線，符合乘用車正面碰撞標準要求；駕駛員頸部剪切力曲線，不符合乘用車正面碰撞標準要求；駕駛員頸部對Y軸彎矩在伸張方向峰值為18.4 N·m，峰值時刻為40 ms，符合乘用車正面碰撞標準要求。

圖8 駕駛員頸部軸向拉伸力曲線

圖9 駕駛員頸部剪切力曲線

圖10 駕駛員頸部對Y軸彎矩在伸張方向曲線

2.3 胸部壓縮指標（THPC）和黏性指標（V.C）

駕駛員胸部壓縮曲線如圖11所示，駕駛員胸部黏性曲線如圖12所示。駕駛員胸部壓縮指標為61.06 mm，峰值時刻為53 ms，符合乘用車正面碰撞標準要求。駕駛員胸部黏性指標為1.392 m/s，峰值時刻為48 ms，不符合乘用車正面碰撞標準要求。

圖11 駕駛員胸部壓縮曲線

圖12 駕駛員胸部黏性曲線

2.4 大腿壓縮力指標（FFC）

駕駛員左大腿軸向力曲線如圖13所示，駕駛員右大腿軸向力曲線如圖14所示。駕駛員左大腿壓縮力曲線，不符合乘用車正面碰撞標準要求；駕駛員右大腿壓縮力曲線，符合乘用車正面碰撞標準要求。

圖13 駕駛員左大腿力曲線

圖14 駕駛員右大腿力曲線

3 分析結論及建議

筆者通過對輕型卡車進行整車正面碰撞約束系統(tǒng)分析，得出以下結論和建議：

1）該輕型卡車駕駛員頭部性能指標符合乘用車正面碰撞標準要求，頸部傷害指標、胸部壓縮指標和黏性指標、大腿壓縮力指標不符合乘用車正面碰撞標準要求。

2）車門變形可以看出駕駛室發(fā)生了較為嚴重的變形，可以通過前端設計吸能部件減緩乘員艙的變形[5]。貨箱對駕駛室也有沖擊，可以增加貨箱與車架固定的螺栓來控制貨箱的前移。

3）該安全氣囊無法有效保護駕駛員的頭部，可以通過增大氣袋體積，用類似于乘用車副駕駛氣囊的袋型來改善頸部的損傷；由于輕型卡車駕駛員空間不足，導致方向盤與胸部直接發(fā)生撞擊，胸部損傷較為惡劣；駕駛員大腿與儀表板產(chǎn)生撞擊，導致大腿力嚴重超標，可以通過對儀表板內(nèi)的安裝支架重新進行設計，讓其在大腿撞擊時發(fā)生斷裂，從而優(yōu)化該損傷。