正面碰撞車身加速度對乘員腿部損傷的影響

凡沙沙，段大祿，黎謙，廖賢明，賈麗剛

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007

0 引言

隨著國內外對汽車安全性能的重視程度不斷提升，汽車正面安全氣囊逐漸成為車輛的標準配置。在碰撞事故中乘員頭、頸、胸部能夠得到較好的保護，然而腿部傷害的問題日益凸顯。乘員大腿壓縮力指標為法規考察指標及NCAP考察指標，大腿壓縮力除了與儀表板剛度、前圍板侵入量、腿部空間、乘員坐姿、座椅剛度、安全帶配置等因素有關外，還與車身加速度有著密切的聯系。本文運用LS-Dyna仿真模型，研究了正面碰撞車身加速度對乘員腿部損傷的影響，從而改變骨盆前移量，也降低了大腿壓縮力。

1 某車型車身加速度波形及其簡化波形

為便于體現車身加速度波形的特點，將車身加速度波形簡化為二階波形。以某車型50 km/h全寬正碰的LS-Dyna乘員側仿真模型為基礎，計算其在實車加速度波形及簡化波形下乘員的響應，以驗證簡化波形的有效性。圖1為該車型實車試驗加速度波形及其簡化后的二階波形。

圖1 某車型實車試驗加速度波形及其簡化后的二階波形

對上述實車加速度波形及簡化二階波形進行積分，得到速度曲線，如圖2所示。進一步積分后得到位移曲線，如圖3所示。

圖2 實車波形與簡化波形的速度曲線

圖3 實車波形與簡化波形的位移曲線

由圖2和圖3可以看出，簡化波形與實車試驗波形吻合度較好。為進一步驗證簡化的二階形波可近似代表實車試驗波形，在LS-Dyna乘員側仿真模型中，對比兩種波形下的乘員響應，如圖4和圖5所示。由圖4可以看出，兩種波形下乘員的頭部、胸部及骨盆的加速度曲線完全一致。說明兩種波形下乘員的運動響應完全一致;由圖5可以看出，兩種波形下的結果也完全一致，這說明簡化的二階波形可以近似代表實車碰撞波形。

圖4 乘員頭部、胸部及骨盆加速度曲線

圖5 乘員左、右大腿力及膝蓋滑移量

2 不同二階波形對乘員大腿壓縮力的影響

二階加速度波形的主要特征是第一階加速度與第二階加速度。通過改變與的大小，可得到不同的加速度波形。表1為3種不同二階加速度波形。

表1 3種不同二階加速度波形

由于碰撞初始速度均設定為50 km/h，因此上述3種波形的能量密度均為96.45 J/kg。3組加速度波形曲線、積分得到的速度曲線、位移曲線及能量密度曲線如圖6所示。從速度曲線可以看出，3種波形速度的變化量基本相同。

圖6 3組波形曲線對照

將上述3種不同的二階波形，代入LS-Dyna乘員側仿真模型，計算得到3種波形下乘員的骨盆前移量曲線(向)、骨盆下移量曲線(向)，乘員骨盆相對車身的移動量如圖7所示。乘員左、右大腿壓縮力曲線如圖8所示，由乘員腿部的損傷機制可知，乘員的骨盆前移量影響乘員腿部撞擊儀表板的程度，從而影響乘員腿部的損傷。

圖7 乘員骨盆相對車身的移動量

圖8 乘員左、右大腿壓縮力曲線

統計乘員骨盆相對車身的最大前移量、最大下移量及乘員大腿壓縮力的最大值，不同二階波形下的仿真結果對照見表2。

表2 不同二階波形下的仿真結果對照

3 結論

(1)二階梯形波能夠較好地擬合出實車加速波形，并且吻合程度較高，可以作為一種研究車身加速度波形特征的方法；

(2)從某車型車身加速度及其簡化二階波形的對照結果可以看出，碰撞過程中，乘員的響應與車身加速度整體的強弱有關，與加速度波形上個別峰值的高、低無關；

(3)從3種不同二階波形的仿真結果可以看出，提高一階加速度，降低二階加速度，能夠明顯改善乘員的骨盆前移量，從而降低乘員的大腿壓縮力。