25%小偏置碰撞中駕駛員小腿傷害解析

張俊南，劉得雄Zhang Junnan，Liu Dexiong

25%小偏置碰撞中駕駛員小腿傷害解析

張俊南1，劉得雄2
Zhang Junnan1，Liu Dexiong2

（1. 中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.西南大學 工程技術學院，重慶 400715）

25%小偏置碰撞工況中駕駛員腿部相較其他部位更易受到傷害。解析假人腿部傷害的評價方法，通過大量測試結果，分析造成駕駛員腿部傷害超標的主要原因，研究車輛局部變形量與腿部傷害指標的關聯，為試驗結果的評價、分析以及車輛結構開發提供參考。

小偏置碰撞；假人傷害結果；脛骨指數TI；評價方法；影響因素

0 引 言

通過分析25%小偏置正面碰撞試驗結果發現，車體結構完整性方面的測量點侵入量過大，碰撞后乘員艙變形嚴重[1-2]。隨著安全帶和安全氣囊的廣泛應用，25%小偏置特殊碰撞工況中，腿部受傷風險明顯高于人體上部軀干。為提高車輛安全性，對碰撞中駕駛員小腿傷害原因進行分析。

國內外學者對25%小偏置碰撞[3-5]多從仿真模擬角度分析碰撞過程中假人小腿受傷機理，本文從統計角度分析造成駕駛員腿部傷害超標的主要原因，為優化車輛結構提供一定參考。

1 假人傷害統計

1.1 假人傷害結果統計

C-IASI[6-7]（China Insurance Automotive Safety Index，中國保險汽車安全指數）要求對假人頭、頸部、胸部、大腿/臀部、小腿/腳部等部位進行碰撞評價，評估車輛碰撞過程中人員受傷程度，傷害結果分為4個等級：Good（優秀）、Acceptable（良好）、Marginal（一般）、Poor（較差）。60款車型進行25%小偏置碰撞工況試驗，測試結果為：假人頭部/頸部、胸部測試中全部車型被評為優秀，無罰分車型；假人大腿/臀部測試中有9款車型被罰分，車型占比為15%；假人小腿/腳部測試中有25款車型被罰分，車型占比為41.7%。統計結果見表1，可以看出，假人小腿/腳部被罰分情況較為突出。

表1 假人傷害統計結果

1.2 假人小腿/腳部傷害結果統計

C-IASI《車內乘員安全指數25%偏置碰撞評價規程》中規定腿部/腳部評價指標包括膝蓋滑動位移、上脛骨和下脛骨軸向力F、脛骨指標TI、腳部最大合成加速度，具體見表2。

表2 C-IASI假人傷害評價標準

續表2

注：3ms為胸部3ms合成加速度；VC（Viscous Criterion，粘性指標）；KTH（Knee-Thigh-Hip，膝蓋-大腿-髖部傷害風險）；TI（Tibia Index，脛骨指數）。

表3為小腿/腳部測試中被罰分的25款車型的小腿/腳部評價結果。

表3 小腿/腳部傷害結果

由表3可知，25款車型中有6款車型的假人膝關節滑動位移超標，占比24%，24款車型的假人脛骨指標TI超標，占比96%，7款車型的假人脛骨軸向力F超標，占比28%，8款車型的腳部最大合成加速度超標，占比32%。統計結果見表4，其中，脛骨指標TI值超標比例遠高于其他指標。

表4 小腿/腳部傷害統計結果

2 脛骨指數TI分析

2.1 脛骨指數TI

垂直于小腿骨方向的受力，以及作用于小腿上下端的轉矩是導致小腿骨折、腳踝及膝關節受傷的重要原因。脛骨指數TI取值為上、下小腿中較差結果，脛骨指數TI的計算式為

式中：M為小腿受到的繞軸彎矩，M調整為小腿受到的調整后繞軸彎矩，R為小腿受到的合成力矩，（C）R為臨界彎矩，F為小腿受到的向軸向壓縮力，（C）為向臨界壓縮力。

2.2 某車型假人的TI分析

TI本質是考察小腿向軸向力、繞軸彎矩及繞軸彎矩。在某車型25%小偏置碰撞中，假人左下小腿試驗曲線F、M、M如圖1所示，F在70 ms附近達到最大值3.3 kN，M在72 ms附近達到最小值－184.3 Nm，M在76 ms附近達到最大值81.5 Nm，TI在72 ms附近達到最大值0.91，如圖2所示。對比發現，M的絕對值相比M明顯偏大，F處于正常范圍，TI最大值的響應時間與M最大值響應時間吻合，由此推測該車型假人M過大直接導致TI值超標。

圖1 某車型假人左下小腿FZ、MX、MY曲線

圖2 某車型假人左下小腿TI曲線

分析高速攝像視頻發現，在碰撞后第72 ms，擱腳板區域出現明顯變形，擱腳板外殼破裂，假人腳部受到擠壓和扭轉載荷，導致腳踝部位扭轉。擱腳板區域明顯變形導致M過大，不同時刻的視頻截圖如圖3所示。

圖3 腳部高速攝像

2.3 TI的影響因素

25%小偏置碰撞工況會避開車輛縱梁，由于車輪擠壓等因素使乘員艙左側侵入較大，造成擱腳板區域變形明顯，并傳遞至假人左腳。通過分析乘員艙不同位置的結構評價指標查找TI影響因素。C-IASI[7]規定當擱腳板區域結構變形量≤15 cm時，擱腳板區域結構評價為優秀，車輛不同位置變形的評價標準見表5。

60款車型25%小偏置碰撞試驗的假人TI傷害結果及對應擱腳板位置變形結果見表6。同時結合上文案例，擱腳板區域變形對TI影響較大。

表5 乘員艙侵入量等級評價

表6 小腿/腳部傷害結果

續表6

對表6進行統計分析，結果見表7。

表7 擱腳板區域位移與TI值統計

表7中第1、2行的車型擱腳板區域結構不滿足優秀標準會被罰分，共有18款，其中又有14款車型因腿部TI不滿足優秀標準被罰分，其占比為77.8%。

擱腳板區域位移越大，則TI超標風險越大，當擱腳板區域位移超過15 cm時，有較大風險導致TI超標，當擱腳板區域位移超過20 cm時，極有可能導致TI超標。

3 總 結

在25%小偏置碰撞工況中，駕駛員小腿/腳部受傷風險較高，且風險主要由TI超標導致；車輛擱腳板區域變形量與TI關系密切，當變形量大于15 cm時，TI超標風險較大，當變形量大于20 cm時，TI極有可能超標。

[1]吳松.某車型正面25%重疊碰撞安全性仿真及優化研究[D].重慶：重慶交通大學，2020.

[2]肖鋒. IIHS Small Overlap Crash Test 評估標準質疑[C]//中國汽車工程學會，第十六屆汽車安全技術學術會議論文集．杭州，2013：875-879.

[3]NGUYEN L，LEE J Y，YIM H J，et al. Optimal Design of Vehicle Structure for Improving Small-Overlap Rating. International Journal of Automotive Technology，2015，16（6）：959-965.

[4]劉宏達，李永剛，雷斌，等. 國內某車型小偏置碰撞假人傷害分析與研究[J].汽車科技，2018（4）：51-56.

[5]瞿錫杰，周大永，胡丕君.汽車正面碰撞中前排乘員腿部傷害[J].汽車工程師，2015（3）：37-41.

[6]馮兵偉，宋建鋒，丁鵬飛，等. 中國保險汽車安全指數分析[J]. 機械，2020，47（3）：44-50.

[7]中國汽車工程研究院股份有限公司，中保研汽車技術研究院有限公司.中國保險汽車安全指數規程：第2 部分：車內乘員安全指數駕駛員側正面25%偏置碰撞試驗規程：CIASI-SM. PI. DSOT-B0 [S].2020.

2022-08-26

1002-4581（2022）06-0001-05

U467.1+4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2022.06.001