保險杠剛度特性對行人頭部及下肢的損傷影響

劉天泉 王丙雨 吳賀 鄒俊 毛明祥

關鍵詞：汽車安全；被動安全；保險杠剛度特性；頭部損傷；下肢損傷；運動學響應;有限元（FE）

行人作為典型的弱勢道路使用者（vulnerableroadusers，VRUs），也是交通事故的多發(fā)群體。世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計報告顯示：每年由交通事故造成的死亡人數(shù)超過130萬，其中行人占比達23%[1]。中國道路交通事故統(tǒng)計年報顯示：2019年因交通事故死亡人數(shù)為62763人，其中行人為17659人[2]。有事故統(tǒng)計表明[3-5]：行人頭部與下肢是交通事故中最易受傷的身體部位，且頭部損傷是行人致死的最主要原因。

深度事故重建是通過研究行人損傷來提高車輛安全性的主要方法之一，重建精度對事故司法鑒定、責任劃分、VRUs運動學響應及損傷機理分析尤為重要[6-7]。影響事故重建精度的因素除模型本身誤差外，碰前車速的準確估算、人、車初始碰撞位置的確定以及準確的車輛前部結(jié)構(gòu)剛度特性等也是影響事故重建精度的關鍵因素[8-9]。L.Martinez等人[10]基于歐洲新車安全評鑒協(xié)會（EuropeanNewCarAssessmentProgramme，Euro-NCAP）中的行人保護測試協(xié)議，對車輛前部結(jié)構(gòu)剛度進行了425次測試，沖擊速度為40km/h，得到了車輛不同前部結(jié)構(gòu)剛度特性曲線，該結(jié)果也是目前事故重建中用于定義多體車輛前部結(jié)構(gòu)剛度特性的主要參考依據(jù)[11-13]。由于車輛前部結(jié)構(gòu)多采用應變率敏感材料，其剛度隨碰撞速度的不同而改變；事故統(tǒng)計表明：車輛的碰撞速度范圍主要分布在20～60km/h內(nèi)[14-15]；因此，僅采用L.Martinez等人得到的剛度曲線具有一定局限性。

有研究表明：行人下肢損傷與保險杠剛度特性顯著相關，且下肢損傷風險隨保險杠剛度的增大而增加[16]。保險杠作為與行人身體部位最先發(fā)生碰撞的車輛前部結(jié)構(gòu)，其剛度特性的差異對行人運動學響應，以及頭部及下肢損傷嚴重程度的影響尚不清晰。

本文基于多剛體及有限元（finiteelement，F(xiàn)E）數(shù)值分析方法，對不同碰撞速度下保險杠加速度及接觸力曲線進行提取分析，提出一種可較為準確的獲取保險杠剛度特性的新方法，并研究了不同保險杠剛度特性對行人運動學響應、頭部及下肢損傷差異的影響。

1方法與材料

1.1保險杠剛度計算方法

典型的接觸力—位移曲線如圖1所示，主要包括彈性及塑性階段的加載曲線和考慮遲滯效應的卸載曲線。為得到汽車前保險杠的接觸力—位移曲線，首先對人—車碰撞過程中前保險杠的力傳遞路徑（如圖2所示）進行分析；其次，通過腿型沖擊器撞擊試驗分別獲取汽車前保險杠加速度、前保險杠形變隨時間的變化曲線；最后基于式（1）和（2）得到加速度曲線與接觸力—位移曲線的轉(zhuǎn)換關系，完成前保險杠剛度特性的獲取。

通常來說，基于法規(guī)的車輛不同前部結(jié)構(gòu)剛度特性主要以車速為40km/h進行碰撞測試得出。本文進行了20、40、60km/h等3組車速的腿型沖擊器碰撞試驗。

腿型與保險杠之間的接觸力F和保險杠的形變X分別為：

1.2多剛體及有限元模型

研究中使用了美國高速公路安全管理局（NationalHighwayTrafficSafetyAdministration，NHTSA）開發(fā)并驗證的某款乘用車有限元模型。由于網(wǎng)絡下載到的原始模型存在網(wǎng)格質(zhì)量較差、某些部件錯誤合并及原始穿透等問題，故進行了部分改進，同時為節(jié)省計算時間，本研究只保留了車輛前部部件（如圖3所示）。

所用的有限元腿型，為在歐洲車輛促進安全委員會第17工作組（EuropeanExperimentalVehicleCommitteeWorkingGroup17，EEVC/WG17）的基礎上創(chuàng)建且已經(jīng)驗證的ARUP腿型沖擊器模型[17]。該腿型由膝關節(jié)及與其相連的股骨和脛骨共3部分組成，其中股骨與脛骨采用剛性材料建模，并以CF-45泡沫材料模擬肉體材質(zhì)，皮膚采用厚度為1.5mm的纖維增強型橡膠材質(zhì)進行模擬。該腿型沖擊器總質(zhì)量為13.4kg，共包含7570個節(jié)點和7457個單元。為使搭建的汽車多體模型具有準確的前部結(jié)構(gòu)幾何尺寸和剛度特性，通過Madymo軟件自帶功能“ImportForeignCode”一鍵導入車輛前部結(jié)構(gòu)有限元模型，并在此基礎上采用橢球剛體對有限元模型進行完全貼合（圖4所示）。

汽車多體模型的前保險杠剛度特性基于有限元腿型沖擊器模擬得到，汽車其他前部結(jié)構(gòu)剛度特性基于L.Martinez等人[10]的測試結(jié)果進行定義。此外，為考慮不同車型對行人下肢損傷的影響，本文分別選擇轎車、運動型多用途汽車（sportutilityvehicle，SUV）和多用途汽車（multi-purposevehicles，MPV）共3款車型，車輛多體模型如圖4a-c所示。

行人多剛體數(shù)值模型采用YANGJikuang等人[18]開發(fā)的Chalmers行人模型（Chalmerspedestrianmodel，CPM）模型（見圖4d）。該模型采用24個橢球剛體代表真實人體各身體部位，且不同身體部位間通過14個關節(jié)鉸鏈進行相互連接。模型已通過尸體試驗驗證[18]，具有較高的生物逼真度。

1.3不同保險杠剛度下的行人損傷對比分析

將基于腿型沖擊器得到的不同車速下的前保險杠剛度特性曲線，加載至多體車輛模型中，建立多體仿真模型。選擇行人與車輛的摩擦數(shù)為0.3，車速40km/h，進行3組仿真。分別采用頭部運動學參數(shù)評價指標（線性加速度a、頭部損傷指標（headinjurycriterion）HIC15、角加速度ω、頭部（head）、大腿（thigh）、小腿（calf）的接觸力F）來表征頭部及下肢損傷嚴重程度。

2結(jié)果

2.1不同車速的保險杠接觸力-位移曲線獲取

不同車速下保險杠加速度曲線如圖5a所示。當車速為40km/h和60km/h時，由于車速較高，保險杠由于變形較大進而接觸到車輛其他結(jié)構(gòu)件，導致加速度峰值在一段時間內(nèi)均處于較高水平；當車速為20km/h時，此時保險杠形變較小，且由于自身吸能效應，導致加速度曲線始種處于較小范圍內(nèi)。

基于本研究1.1節(jié)中所述加速度曲線與接觸力—位移曲線的轉(zhuǎn)換關系，由圖5a中加速度隨時間變化曲線可得不同車速下的F—D曲線（圖5b）。當保險杠變形量為4cm時，不同車速下的接觸力均達到其峰值水平，且隨著車速的增加，保險杠變形量及接觸力均增大。

2.2保險杠剛度對行人頭部損傷影響

圖6為不同保險杠剛度與行人頭部損傷之間的關系圖，其中剛度A、B、C分別對應于圖5b中20、40、60km/h的接觸力—位移曲線。

由圖6a可知：不同車型下，頭部峰值線性加速度隨保險杠剛度的增大呈先增加后減小的趨勢。且相比于SUV和MPV車型，與轎車（Sedan）碰撞產(chǎn)生的峰值線性加速度更大。

圖6b為3種車型下，不同保險杠剛度對行人頭部HIC15值的影響情況。類似于頭部峰值線性加速度，HIC15隨保險杠剛度的增大也呈現(xiàn)增加后減小的趨勢。

圖6c和6d分別為不同保險杠剛度下頭部峰值角加速度和頭部最大接觸力的仿真結(jié)果。由圖6c可知，頭部峰值角加速度受保險杠剛度與車型的共同影響；且當車型為SUV和MPV時，車輛前保險杠剛度對頭部峰值角加速度影響顯著，且隨剛度的增大，峰值角加速度減小。由圖6d可知，3種車型下，車輛前保險杠剛度對行人頭部最大接觸力的影響較小。

2.3保險杠剛度對行人下肢損傷的影響

3種車型的不同保險杠剛度對大腿及小腿接觸力的變化關系曲線如圖7所示。總體來說，3種車型下大腿及小腿接觸力均隨著保險杠剛度的增加而增大，且保險杠剛度C的腿部接觸力最大，剛度B次之，保險杠剛度為A時的大腿及小腿接觸力最小。G.W.Nyquist等人[19]基于尸體試驗得到的脛骨骨折峰值接觸力為2～6kN，因此可得保險杠剛度是影響脛骨骨折的重要因素。

2.4車輛類型對行人運動學響應的影響

圖8為3種車輛類型下行人的整體運動學響應。

總體來說，當車型為轎車及SUV車型時，行人頭部均首先與風擋玻璃下緣發(fā)生碰撞，隨后行人被拋向空中，在空中旋轉(zhuǎn)約360°左右后與地面發(fā)生二次碰撞。相比于SUV車型，轎車車型下的行人在空中旋轉(zhuǎn)角度更大。且2種車型下，行人第一著地部位也有所不同。當車型為MPV時，行人頭部首先與車輛風擋中間區(qū)域發(fā)生碰撞，隨后行人被拋向空中，在空中旋轉(zhuǎn)約275°后，以下肢為第一著地部位與地面發(fā)生接觸。值得注意的是，該車型下，行人除了產(chǎn)生繞車輛行駛方向的垂方向的繞轉(zhuǎn)運動外，同時還包括沿車輛行駛軸線的旋轉(zhuǎn)運動。

3討論

結(jié)果表明：

1）在不同的碰撞速度下，保險杠剛度特性存在較大差異，如接觸力—位移曲線的峰值與變形量。剛度A和B之間的差異比剛度B和C之間的差異更加顯著。車型不同，行人整體運動學響應也存在差異，車型為MPV時的行人運動學響應差異較SUV及轎車車型更為顯著。主要原因在于車型不同，車輛前部結(jié)構(gòu)也會隨著變化，進而導致行人運動學響應存在明顯差異。

2）對于同種車型而言，不同保險杠剛度特性除對行人下肢運動學響應有微小差別外，對行人整體運動學響應并無明顯差異。主要原因在于下肢與前保險杠接觸點與行人旋轉(zhuǎn)質(zhì)心相距較遠，其下肢運動學的差異對行人整體運動學響應的影響幾乎可以忽略。

3）由于不同車型的前部結(jié)構(gòu)具有差異，進而導致頭部損傷差異顯著；對于同一車型而言，由保險杠剛度特性導致的頭部損傷差異較小。同時，作為與保險杠首先發(fā)生碰撞的身體部位，下肢的損傷風險與保險杠剛度特性顯著相關，且下肢損傷風險隨保險杠剛度的增大而增加。

4結(jié)論

本文提出了一種獲取精確的保險杠剛度參數(shù)的新方法，為精細化事故重建準確定義保險杠剛獨特性提供了重要保障。通過對不同保險杠剛度特性對行人整體運動學響應及頭部、下肢損傷的結(jié)果是：

在轎車40km/h的碰撞速度下，3種保險杠剛度與行人頭部最大接觸力分別4.28、4.32、4.26kN，頭部損傷指標HIC15為2392、2724、2562，剛度特性對頭部損傷影響較小；對大腿最大接觸力分別為2.63、4.10、8.24kN，小腿最大接觸力為3.94、5.90、9.36kN；行人下肢損傷風險隨保險杠剛度增大而增加。

結(jié)果表明：同一車型下的不同保險杠剛度對行人整體運動學響應及頭部損傷影響較小，但對行人下肢損傷較為顯著。