客車側(cè)翻碰撞中的乘員損傷研究*

曹立波，阮誠(chéng)心，2，陳 杰，王洪寶

(1.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082; 2.胡志明工業(yè)大學(xué)汽車工程系，越南胡志明市)

前言

隨著各國(guó)的城市交通與長(zhǎng)途客運(yùn)的迅速發(fā)展，客車數(shù)量不斷增加，涉及客車的交通事故也不斷增加，因此，客車的安全性越來(lái)越受到重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)，1999－2003年間客車交通事故平均每年造成40人死亡、18 430人受傷［1］。在歐洲，公共汽車和長(zhǎng)途客車交通事故平均每年約發(fā)生20 000起，造成約200人死亡和30 000多人受傷［2］。因此，進(jìn)行客車側(cè)翻碰撞過(guò)程中乘員損傷機(jī)理研究對(duì)于保護(hù)乘員生命安全具有重要意義。

目前，與客車安全性相關(guān)的法規(guī)主要是歐洲的ECE R66法規(guī)，該法規(guī)通過(guò)對(duì)生存空間的要求間接地提出了對(duì)車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度的要求，但未提出客車側(cè)翻過(guò)程中與乘員損傷參數(shù)相關(guān)的要求［3］，使?jié)M足該法規(guī)的客車能否在側(cè)翻碰撞中對(duì)乘員提供有效的保護(hù)成為疑問(wèn)。

國(guó)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了客車側(cè)翻碰撞過(guò)程中乘員損傷的研究。2003年歐洲長(zhǎng)途客運(yùn)汽車和公共汽車安全性報(bào)告比較全面地研究了歐洲各國(guó)的客車安全狀況，并提出在ECE R66法規(guī)中增加乘員損傷評(píng)價(jià)的改進(jìn)建議［2］;文獻(xiàn)［4］中對(duì)客車側(cè)翻過(guò)程中非碰撞側(cè)未佩戴安全帶乘員和站立乘員的損傷進(jìn)行了研究，結(jié)果表明乘員頭部和頸部損傷較為嚴(yán)重;文獻(xiàn)［5］中采用MADYMO軟件建立了客車局部車身段多剛體模型，并在碰撞側(cè)放置單個(gè)Euro SID側(cè)碰假人，研究了客車結(jié)構(gòu)剛度、約束系統(tǒng)和乘員身材對(duì)客車側(cè)翻乘員損傷的影響;文獻(xiàn)［6］中分別進(jìn)行了Hybrid III假人在佩戴三點(diǎn)式安全帶、兩點(diǎn)式安全帶和未佩戴安全帶時(shí)假人頭部和頸部損傷的研究和對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)客車側(cè)翻時(shí)，未佩戴安全帶的乘員會(huì)被彈離座椅而受到嚴(yán)重傷害，佩戴安全帶會(huì)約束乘員不脫離座椅而大大減小受傷的危險(xiǎn)，佩戴三點(diǎn)式安全帶雖然頭部損傷指數(shù)HIC較小，但乘員增加了頸部受力，而佩戴兩點(diǎn)式安全帶時(shí)HIC雖較大，但仍在可接受的范圍內(nèi)，故建議在客車中使用兩點(diǎn)式安全帶。但是他們的研究工作均未考慮客車側(cè)翻過(guò)程中相鄰乘員相互作用對(duì)乘員損傷的影響。

本文中基于ECE R66法規(guī)和客車LS-DYNA側(cè)翻安全性仿真結(jié)果，采用MADYMO軟件建立了客車側(cè)翻有限元與多體的混合模型，研究了客車側(cè)翻過(guò)程中相鄰乘員相互作用對(duì)乘員損傷的影響。

1 ECE R66法規(guī)介紹

ECE R66法規(guī)修訂于2006年2月底，適用于載客多于22人的客車?？蛙噦?cè)翻碰撞安全性試驗(yàn)要求客車停放在一個(gè)水平的翻轉(zhuǎn)平臺(tái)上，翻轉(zhuǎn)起始水平面與下方的撞擊面高度相差800mm，客車在沒(méi)有搖晃和不受其他外力影響的情況下側(cè)傾直至翻倒，側(cè)傾角速度不應(yīng)超過(guò)5°/s(0.087rad/s)，見(jiàn)圖1。

ECE R66法規(guī)要求，客車側(cè)翻碰撞試驗(yàn)時(shí)，須確保側(cè)翻變形后車身結(jié)構(gòu)不得侵入生存空間，生存空間內(nèi)的任何部件也不得侵入到生存空間之外。乘員生存空間尺寸的定義如圖2所示。

2 客車側(cè)翻有限元與多體混合模型的建立

取某客車經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的側(cè)翻有限元模型的中間節(jié)段作為對(duì)比，建立了該局部節(jié)段的MADYMO側(cè)翻有限元與多體的混合模型，如圖3和圖4所示。在建模過(guò)程中，對(duì)在側(cè)翻中變形較小的客車底架、坐墊骨架和靠背骨架采用多體來(lái)模擬，其質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)有限元模型數(shù)據(jù)設(shè)定;對(duì)變形較大的車身骨架、蒙皮、窗玻璃和座椅支撐結(jié)構(gòu)采用有限元法來(lái)模擬，互相通過(guò)共節(jié)點(diǎn)方式連接;有限元與多剛體的連接采用Support關(guān)鍵字模擬連接。有限元結(jié)構(gòu)材料均采用Isotropic Elastoplastic Material模擬，材料屬性按照實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

在車身碰撞側(cè)的座椅上建立了兩點(diǎn)式安全帶模型，并在座椅上分別單獨(dú)放置一個(gè)、并排放置兩個(gè)Euro SID-I假人，如圖5和圖6所示。同時(shí)，創(chuàng)建了車內(nèi)乘員二維生存空間，不設(shè)置生存空間與其它結(jié)構(gòu)之間的接觸。

翻轉(zhuǎn)平臺(tái)和撞擊面采用剛性平面來(lái)模擬，并考慮接觸特性。車身骨架結(jié)構(gòu)與蒙皮的接觸使用CONTACT.FE_FE定義，摩擦因數(shù)取0.3;假人與車身上部結(jié)構(gòu)、假人與安全帶的接觸使用CONTACT.MB_FE定義，摩擦因數(shù)取0.5;假人與座椅的接觸使用CONTACT.MB_MB定義，摩擦因數(shù)取0.3。

ECE R66法規(guī)規(guī)定，客車側(cè)翻碰撞安全性試驗(yàn)前停放在水平翻轉(zhuǎn)平臺(tái)上，翻轉(zhuǎn)起始水平面與撞擊面之間高度差為0.8m，翻轉(zhuǎn)時(shí)平臺(tái)向撞擊面的一側(cè)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)客車側(cè)傾直至翻倒，平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角速度不超過(guò)5°/s。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，仿真分析從客車處于翻轉(zhuǎn)臨界位置開(kāi)始，翻轉(zhuǎn)側(cè)傾角速度采用JOINT.REVO來(lái)定義，角速度為ω=0.087rad/s。為充分得到側(cè)翻過(guò)程中車身的變形情況，客車碰撞過(guò)程仿真時(shí)間設(shè)定為1.5s。

3 側(cè)翻過(guò)程仿真

分別采用客車有限元側(cè)翻模型(LS-DYNA模型)和客車有限元與多剛體混合側(cè)翻模型(MADYMO模型)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。由圖可見(jiàn):兩種模型的側(cè)翻時(shí)質(zhì)心加速度隨時(shí)間變化曲線的走勢(shì)基本一致;LS-DYNA模型的質(zhì)心加速度在1.20s時(shí)達(dá)到最大峰值10.5g，MADYMO模型的質(zhì)心加速度在1.19s時(shí)達(dá)到最大峰值9.7g，兩者的質(zhì)心加速度最大峰值和相應(yīng)時(shí)刻基本一致，波峰脈寬也大致相同。

為進(jìn)行客車側(cè)翻模型的變形量對(duì)比，定義車身碰撞側(cè)各立柱對(duì)生存空間的侵入量D，以變形后生存空間到側(cè)圍的最小距離計(jì)算D值，負(fù)值表示侵入，正值表示未侵入，如圖8所示。

客車LS-DYNA模型和MADYMO模型仿真后變形對(duì)比結(jié)果如圖9和表1所示?？梢钥闯觯瑑烧咴谲嚿碜冃涡问胶蛯?duì)生存空間的侵入量上基本一致，最大誤差在10%左右。同時(shí)，車身上部結(jié)構(gòu)變形后均未侵入乘員生存空間，滿足ECE R66法規(guī)要求。

表1 客車車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)對(duì)生存空間的侵入量

通過(guò)以上客車質(zhì)心加速度和車身上部結(jié)構(gòu)變形分析表明，客車LS-DYNA模型和MADYMO模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)基本一致，說(shuō)明客車側(cè)翻MADYMO模型基本有效，可用于后續(xù)研究。

4 客車側(cè)翻乘員損傷分析

由于客車側(cè)翻乘員損傷形式與側(cè)碰具有較大的相似性，因此，本文中采用Euro SID-I假人對(duì)客車側(cè)翻乘員損傷機(jī)理進(jìn)行分析研究，損傷指標(biāo)主要參考?xì)W洲的側(cè)碰法規(guī)要求。

(1)頭部損傷指標(biāo)HIC

式中:a為頭部合成加速度;t1和t2分別為積分時(shí)間間隔內(nèi)的起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻，在這時(shí)間間隔內(nèi)HIC值最大。

(2)胸部損傷指標(biāo)TTI

式中:GR為肋骨的加速度峰值;GLS為脊柱下端位置處的加速度峰值。

(3)胸部壓縮量D

(4)胸部黏性指標(biāo)VC

側(cè)碰法規(guī)規(guī)定Euro SID-I假人頭部合成加速度HIC36ms＜1 000，胸部壓縮量D＜42mm，胸部黏性指標(biāo)VC＜1.0m/s，腹部合力APF＜2 500N，骨盆峰值力PSPF＜6 000N，背板峰值力Fy＜4 000N。

4.1 單個(gè)乘員的損傷分析

將單個(gè)Euro SID-I側(cè)碰假人M2放置在碰撞側(cè)靠窗的座椅上，并佩戴兩點(diǎn)式安全帶，進(jìn)行客車側(cè)翻碰撞乘員損傷仿真分析，如圖10和表2所示。

結(jié)果表明，客車在側(cè)翻過(guò)程中，盡管側(cè)圍變形未侵入生存空間，但TTI卻超出了法規(guī)限值:胸部損傷指標(biāo)為281.7g，達(dá)到了側(cè)碰法規(guī)要求的假人胸部損傷指標(biāo)的3.13倍。這主要是由于假人M2的肩部與客車側(cè)窗玻璃距離較近，在500ms時(shí)，假人左肩部接觸到側(cè)圍和窗戶玻璃，當(dāng)客車進(jìn)一步側(cè)翻到與地面發(fā)生碰撞時(shí)，側(cè)圍結(jié)構(gòu)變形彎曲，使假人肩部承受較大的碰撞力，假人M2會(huì)承受較大的胸部加速度，導(dǎo)致TTI增大，而由于胸部沒(méi)有與客車及地面直接接觸，胸部壓縮量反而很小。因此，在這種情況下仍然會(huì)對(duì)乘員造成較嚴(yán)重的損傷。

表2 單個(gè)假人時(shí)的損傷值

4.2 乘員發(fā)生相互作用時(shí)的損傷分析

將兩個(gè)Euro SID-I側(cè)碰假人M1和M2并排放置在碰撞側(cè)座椅上，并佩戴兩點(diǎn)式安全帶，進(jìn)行客車側(cè)翻乘員損傷仿真分析，如圖11和表3所示。

由表3可知，當(dāng)并排放置假人M1和假人M2在客車碰撞側(cè)座椅上并佩戴兩點(diǎn)式安全帶時(shí)，與未放置假人M1時(shí)的假人M2損傷值比，大部分損傷值有所增加。例如，假人M2胸部損傷指標(biāo)TTI增加了75.9%，腹部合力增加了30%，背板峰值力增加了92.7%，頭部損傷指標(biāo)HIC36ms增加了119%，頸部上端合力增加了80.1%，胸部黏性指標(biāo)增加了93.3%。但是，胸部壓縮量減小了4.6%，這主要是因?yàn)榧偃薓2與車窗玻璃的接觸主要在肩部，如圖12所示，當(dāng)有兩個(gè)假人時(shí)，假人M1和車窗玻璃對(duì)假人M2都有一個(gè)擠壓作用，雖然肩部擠壓明顯增加，但由于假人M2的手臂向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使其胸部并沒(méi)有直接受力，從而導(dǎo)致假人M2的胸部壓縮量減小。這與假人在此局部的生物逼真度不足有一定的關(guān)系。同時(shí)，由于胸部壓縮量較小，在損傷評(píng)價(jià)時(shí)可不作考慮。

結(jié)果表明，TTI和腹部合力這兩個(gè)損傷值比側(cè)碰法規(guī)要求的損傷限值大，因此，客車在發(fā)生側(cè)翻碰撞時(shí)，乘員胸部與腹部會(huì)有較大損傷風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，當(dāng)側(cè)翻側(cè)座椅上乘坐有兩名乘員時(shí)，靠窗戶的乘員承受的損傷會(huì)增加，如表3所示。

表3 當(dāng)放置和未放置假人M1時(shí)的假人M2損傷值對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析研究了客車側(cè)翻碰撞過(guò)程中乘員的損傷情況和乘員間的相互作用對(duì)乘員損傷的影響。結(jié)果表明，即使客車結(jié)構(gòu)變形未侵入歐洲ECE R66法規(guī)中要求的乘員生存空間，但是乘員胸部和腹部損傷值仍然較大，特別是當(dāng)相鄰兩乘員發(fā)生相互作用時(shí)，乘員的損傷會(huì)更嚴(yán)重。在側(cè)翻碰撞中單純地以是否侵入生存空間為判定標(biāo)準(zhǔn)，不足以保證乘員安全性。該研究對(duì)側(cè)翻碰撞法規(guī)的進(jìn)一步完善有一定指導(dǎo)意義。

［1］National Institute of Aviation Research.Mass Transit Crashworthiness Statistical Data Analysis，Report#FTA-002［R］.Kansas 67260 －0093，12 Dec 2005.

［2］Final Publishable Report，ECBOS-Enhanced Coach and Bus Occupant Safety，Project N°:1999-RD.11130［R］.European Commission 5th Framework，2003.

［3］ECE R66 E/ECE/324 Rev.1/Add.65/Rev.1.Uniform Technical Prescriptions Concerning The Approval of Large Passenger Vehicles with Regard to The Strength of Their Superstructure［S］.Untied Nations，2006.

［4］Pankaj S Deshmukh.Rollover and Roof Crush Analysis of Lowfloor Mass Transit Bus［D］.Wichita State University，December 2006.

［5］Belingardi G，Gastaldin D，Martella，et al.Multibody Analysis of M3 Bus Rollover:Structural Behaviour and Passenger Injury Risk［C］.18th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles，ESV，Nagoya，Japan，May，2003.

［6］Mehmet A Guler，Ali O Atahan，et al.Crashworthiness Evaluation of an Intercity Coach Against Rollover Accidents［J］.Int.J.Heavy Vehicle Systems，2011，18(1).