汽車正面碰撞中人體坐姿對駕駛員傷害的分析

鞠海蒙，沈 輝，孫 亞，孫 健

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

汽車碰撞之前，乘員的坐姿除了受坐墊傾角以及靠背剛度的影響之外，還會(huì)因?yàn)閭€(gè)人的身高以及駕駛的習(xí)慣不同而改變，從而導(dǎo)致駕駛員的頭部與方向盤間距離的改變。在碰撞過程中，人的頭部主要受到安全氣囊的約束保護(hù)，頭部與方向盤間的距離決定著安全氣囊對頭部保護(hù)的效果，因此，碰撞中頭部受到的傷害與人體坐姿存在著必然的聯(lián)系。

本文使用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件MADYMO建立正面碰撞模型，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析，以假人的頭部損傷值HIC為主要參考依據(jù)，對比碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證仿真的效果；利用仿真模型分析假人坐姿對乘員傷害的影響，為汽車座椅的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 正面碰撞模型的建立

基于多體（MB）動(dòng)力學(xué)計(jì)算和顯式動(dòng)態(tài)有限元（FE）計(jì)算，利用 MADYMO軟件建立車體模型，選用HybridⅢ第50百分位男性假人，采用三點(diǎn)式多剛體-有限元安全帶模型，建立安全氣囊的有限元模型并定義其FE接觸，以構(gòu)建汽車正面碰撞成員的約束系統(tǒng)模型，如圖1所示。

2 驗(yàn)證仿真的效果

為了能使用MADYMO軟件分析人體形態(tài)保護(hù)效果，必須將其所建立模型的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)車碰撞試驗(yàn)中得到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證MADYMO所得到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。其模型的驗(yàn)證遵循“自下而上”的規(guī)則進(jìn)行，力和加速度信號需滿足“起始時(shí)刻、形狀、峰值、峰值時(shí)刻及脈寬”等基本特征，若與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差小于25%，則認(rèn)為模型是有效的。圖2為人體傾角為0°時(shí)實(shí)車碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比。

由圖2可以看出，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本走向大體相同，但也存在一定的誤差，頭部合成加速度的仿真數(shù)據(jù)最大峰值出現(xiàn)在85.1ms時(shí)刻，數(shù)值為422.84m／s2，而試驗(yàn)數(shù)據(jù)的峰值則出現(xiàn)在87.5ms時(shí)刻，數(shù)值為447.85m／s2，兩者的誤差為5.58%；胸部合成加速度的仿真數(shù)據(jù)最大峰值出現(xiàn)在65.4ms時(shí)刻，數(shù)值為337.33m／s2，而試驗(yàn)數(shù)據(jù)的峰值則出現(xiàn)在66.9ms時(shí)刻，數(shù)值為306.58m／s2，兩者的誤差為10.03%；髖部合成加速度的仿真數(shù)據(jù)最大峰值出現(xiàn)在57.0ms時(shí)刻，數(shù)值為632.77m／s2，而試驗(yàn)數(shù)據(jù)的峰值則出現(xiàn)在54.9ms時(shí)刻，數(shù)值為606.49m／s2，兩者的誤差為4.33%。分別對比頭部、胸部及髖部的加速度，其誤差值都控制在15%之內(nèi)，且加速度峰值出現(xiàn)的時(shí)間也大體一致，誤差也在3ms之內(nèi)，所以模型是有效的。

圖1 MADYMO正面碰撞乘員約束系統(tǒng)模型

3 人體坐姿對乘員響應(yīng)的影響

由于人體的上軀干與下軀干的交點(diǎn)H點(diǎn)的位置是以坐姿舒適性以及操作方便性為前提，所以假人坐姿的調(diào)節(jié)首先要固定好H點(diǎn)位置。坐姿的變化主要是通過改變?nèi)梭w上軀干相對于Z軸的傾角，即在MADYMO軟件中調(diào)節(jié)假人脊柱跟頭部的角度。分別對前傾10°、前傾為0°及后傾10°三種狀態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的各組加速度數(shù)據(jù)和傷害輸出如表1所示。

分析頭部合成加速度和傷害輸出數(shù)據(jù)可知：前傾角度越小頭部加速度峰值則越大，且增幅較大，頭部HIC值也同樣有較大的增加，這是由于在發(fā)生碰撞時(shí)，適當(dāng)?shù)那皟A角可以使得駕駛員能及早地與完全彈開的安全氣囊相接觸，這樣可以及時(shí)降低頭部加速度，減輕頭部的損傷。

圖2 實(shí)車碰撞試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)的對比

表1 改變坐姿時(shí)人體各部加速度和傷害輸出

分析胸部合成加速度和傷害輸出數(shù)據(jù)可知：前傾角度越小胸部加速度峰值越小，且前傾角度為正值時(shí)，其變化較明顯，而前傾角度為負(fù)值時(shí)，即人體后傾時(shí)，其變化較小。分析髖部合成加速度可知：加速度峰值基本相等，這是因?yàn)檎{(diào)節(jié)傾角是調(diào)節(jié)脊柱以上人體部位，所以傾角的變化對髖部沒有影響。

若繼續(xù)增大前傾角至15°時(shí)，則頭部合成加速度會(huì)出現(xiàn)如圖3所示的情況。由圖3可知：前傾角至15°時(shí)到達(dá)波峰的時(shí)間明顯提前，即在碰撞時(shí)安全氣囊沒有完全彈開的情況下，頭部就開始接觸安全氣囊，此時(shí)安全氣囊充氣過程會(huì)給頭部一個(gè)反作用力，對頭部的沖擊非常大，甚至可能致命，這樣安全氣囊不但保護(hù)不了駕駛員，而且會(huì)對駕駛員造成更大的傷害，駕駛員應(yīng)該盡量避免這樣的情況發(fā)生。另外，由于氣囊展開模型采用的是均勻壓力模型，其具有一定的局限性，不適用安全氣囊未完全展開即接觸頭部的情況，所以此時(shí)計(jì)算的加速度值和傷害輸出值是有誤差的。

圖3 前傾角為15°時(shí)頭部合成加速度曲線

4 結(jié)論

汽車發(fā)生碰撞時(shí)，保證安全氣囊完全彈開之后頭部才接觸氣囊，即人體前傾角小于10°時(shí)，增大角度可以減小頭部損傷。若前傾角大于15°時(shí)，氣囊沒有完全彈開，頭部即開始接觸安全氣囊，此時(shí)，氣囊彈開時(shí)的反作用力會(huì)加劇人體頭部和頸部的傷害。

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