基于THUMS人體模型的小重疊碰撞分析

崔東，魯爽，祁志楠

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

基于THUMS人體模型的小重疊碰撞分析

崔東，魯爽，祁志楠

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

借助THUMS人體模型，建立了某SUV車型的小重疊碰有限元分析模型。由于車體與壁障重疊率較小，車身結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重，該車結(jié)構(gòu)評級為Poor。借助THUMS人體模型評估了駕駛員傷害情況，得出了駕駛員顱腦產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的可行性較小，駕駛員肋骨會產(chǎn)生骨折，心臟及肺部會受到嚴(yán)重?fù)p傷，肝臟會產(chǎn)生輕微損傷的結(jié)論。

小重疊碰撞；THUMS人體模型；有限元

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-110-03

前言

美國IIHS于2012年發(fā)布了25%小重疊碰撞(以下簡稱為小重疊碰)。小重疊碰主要用于模擬重疊率更低的交通事故[1]。由于車體與剛性壁障重疊率較低，車體的A柱、門檻等關(guān)鍵部位的變形更加惡劣，對車身的安全性要求更高，對車身結(jié)構(gòu)的耐撞性提出了更加苛刻的要求。

小重疊碰發(fā)生時，車身會有較大的轉(zhuǎn)動，會導(dǎo)致車內(nèi)人體頭部無法撞擊到氣囊中部，導(dǎo)致氣囊保護(hù)效果變差。文獻(xiàn)2-3，對比評估了小重疊工況下的假人傷害情況，小重疊工況車內(nèi)乘員易受到更嚴(yán)重傷害[2-3]。

目前在正面碰撞分析應(yīng)用的假人為Hybrid III型假人，Hybrid III假人通過內(nèi)置的各種傳感器，采集碰撞中的相關(guān)傳感器信息，后期通過公式擬合來評估人體的損傷，具有一定的局限性。THUMS模型是在人體解剖學(xué)的基礎(chǔ)上，對人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織進(jìn)行模擬的生物力學(xué)有限元模型，THUMS人體模型能夠準(zhǔn)確評價碰撞中車內(nèi)乘員各部位的傷害情況[4]。

圖1 25%小重疊碰撞試驗(yàn)示意圖

本文通建立了某SUV車型的整車有限元模型，用該整車模型及THUMS人體模型進(jìn)行了小重疊碰撞分析，并依據(jù)IIHS重疊法規(guī)對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了評級，并評估了THUMS人體模型的損傷情況。

1、某SUV有限元模型搭建

本文建立了某SUV的整車有限元模型，并導(dǎo)入THUMS人體模型，建立小重疊碰撞碰撞工況的整車碰撞模型，如圖2所示。其中THUMS人體模型以及主駕安全氣囊模型如圖3、圖4所示。

圖2 整車碰撞有限元模型

圖3 THUMS人體模型

圖4 主駕安全氣囊模型

2、小重疊碰撞仿真分析

2.1 整車結(jié)構(gòu)評級

對SUV車型小重疊工況仿真分析，其左側(cè)B柱加速度如圖5所示。加速區(qū)峰值較高，達(dá)50g。

圖5 左側(cè)B柱加速度曲線

其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變形如圖6所示。由于車體與壁障重疊率較低，縱梁未變形吸能，導(dǎo)致、A柱、門檻變形嚴(yán)重，乘員空間嚴(yán)重壓縮。

圖6 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變形圖

按照IIHS 小重疊法規(guī)，相關(guān)位置的車體入侵了如表1所示。該車乘員艙總體入侵較大，結(jié)構(gòu)評級為Poor。

表1 小重疊碰撞侵入量(cm)與評級情況

2.2 乘員傷害評價

由于該車乘員艙變形嚴(yán)重，駕駛員受到嚴(yán)重?cái)D壓。在100ms時，THUMS人體模型姿態(tài)如圖7所示。由于小重疊碰撞車體旋轉(zhuǎn)較大，頭部未接觸到氣囊中心區(qū)域，而是向左滑出，氣囊保護(hù)效果欠佳。人體模型胸部受到安全帶的拉緊里，產(chǎn)生嚴(yán)重凹陷。

圖7 100ms THUMS人體模型姿態(tài)

文獻(xiàn)5指出，顱內(nèi)壓力大于235kPa，會導(dǎo)致大腦嚴(yán)重?fù)p傷，顱內(nèi)壓力介于173-235kPa之間，大腦會發(fā)生中等程度傷害，顱內(nèi)壓力低于173kPa會發(fā)生輕微傷害或者無傷害[5]；THUMS人體模型顱腦壓力峰值為105.5kPa，如圖8所示，顱腦產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的可行性不大。

圖8 顱腦壓力

THUMS人體模型胸腔傷害如圖8所示。文獻(xiàn)6指出，當(dāng)肋骨應(yīng)變率超過1.7%時，肋骨可能會發(fā)生骨折[6]；文獻(xiàn)7指出，當(dāng)胸部壓力達(dá)到170kPa時，會造成心臟損傷；當(dāng)胸部壓力達(dá)到16kPa時，會引起肺部損傷；當(dāng)胸部壓力達(dá)到251kPa時，會造成肝臟損傷[7]。結(jié)合上述研究與THUMS人體模型仿真結(jié)果，THUMS人體模型胸腔各部位傷害結(jié)果如表2所示。

通過仿真分析，該車在小重疊碰撞的工況下，駕駛員肋骨會產(chǎn)生骨折，心臟及肺部會受到嚴(yán)重?fù)p傷，肝臟會產(chǎn)生輕微損傷。

圖8 胸腔傷害

表2 THUMS人體模型胸部損傷評價標(biāo)準(zhǔn)及傷害

3、結(jié)論

借助THUMS人體模型建立了某SUV車型小重疊碰撞有限元模型，并進(jìn)行了小重疊碰仿真分析。由于小重疊碰車體與剛性壁障重疊率較低，車身A柱、門檻變形嚴(yán)重，乘員艙入侵嚴(yán)重，按照IIHS 小重疊標(biāo)準(zhǔn)，車身結(jié)構(gòu)評價為Poor。小重疊碰由于車體有較大旋轉(zhuǎn)，駕駛員頭部與安全氣囊接觸姿態(tài)較差；由于受到氣囊保護(hù)，駕駛員顱腦壓力較小，顱腦產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的可行性不大。由于轉(zhuǎn)向管柱跳動，以及安全帶的作用力，駕駛員肋骨會產(chǎn)生骨折，心臟及肺部會受到嚴(yán)重?fù)p傷，肝臟會產(chǎn)生輕微損傷。

[1] 王翼, 楊桃. 車輛小重疊探討[J]. 汽車工程師, 2014, 10: 13-15.

[2] 陳可明, 胡麗娟, 胡晏殊. 國內(nèi)某車型小偏置正面碰撞的全面評估[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào), 2013, 4(1) :27-34.

[3] 曹立波, 張萍, 顏凌波, 等. 在車對車碰撞條件下轎車斜角碰撞及小重疊碰撞的駕駛員損傷研究[J]. 汽車工程, 2016, 2: 174-180.

[4] 高繼東, 祁志楠, 謝書港, 等. 基于THUMS人體模型的正撞乘員傷害研究[J]. 汽車工程, 2016, 38(8):947-954.

[5] Ward C C, Chan M, Nahum A M. Intracranial pressure-A brain injury criterion [J]. 1980, SAE 801304.

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[7] Ruan J, El-Jawahri R, Chai L, et al. Prediction and analysis of human thoracic impact responses and injuries in cadaver impacts using a full human body finite element model[J]. Stapp car crash journal, 2003, 47: 299-321.

Study on the Small overlap crash Based on the THUMS Human model

Cui Dong, Lu Shuang, Qi Zhinan
( China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300 )

This paper used THUMS human model to establish the small overlap crash finite element model of a SUV. The overlap rate between the vehicle body and the wall was small, the structure of the car body was seriously deformed, the vehicle structure got the Poor rate. The paper used THUMS human model to evaluate driver injury, the feasibility of the driver's brain risk was small, The driver's rib fracture, the heart and lungs will be severely damaged, the liver will produce minor damage.

small overlap crash; THUMS human model; finite element

U467.3

A

1671-7988 (2017)08-110-03

崔東，男，工程師，就職于中國汽車技術(shù)研究中心汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.037