汽車小偏置正面碰撞對(duì)駕駛員小腿傷害的分析

丁成 陳偉剛

（北京汽車股份有限公司研究院）

隨著汽車保有量的不斷增加，交通事故呈現(xiàn)逐步增長(zhǎng)趨勢(shì)，消費(fèi)者對(duì)汽車安全性能更加關(guān)注。在汽車碰撞過(guò)程中，正面碰撞是汽車發(fā)生碰撞事故的主要形式。其中小偏置正面碰撞約占正面碰撞死亡事故的1/5[1]。因此，美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（IIHS）于2012-08正式頒布了汽車小偏置正面碰撞的試驗(yàn)規(guī)范和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[2]，根據(jù)IIHS制定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行小偏置碰撞試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)通常駕駛員左側(cè)小腿在碰撞過(guò)程中損傷嚴(yán)重，是主要失分項(xiàng)。為此，文章根據(jù)汽車小偏置碰撞試驗(yàn)的特點(diǎn)及約束系統(tǒng)匹配原則，對(duì)汽車小偏置碰撞中駕駛員小腿傷害情況進(jìn)行分析，優(yōu)化小腿得分，提出相應(yīng)的解決方法。

1 小偏置碰撞試驗(yàn)規(guī)范[3]

IIHS定義的小偏置正面碰撞試驗(yàn)工況，如圖1所示。被測(cè)試車以64 km/h的初始速度正面撞擊特制的小偏置剛體壁障，車體前部與壁障重疊部分為車體寬度的25%。其中，特制的小偏置剛體壁障與車體接觸處有一個(gè)半徑為150 mm的倒角，同時(shí)該壁障需要被固定在一個(gè)巨大的剛體墻上。

圖1 美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(IIHS)定義的小偏置正面碰撞試驗(yàn)工況示意圖

2 假人小腿評(píng)價(jià)指標(biāo)和傷害機(jī)理

根據(jù)IIHS制定的小偏置正面碰撞的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[4]，小腿的評(píng)價(jià)指標(biāo)有Mx（小腿繞X軸的彎矩）、My（小腿繞Y軸的彎矩）及Fz（小腿軸向壓縮力）。

碰撞假人與真人的人體生物特性吻合程度直接影響正確評(píng)價(jià)汽車對(duì)乘員的保護(hù)能力[5]。目前在汽車安全碰撞過(guò)程中所使用的HybridⅢ50百分位試驗(yàn)假人能夠很好地滿足人體力學(xué)結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能，保證了在碰撞過(guò)程中能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)身體各部位的傷害程度[6]。小腿骨上下兩端分別安裝有傳感器，用于采集小腿在碰撞過(guò)程中的上下脛骨所受Mx，My及Fz的情況。圖2示出HybridⅢ50百分位假人小腿結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 HybridⅢ50百分位假人小腿結(jié)構(gòu)示意圖

3 LSDYNA仿真模型的建立

文章基于LSDYNA建立的有限元模型，比以往的MADYMO模型對(duì)小腿的仿真?zhèn)雀?。該模型采用SUB-MODEL建模方法，使用LSDYNA中的關(guān)鍵字interface_component_node提取所需要的點(diǎn)（防火墻、油門(mén)踏板、玻璃、護(hù)膝板橫梁、座椅及安全帶固定點(diǎn)等所有與假人運(yùn)動(dòng)相關(guān)點(diǎn)）的運(yùn)動(dòng)信息，并設(shè)置為點(diǎn)集合（Nodes Set），然后將這些點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息輸入給子模型，作為其運(yùn)動(dòng)的邊界條件。該方法的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省計(jì)算時(shí)間。最后通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)，將仿真模型與試驗(yàn)假人傷害曲線對(duì)標(biāo)，保證該模型進(jìn)行仿真優(yōu)化分析的準(zhǔn)確性。圖3示出LSDYNA有限元模型。

圖3 汽車小偏置正面碰撞LSDYNA有限元模型圖

4 小腿得分影響因素分析

為了提高小腿得分，降低小腿傷害程度，對(duì)小腿傷害有影響的外界因素逐一進(jìn)行分析。

4.1 護(hù)膝板造型的影響

護(hù)膝板造型與假人腿部接觸表面要求盡量平直，否則會(huì)對(duì)小腿產(chǎn)生較大的傷害，圖4示出某車型護(hù)膝板與小腿截面圖。從圖4中可以看出，該造型面對(duì)小腿上脛骨有硬點(diǎn)沖擊影響，是導(dǎo)致小腿上脛骨Fz和My增大的原因之一，因此對(duì)護(hù)膝板造型沿黑色線所示位置進(jìn)行修改，保證小腿與護(hù)膝板平滑面接觸，降低小腿上脛骨的碰撞傷害。文章優(yōu)化出2種改進(jìn)方案，以便后續(xù)進(jìn)行組合優(yōu)化分析。

圖4 某車型護(hù)膝板與小腿截面示意圖

4.2 安全帶限力的影響分析

在假人小腿傷害分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果能夠很好地限制乘員向前移動(dòng)的位移，就可以很好地解決小腿傷害的問(wèn)題，這需要對(duì)乘員的安全帶限力等級(jí)進(jìn)行調(diào)整，但從模擬仿真結(jié)果顯示（表1）可以看出，隨著安全帶限力等級(jí)的提高，假人胸部壓縮量將在一定程度上增加，過(guò)高的限力等級(jí)會(huì)導(dǎo)致假人胸部壓縮量直接超標(biāo)10分，根據(jù)該車型初步選定2.5 kN和3 kN 2種安全帶限力與后續(xù)因素進(jìn)行組合優(yōu)化分析。

表1 汽車25%小偏置碰撞假人傷害參數(shù)表

4.3 歇腳板角度對(duì)小腿的影響

駕駛員左腳放在歇腳板上，歇腳板的角度直接影響在碰撞過(guò)程中左小腿受到My的情況，目前該車型歇腳板與水平面成60°，如圖5所示。根據(jù)該車前地板造型情況，對(duì)歇腳板角度進(jìn)行65，60，55，50°4個(gè)角度的優(yōu)化分析，在仿真模型中對(duì)駕駛員側(cè)歇腳板進(jìn)行角度變化模擬分析，評(píng)估歇腳板角度在小偏置碰撞過(guò)程中對(duì)小腿脛骨指數(shù)的影響。

圖5 歇腳板角度結(jié)構(gòu)示意圖

4.4 護(hù)膝板內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響分析

在進(jìn)行小偏置碰撞仿真動(dòng)畫(huà)中發(fā)現(xiàn)，在碰撞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，駕駛員向左偏轉(zhuǎn)特別嚴(yán)重，導(dǎo)致左小腿直接碰撞到護(hù)膝板的最左側(cè)邊緣，護(hù)膝板左側(cè)邊緣內(nèi)部是剛性的橫梁支撐架結(jié)構(gòu)，碰撞直接造成護(hù)膝板與左小腿發(fā)生剛性接觸，導(dǎo)致小腿傷害，因此需要對(duì)護(hù)膝板內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，圖6示出護(hù)膝板內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。文章所采取的措施是對(duì)護(hù)膝板內(nèi)部支架藍(lán)色件進(jìn)行材料厚度的優(yōu)化，經(jīng)過(guò)和內(nèi)飾設(shè)計(jì)人員的溝通，該支架材料厚度最低要求是保證護(hù)膝板護(hù)板支撐強(qiáng)度的要求，且如果支架厚度太薄，對(duì)小腿無(wú)法起到支撐作用，也會(huì)導(dǎo)致假人前移量過(guò)多，造成胸部傷害值增大。目前，該支架材料厚度為 1.8 mm，因此對(duì) 1.8，1.6，1.4，1.2 mm 4個(gè)厚度進(jìn)行仿真優(yōu)化，評(píng)估其對(duì)小腿的影響。

圖6 護(hù)膝板內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

5 小腿仿真優(yōu)化分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上對(duì)小腿傷害因素的分析，進(jìn)而對(duì)影響小腿傷害因素進(jìn)行組合分析。影響小腿傷害的因素匯總，如表2所示。

表2 影響小腿傷害因素匯總表

通過(guò)對(duì)影響因素進(jìn)行排列組合共64個(gè)方案的優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)方案14效果最優(yōu)，即采用護(hù)膝板造型1，安全帶限力等級(jí)為3.0 kN，歇腳板角度為55°，支架厚度為1.4 mm的參數(shù)組合。優(yōu)化方案14與基礎(chǔ)模型的左小腿傷害曲線對(duì)比圖，如圖7所示。從圖7可以看出，方案14對(duì)左小腿的傷害指標(biāo)有明顯的改善，且對(duì)大腿和胸部等其他部位傷害情況影響不大，因此采用方案14進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果顯示，小腿傷害得到了明顯改善，達(dá)到了預(yù)期的開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

圖7 優(yōu)化方案14與基礎(chǔ)模型左小腿傷害曲線對(duì)比圖

6 結(jié)論

文章針對(duì)64 km/h的小偏置正面碰撞中小腿損傷嚴(yán)重的情況，分別從護(hù)膝板造型、安全帶限力等級(jí)、歇腳板角度及護(hù)膝板護(hù)板內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行分析，通過(guò)建立LSDYNA有限元仿真模型，對(duì)以上因素進(jìn)行仿真優(yōu)化，降低了小腿的傷害情況，使小腿得分得到了改善。文章為降低小腿傷害提供了影響因素的優(yōu)化方向，對(duì)以后的建模仿真優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。