中低速碰安全帶點火對駕駛員胸部損傷的影響分析

郝毅，楊帥，韓菲菲，任鵬飛，何寧，方銳

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

引言

近幾年，隨著國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?。然而汽車在給人們帶來便利的同時，其交通事故也給人們帶來了身體和精神上的痛苦以及財產(chǎn)上的損失，道路交通事故已成為當今世界主要的公共交通問題。為此，各個國家制定了相關(guān)的法律法規(guī)，敦促汽車生產(chǎn)企業(yè)提高汽車安全性能，減少碰撞事故中車輛和人員的損傷[1]。在借鑒歐洲和日本等NCAP的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國道路交通安全情況，2006年中國汽車技術(shù)研究中心制定了符合中國自己的新車評價規(guī)程，即C-NCAP。隨著汽車安全技術(shù)的不斷進步以及人們對汽車安全意識的不斷提升，C-NCAP也在不斷完善，目前我國實施的2015版的C-NCAP，對汽車的安全性能提出了更嚴格的挑戰(zhàn)。

目前我國頒布的碰撞安全相關(guān)法規(guī)主要針對高速碰撞中的乘員傷害，有關(guān)中低速碰撞中的乘員損傷標準還在研究當中。本文針對某車型正碰過程中的駕駛員胸部傷害情況，基于THUMS有限元假人搭建了駕駛員DYNA約束系統(tǒng)仿真模型，并對其胸部損傷情況進行了分析，并研究了該車型中低速碰撞下，安全帶點火對THUMS人體模型胸部損傷的影響，在此基礎(chǔ)上，用同樣方法分析了多款配有預緊安全帶車型在中低速下安全帶點火的臨界速度。

1 正面碰撞乘員損傷評價標準

交通事故中的損傷評估一般采用簡明損傷等級 AIS標準，AIS分為8個等級來評定人體各部位的損傷嚴重性，AIS等級越高即數(shù)字越大表示損傷危害越大[2,3]，如表1所示。

表1 AIS損傷分類標準

胸部損傷的評價一般通過包含一個或者幾個物理參數(shù)的函數(shù)來表示，進而利用人體損傷力學來衡量載荷是否超過導致某種損傷的極限。乘員胸部損傷常用的評價指標主要有胸部3ms合成加速度、胸部壓縮量、胸部粘性指標VC以及胸部組合傷害指標CTI等，2015版C-NCAP主要應用了胸部損傷評價指標為胸部的變形量及胸部的粘性指標[2,4]。

2 正面碰撞約束系統(tǒng)模型建立

約束系統(tǒng)模型是在整車模型的基礎(chǔ)上建立的，正面碰撞約束系統(tǒng)模型主要包括地板、地毯、擱腳板、踏板、儀表板、A柱、B柱、氣囊、座椅、安全帶、方向盤、轉(zhuǎn)向管柱等主要部件。在碰撞過程中，通過各零部件之間的協(xié)同工作，約束乘員運動，從而減小二次碰撞對人體的傷害。本小節(jié)對該SUV車型建立正面碰撞約束系統(tǒng)模型，并根據(jù)試驗對假人各部位傷害值進行對標，保證仿真模型的準確性。

2.1 Hybrid Ⅲ假人約束系統(tǒng)模型搭建

根據(jù)該車型整車正碰試驗的邊界條件，采用有限元方法，利用Hybrid III 50th有限元假人及相關(guān)約束系統(tǒng)模塊，建立駕駛員假人約束系統(tǒng)仿真模型分別如圖1、圖2所示。建模所用B柱加速度曲線如圖3所示。

圖1 前排駕駛員假人約束系統(tǒng)仿真模型

圖2 約束系統(tǒng)零部件模塊分解圖

圖3 B柱加速度曲線

2.2 Hybrid Ⅲ假人仿真模型對標分析

為保證仿真假人在碰撞中的運動姿態(tài)及各部位受力情況與試驗具有較高的一致性，對仿真模型進行對標。部分對標曲線如圖4所示。

圖4 假人傷害對標曲線圖

2.3 基于THUMS模型的約束系統(tǒng)仿真模型搭建

圖5 Hybrid III假人與THUMS假人駕駛員約束系統(tǒng)模型圖對比

在對標模型的基礎(chǔ)上，用 THUMS模型替換 Hybrid III假人，并根據(jù)試驗中 Hybrid III假人的空間定位參數(shù)對THUMS假人各部位進行姿態(tài)調(diào)整，確保兩假人模型坐姿一致。重新調(diào)整座椅壓痕并更新座墊和靠背泡沫的預應力，重新調(diào)整安全帶初始姿態(tài)，更新THUMS假人與車體和約束系統(tǒng)零部件之間的接觸，完成約束系統(tǒng)模型搭建。Hybrid III假人與THUMS假人駕駛員約束系統(tǒng)模型對比如圖5所示，假人乘員空間部分數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 兩假人關(guān)鍵部位乘員空間數(shù)據(jù)對比

3 THUMS假人傷害分析

通過胸部肋骨的應變和內(nèi)臟組織的應力評價人體胸部的損傷是從人體損傷生物力學角度判斷胸部損傷的重要依據(jù)，THUMS假人在碰撞過程中，胸部區(qū)域傷害如圖6所示。研究表明，當肋骨應變率超過 1.7%時，肋骨可能會發(fā)生骨折[5-7]。Ruan等人的研究指出，當胸部壓力達到16kPa時，會引起肺部損傷；當胸部壓力達到170kPa時，會造成心臟損傷；當胸部壓力達到251kPa時，會造成肝臟損傷[8-10]。結(jié)合上述胸部損傷研究及THUMS假人碰撞仿真結(jié)果，THUMS胸腔各部位傷害結(jié)果如表3所示。

圖6 THUMS假人胸部傷害情況

表3 THUMS模型胸部損傷評價標準及傷害

從表3可以看出心臟壓力最大值為724.5KPa，遠大于心臟壓力受傷限制170KPa，因此心臟有會受到極大傷害；肺臟壓力最大值為537.6KPa，遠大于心臟壓力受傷限制16KPa，肺臟會受到極大傷害；肋骨等效塑性應變最大值為 6.49%，左側(cè)有三根肋骨發(fā)生骨折。可見駕駛員的胸部受到了嚴重的損傷(AIS≥3)。

4 中低速碰下安全帶點火對假人胸部區(qū)域的影響

汽車低速碰撞試驗雖然在國際上開展已有多年，但在中國無論是理論還是試驗研究方面，已開展的工作非常有限。目前點火算法大多數(shù)采用加速度變化量法、加速度峰值法或功率變化率法等，這幾中算法主要考慮車體碰撞強度，但是忽略了低速碰撞時對乘員的保護?？赡茉斐绍囕v低速碰撞時早點火、晚點火或者誤點火等情況。安全帶因誤點火預緊時，過大的預緊力會導致乘員胸腹部因承受較大的外力而受傷。

在正面碰撞整車結(jié)構(gòu)對標模型的基礎(chǔ)上，分別將碰撞速度設(shè)置為20km/h、25km/h、30km/h、35km/h及40km/h，得到對應速度下的車體加速度波形，并作為約束系統(tǒng)模型在不同碰撞速度下的加載輸入。計算不同碰撞速度下，安全帶點火與否對THUMS假人胸部傷害的影響，如表4所示。

表4 不同碰撞速度下安全帶點火與否THUMS假人胸部傷害情況

從表4可以看出，當碰撞速度較低，如 30km/h以下時，相比于安全帶不點火，安全帶點火對假人胸部會造成更大的傷害。

表5 不同碰撞速度下安全帶點火與否THUMS假人胸部傷害情況

將碰撞速度區(qū)間25km/h～30km/h繼續(xù)細化，從表5可以看出，當碰撞速度小于 28km/h 時，安全帶預緊對 THUMS心臟、肺臟及肋骨的傷害大于不預緊時的傷害；當碰撞速度達到 28km/h 時，安全帶預緊造成的傷害較小。因此，當碰撞速度低于28km/h時，安全帶不應該點火。

用同樣的分析方法，研究了另外幾款配備有預緊限力式安全帶的，車型在中低速碰撞下，安全帶點火的臨界速度，如表6所示：

表6 不同車型安全帶預緊臨界速

5 結(jié)論與展望

本文針對某車型正碰過程中的駕駛員胸部傷害情況，利用THUMS有限元假人搭建了駕駛員DYNA約束系統(tǒng)仿真模型，并對其胸部損傷情況進行了分析。在此基礎(chǔ)上，研究了該車型在中低速碰撞下，安全帶點火對THUMS模型胸部損傷的影響。從中可得出以下結(jié)論：

（1）該車型駕駛員心臟、肺臟及肋骨均受到嚴重損傷，胸部損傷AIS≥3。

（2）在中低速碰撞下，安全帶點火對假人胸部損傷有較大影響。該車型在碰撞速度低于 28km/h時，安全帶點火對假人心臟、肺臟及肋骨的損傷大于安全帶不點火，因此碰撞速度低于28km/h時，該車型安全帶不應點火。

（3）用同樣的分析方法，研究了幾款配有預緊式安全帶的車型，安全帶點火的臨界速度，表明所研究車型安全帶點火的臨界速度范圍為在25～30km/h。

此外，本文只分析了安全帶點火對假人胸部損傷的影響，還可以進一步研究安全帶點火對腹部損傷的影響，從而可以更好地指導車輛設(shè)計，進一步提高車輛在中低速碰撞中的乘員安全。

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