基于某車型正面碰撞假人小腿傷害研究

黃 杰，費 敬，趙清江，郭怡暉，史愛民

(1.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室， 重慶 401122； 2.中國汽車工程研究院， 重慶 401122)

隨著安全技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車被動安全性能越來越被消費者所重視，目前我國安全技術(shù)水平取得了很大的進步和發(fā)展[1]，特別是安全氣囊、安全帶等安全配置的應(yīng)用，在正面碰撞中對車內(nèi)乘員的頭部和胸部有著很好的保護效果[2-3]。相比之下，如何減少小腿傷害就顯得尤為突出。小腿傷害雖然很少直接危及生命，但在實際事故中乘員下肢損傷普遍存在，其中小腿傷害是交通事故中導(dǎo)致乘員下肢殘廢的主要原因之一[4-5]，給受傷者生活帶來極大的不便。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在C-NCAP的100%正面碰撞試驗中，小腿得分為滿分的不足1%，而低于1.4分的則接近50%[6]。因此，進行小腿傷害研究十分必要。目前已有不少學(xué)者對試驗過程中小腿的傷害特性和影響因素進行了相關(guān)分析和研究[7-8]。本文基于某車型，采用madymo軟件建立駕駛員側(cè)正面碰撞仿真模型進行小腿傷害研究，從安全帶限力等級、歇腳板傾角大小、預(yù)緊器的不同類型3個方面的影響對小腿傷害進行分析研究。

1 腿部損傷機理與評價指標

小腿損傷是人體在沖擊環(huán)境下常見的損傷，易形成骨折、扭傷、韌帶受損、撕裂等機械性損傷，嚴重時可導(dǎo)致終身殘疾。由于垂直于小腿骨方向的受力以及作用于小腿上下部位的扭矩作用是分別導(dǎo)致小腿骨骨折和腳踝以及膝關(guān)節(jié)受傷的重要原因，因此，在試驗中采用軸向載荷力、扭矩作為評價參數(shù)。

在C-NCAP中，小腿損傷評價指標包括小腿壓縮力和小腿性能指標，且都有其高低性能指標[9]，具體見表1。

表1 小腿傷害評價指標

評價指標高性能值低性能值小腿壓縮力Fz/kN 28小腿性能指標TI0.41.3

小腿軸向力可由試驗過程中沿各自腿部軸向傳遞的壓縮力直接測得，而性能指標則需要根據(jù)公式(1)計算得出：

TI=MRMCR+FZFCZ

(1)

式中：FC為Z向臨界壓縮力；MR為合成彎矩；MC為臨界彎矩。在正面碰撞實驗中， (FC)Z和(MC)R的取值分別為35.9 kN和225 N·m。合成彎矩(MR)的計算公式如下：

(2)

式中：MX和MY分別為小腿繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)矩(N·m)，可由假人身上的傳感器直接測得。

2 仿真建模與驗證

基于某車型試驗數(shù)據(jù)及對標后的整車有限元碰撞模型，利用madymo軟件建立約束系統(tǒng)模型以具體研究小腿傷害影響因素。通過該車型有限元數(shù)模確定約束系統(tǒng)模塊相對位置，如圖1所示；安全帶配置參數(shù)及氣囊模型均由供應(yīng)商提供；考慮到前圍板與地板對小腿傷害起著至關(guān)重要的作用[10]，為精確模擬小腿的運動，采用PSM方法提取前圍板和地板的節(jié)點運動信息作為約束系統(tǒng)模型輸入；根據(jù)試驗時測量的H點和試驗照片等信息確定試驗前假人的位置和姿勢；試驗中測得的B柱下端加速度作為假模型輸入脈沖并添加重力加速度[11]，設(shè)置輸出以完成建模，如圖2所示。

圖1 有限元數(shù)模

圖2 madymo乘員約束系統(tǒng)模型

通過對大量試驗結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)情況下假人小腿彎矩MX相對較小(如未發(fā)生崴腳現(xiàn)象)[12]，而小腿X向轉(zhuǎn)矩與小腿擺放位置、前圍侵入和變形形式等不定因素有關(guān)，同時假人上體對下肢體動態(tài)響應(yīng)影響很小，因此主要從安全帶力、骨盆加速度、大腿和小腿軸向力、小腿Y向彎矩等評價指標進行仿真與試驗數(shù)據(jù)的對比驗證，對標結(jié)果見圖3。

圖3 仿真與試驗對標曲線

根據(jù)圖3可知，仿真曲線的走勢、峰值及其出現(xiàn)的時刻與試驗結(jié)果吻合度較好，因此，該仿真模型可作為基礎(chǔ)模型進行后期分析。

3 小腿傷害分析

本文從安全帶限力等級、歇腳板傾角、預(yù)緊器3個方向進行小腿傷害分析。該車型的駕駛員左側(cè)小腿壓縮力為雙波峰曲線，第一個波峰是由于小腿慣性向前運動而受到歇腳板的阻礙所導(dǎo)致，第二個波峰是由于膝蓋與護膝板或轉(zhuǎn)向管柱護套接觸而造成的。因此，對于左側(cè)小腿，其壓縮力曲線的第一、二峰值主要影響因素分別為歇腳板傾角和安全帶限力等級。

3.1 安全帶限力對小腿傷害的影響

汽車碰撞過程中，乘員因慣性向前移動，安全帶就相當于一個彈簧-阻尼單元直接作用于乘員胸部和骨盆部位，一方面約束乘員限制其向前運動，另一方面緩沖并吸收乘員的能量，從而有效避免乘員與內(nèi)飾發(fā)生碰撞。如圖4所示，在乘員向前運動過程中，安全帶將會對骨盆產(chǎn)生約束力，大腿則受到骨盆向后的拉力，從而減小大腿向前運動量，降低膝蓋與儀表內(nèi)飾的沖擊程度；同時大腿的運動受到約束，也將在一定程度上影響小腿的動態(tài)響應(yīng)，從而影響小腿傷害。

圖4 安全帶對腿部約束示意圖

采用不同限力等級分析安全帶對小腿傷害的影響見表2，試驗中安全帶配置為預(yù)緊式安全帶，其肩帶力為4 kN。

根據(jù)表2分析可以發(fā)現(xiàn)：增大安全帶限力等級，左右小腿傷害均有所降低(右側(cè)效果更加明顯)，這是由于安全帶通過大腿間接約束小腿，增大限力等級則提高了安全帶對小腿的約束，降低小腿與護膝板的沖擊，從而降低小腿傷害。但隨著限力等級的增大，安全帶對大腿約束作用更好，小腿由于一端處于自由狀態(tài)在慣性力作用將與大腿相對轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生“甩腳現(xiàn)象”，安全帶限力等級越大，甩腳現(xiàn)象越明顯，反而不利于小腿保護，故表2中5 kN和6 kN限力條件下小腿傷害有增大趨勢。

表2 不同安全帶限力等級下小腿傷害對比

3.2 歇腳板傾角對腿部傷害的影響

在假人動態(tài)響應(yīng)過程中，小腿相對歇腳板有向前的加速度a，根據(jù)牛頓第二定律可知小腿將產(chǎn)生水平向前的慣性力F，該力可分解為垂直歇腳板向下的力FN′和水平于歇腳板的力Fc′，如圖5所示，相應(yīng)地，歇腳板對腳底產(chǎn)生支撐力FN和摩擦力Fc，則有：

F=ma

(4)

Fc′=Fcosα

(5)

FN=FN′=Fsinα

(6)

當Fc′大于歇腳板最大靜摩擦力時，則：

Fc=μFN

(7)

此時腳部會相對歇腳板向前運動，但隨著歇腳板角度的增大，F(xiàn)N、FN′、Fc都隨之增大，而Fc′則會減小。

當Fc′小于歇腳板最大靜摩擦力時，則：

Fc=Fc′

(8)

此時歇腳板將阻礙腳底向前運動，影響小腿向前運動量，從而影響碰撞過程中腿部動態(tài)響應(yīng)。

本文在滿足人機工程的條件下研究了不同歇腳板傾角對小腿損傷的影響，仿真結(jié)果見圖6。從圖6可知，隨著歇腳板傾角的增大，駕駛員左側(cè)小腿力呈遞減趨勢，而Y向轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)也呈遞減趨勢。因此，總體來說增大歇腳板傾角可在一定程度上降低駕駛員左側(cè)小腿的軸向力和Y向轉(zhuǎn)矩，從而降低小腿傷害。

圖5 歇腳板受力示意圖

圖6 歇腳板傾角對小腿力的影響

圖7 歇腳板傾角對小腿Y向彎矩的影響

3.3 預(yù)緊器對小腿傷害影響

預(yù)緊器的作用是在碰撞發(fā)生初期消除安全帶松弛量，在仿真中的表現(xiàn)就是在碰撞初期安全帶織帶有個收緊的過程。預(yù)緊器裝置能夠被安裝在安全帶的任何一端(卷收器、帶扣、錨點)，目前市場上常用的有卷收器預(yù)緊器、帶扣預(yù)緊器、卷收器與帶扣預(yù)緊結(jié)合的雙級預(yù)緊器這3種產(chǎn)品[13]，其中卷收器預(yù)緊器是最常用的預(yù)緊安全帶類型。

預(yù)緊器作用時間較短，且在假人相對車體運動初期起作用，但會影響假人整個碰撞過程的運動姿態(tài)，故從整個碰撞過程來分析預(yù)緊器對假人小腿的影響效果。不同預(yù)緊配置下小腿傷害仿真結(jié)果見表3。

表3 不同預(yù)緊配置下小腿傷害對比

根據(jù)表3分析可知，在預(yù)緊器的作用下，左右兩側(cè)小腿壓縮量和Y向彎矩都明顯降低。3種預(yù)緊器中，雙預(yù)緊對小腿的保護效果最好，其次是鎖扣預(yù)緊，最后是卷收器預(yù)緊。這是由于鎖扣預(yù)緊一端直接作用于腰帶，故相對于卷收器預(yù)緊能更好地約束腿部的運動，從而對小腿有更好的保護作用；而雙預(yù)緊是卷收器預(yù)緊和鎖扣預(yù)緊的結(jié)合體，可以更好地消除安全帶間隙，從而對假人有很好的約束和保護作用。

4 結(jié)論

通過madymo仿真軟件建立某車型約束系統(tǒng)仿真模型，并對仿真模型進行可靠性驗證，然后從安全帶限力等級、歇腳板傾角、預(yù)緊器的不同類型3方面對小腿傷害進行研究，得出以下結(jié)論：

1) 在一定程度上增大限力等級可以降低小腿傷害，但限力等級過大，甩腿現(xiàn)象越明顯，反而不利于小腿保護；

2) 隨著歇腳板傾角的增大，駕駛員左側(cè)小腿壓縮力呈遞減趨勢，而Y向轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)也呈遞減趨勢；

3) 預(yù)緊器對小腿有不同程度的保護效果，雙預(yù)緊對其保護效果最理想，鎖扣預(yù)緊次之，卷收器預(yù)緊稍差。