城市公交車內(nèi)兒童乘員頭部損傷的有限元分析*

崔世海，馬偉盛，李海巖，賀麗娟，呂文樂

（1. 天津科技大學機械工程學院，天津 300222；2. 現(xiàn)代汽車安全技術(shù)天津國際聯(lián)合研究中心，天津 300222）

前言

兒童除乘坐私家車出行外，公交車仍是國內(nèi)兒童乘客出行的主要選擇。而城市公交車由于其內(nèi)部座椅尺寸和空間布局等都是按照成年人尺寸進行設(shè)計，故對兒童乘客的安全約束會大大減弱，且兒童由于其自身的行為特點，在不同座位或區(qū)域會呈現(xiàn)不同的姿態(tài)，因此公交車內(nèi)的兒童乘員安全是值得關(guān)注的問題。

近年來，國內(nèi)外對公交車內(nèi)乘員，尤其是成人的損傷進行了相關(guān)研究。何超［1］基于多剛體假人模型，對公交車不同位置坐姿乘員的安全風險進行分析與評估。徐烔［2］采用多剛體與有限元結(jié)合的方法，對公交車碰撞事故進行再現(xiàn)仿真，分析導致車內(nèi)乘員損傷的原因。程梓豪［3］構(gòu)建了某款混合動力公交車有限元模型，并通過正面碰撞仿真試驗，對車身變形和駕駛員生存空間進行分析。Stanisawek等［4］為減輕公交車中正面碰撞對乘員的損傷，建立了一種簡單的緩沖座椅模型。Palacio等［5］使用MADYMO軟件中多剛體人體模型對公交車中站立乘客進行碰撞損傷研究。Olivares等［6］分析了美國國家高速公路交通安全管理局（NHTSA）年度交通安全事實報告和美國國家汽車通用采樣評估系統(tǒng)（GES）的客車事故數(shù)據(jù)，指出公交車碰撞導致乘員傷亡事故主要是由正面碰撞和側(cè)面碰撞引起的。目前公交車中乘員損傷研究大多采用多剛體假人和HybridⅢ假人有限元模型，關(guān)于公交車內(nèi)兒童乘員的損傷研究較少。He等［7］使用多剛體兒童乘員模型研究了兒童乘坐公交車時的碰撞損傷，并基于損傷方式和程度對車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了改進。該研究中兒童假人模型的生物仿真度不夠高，無法細致研究兒童的顱腦損傷。在中國典型混合交通狀況下，雖然公交車行駛速度不高，但頻繁的制動和發(fā)生碰撞事故時，是否會導致兒童顱腦損傷是值得研究的問題。本文中使用HYPERMESH建立一款城市公交車整車有限元模型，研究公交車在緊急制動和正面碰撞兩種情況下兒童乘員在車內(nèi)典型位置頭部的碰撞損傷，為城市公交車兒童乘員損傷研究和防護提供理論基礎(chǔ)。

1 公交車整車有限元模型構(gòu)建

1.1 整車有限元模型的構(gòu)建

使用CATIA軟件對某款公交車骨架總成和車內(nèi)乘客座椅、投幣箱、扶手等車內(nèi)部件進行幾何建模后，完成后導入HYPERMESH中進行幾何清理和網(wǎng)格劃分，并繪制地板、蒙皮、玻璃等部件有限元模型，車內(nèi)部件均參考實車車廂內(nèi)相應(yīng)部件位置進行放置。完成后進行模型各部分的連接，發(fā)動機和前后車橋等質(zhì)量較大部件在相應(yīng)質(zhì)心位置簡化為質(zhì)量點，隨后進行模型穿透和單元質(zhì)量檢查。最終的整車有限元模型共有823 120個單元，總質(zhì)量9.01 t，整車有限元網(wǎng)格模型和內(nèi)飾布置如圖1所示。

圖1 公交車整車有限元模型及內(nèi)飾布置

1.2 整車模型可靠性驗證

在進行仿真試驗前，須事先驗證模型可靠性［8］。利用建立的整車模型構(gòu)建公交車與剛性墻的碰撞模型，在LS-DYNA 中進行仿真試驗，碰撞初速度設(shè)為30 km/h。仿真結(jié)果表明，碰撞前后模型總能量增長2.31%，沙漏能和滑移能在總能量中的占比分別為1.74%和0.87%，均控制在5%以內(nèi)，所建的整車有限元模型滿足可靠性要求。

2 仿真試驗設(shè)置

2.1 6歲兒童混合有限元模型的構(gòu)建

多剛體假人模型和假人有限元模型在仿真計算中具有計算時間快、計算效率高等特點，在碰撞仿真中有很高的使用率，但它不具備詳盡的人體解剖學結(jié)構(gòu)，其生物仿真度不高。近年來國內(nèi)很多高校和研究機構(gòu)致力于開發(fā)具有詳細解剖學結(jié)構(gòu)的兒童整人有限元模型，生物仿真度得到了很大提高，但它計算時間長，計算效率低。針對公交車內(nèi)兒童乘員頭部的碰撞損傷，考慮到模型的計算效率，本文中構(gòu)建了6歲兒童混合有限元模型。其頭部采用天津科技大學構(gòu)建的經(jīng)過有效性驗證的具有詳細解剖學結(jié)構(gòu)的6歲兒童頭部有限元模型［9］，該模型基于真實兒童頭部CT掃描數(shù)據(jù)，包括腦顱骨和面頰骨等硬組織胼胝體、大腦鐮等軟組織，如實反映了兒童頭部解剖學結(jié)構(gòu)、幾何尺寸的變化特征，形態(tài)學上逼近真實兒童頭部?；旌嫌邢拊Ｐ偷纳眢w采用LSTC官網(wǎng)的6歲兒童簡易有限元假人模型的身體，在摘去其頭部后，以其原模型頭部質(zhì)心位置為基準，將其與上述頭部有限元模型相連，構(gòu)成混合有限元模型，如圖2 所示。模型共有251 072個單元，260 592 個節(jié)點，其中頭部模型共有113 474個單元，103 716個節(jié)點。

圖2 6歲兒童混合有限元模型組合示意圖

2.2 公交車內(nèi)兒童乘員乘坐典型位置的選取

根據(jù)公交車內(nèi)乘客座椅周圍環(huán)境的不同，選取了兒童乘員常坐的4個典型位置，如圖3所示。其中位置1的前約束為扶手，位置2的前約束為扶手和客車前輪包，位置3和位置4前約束為高度不同的前面座椅背。此外考慮兒童乘員自身姿態(tài)的隨意性，在位置3 和位置4 兩個常規(guī)位置設(shè)置正坐和側(cè)坐兩種坐姿。

圖3 車內(nèi)兒童乘員典型位置的選取

2.3 公交車緊急制動和碰撞時的仿真試驗設(shè)置

由于公交車在城區(qū)內(nèi)的行駛速度一般不超過50 km/h，尤其在早晚高峰運行時道路車流較大的路況，其行駛速度較低，故將公交車行駛的初速度設(shè)定為30 km/h。由于我國城市交通工況是行人、非機動車和機動車同時行駛的混合交通工況，公交車在行駛過程中經(jīng)常需要緊急制動，且復雜的道路情況也會增加公交車與其它車輛發(fā)生碰撞的隱患，故選取緊急制動和正面碰撞兩種工況，采用LS-DYNA 軟件進行仿真，以分析兩種工況下公交車內(nèi)兒童乘員的碰撞損傷。緊急制動工況仿真所需的減速度曲線采用CARSIM 軟件仿真獲取，利用軟件中自帶的客車模型，對其在道路上正常行駛遇突發(fā)情況緊急制動至速度為0的整個過程進行仿真試驗，獲取了緊急制動工況下的制動減速度曲線，如圖4（a）所示；正面碰撞工況仿真所需的減速度曲線由第1.2 節(jié)中公交車有限元模型可靠性驗證的正面碰撞仿真試驗獲得，如圖4（b）所示。仿真試驗組的具體設(shè)置如表1所示。

圖4 緊急制動和正面剛性墻碰撞時的減速度曲線

表1 公交車內(nèi)兒童乘員損傷仿真試驗組設(shè)置

3 結(jié)果分析

3.1 不同乘坐位置時兒童運動學分析

各試驗組兒童假人的運動過程如圖5 所示。由圖可見，試驗組中兒童假人均在慣性作用下，脫離座椅向前運動，其中位置1 兒童假人在因慣性向前運動過程中胸部與扶手相接觸，頭部未與車內(nèi)結(jié)構(gòu)碰撞；位置2 兒童假人受到公交車前輪包與扶手的共同約束下，頭部探出，與前輪包相撞；位置3和位置4的兒童假人頭部則均與前排座椅背相撞。且與緊急制動工況相比，正面碰撞工況下的減速度更大，使兒童假人在慣性作用下迅速撞向車內(nèi)結(jié)構(gòu)。以位置3為例，A3、A4 兩組試驗兒童假人頭部分別在275 和300 ms 時與前排座椅背相撞，而在B3、B4 組試驗中兒童頭部在56 與52 ms 時就已與前排座椅背相撞，且在與公交車內(nèi)部構(gòu)件碰撞后的運動更為劇烈，其頭部可能受到更加嚴重的損傷。

圖5 各組試驗兒童假人運動學過程

3.2 不同乘坐位置時兒童顱腦生物力學響應(yīng)

圖6 描述了兩種工況下大腦灰質(zhì)處壓力變化情況。李凡［10］指出人體頭部撞擊側(cè)正壓與對撞側(cè)負壓的損傷閾值為195.5和-196.8 kPa。Kleiven［11］通過研究表明，大腦灰質(zhì)處壓力與顱腦損傷有較高相關(guān)性。由圖6 可知，試驗組的大腦灰質(zhì)處撞擊側(cè)正壓與對撞側(cè)負壓曲線大致呈對稱分布，除位置1 假人頭部未與車內(nèi)結(jié)構(gòu)相撞外，其余各組試驗假人大腦灰質(zhì)處撞擊側(cè)正壓與對撞側(cè)負壓極值均出現(xiàn)在頭部與車內(nèi)結(jié)構(gòu)相碰撞時。其中緊急制動工況下的6 組試驗假人大腦灰質(zhì)處壓力極值均小于損傷閾值，而正面碰撞工況下除B2組外，其余試驗組大腦灰質(zhì)處壓力極值均超過損傷閾值，兒童乘員將出現(xiàn)明顯的顱腦損傷。

圖6 兩種工況下大腦灰質(zhì)處壓力曲線

圖7 為兩種工況下腦組織Von-Mise 應(yīng)力最大時刻云圖。Roth 等［12］提出，Von-Mise 應(yīng)力可作為腦組織中度神經(jīng)損傷的評價標準，當其超過11 kPa時，就會出現(xiàn)損傷風險。由圖7 可知，同一位置在正面碰撞工況的Von-Mise應(yīng)力最大值均大于緊急制動工況下的對應(yīng)數(shù)值。在緊急制動工況下的6 組試驗Von-Mise 應(yīng)力最大值均小于損傷閾值，而正面碰撞工況下B1、B3、B4、B6這4組試驗Von-Mise應(yīng)力最大值均超過11 kPa 的損傷閾值，兒童腦組織將會出現(xiàn)損傷風險。

圖7 兩種工況下腦組織Von-Mise應(yīng)力最大時刻云圖

此外在觀察Von-Mise 應(yīng)力出現(xiàn)最大值的位置，除A4、B4、B6 3組試驗的最大值出現(xiàn)在胼胝體處外，其余試驗最大值則出現(xiàn)在大腦灰質(zhì)處，且最大值出現(xiàn)在胼胝體處的3 組試驗的兒童假人均為側(cè)坐情況，故可以推測腦組織Von-Mise 應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置也與頭部的碰撞位置有關(guān)。而A6 側(cè)坐組試驗最大值未出現(xiàn)在胼胝體處的原因由其仿真運動學過程可推測，是由于在兒童假人肩部與前排座椅背接觸后，假人有側(cè)向旋轉(zhuǎn)的趨勢，當其頭部與前排座椅背相撞時，假人顴部下方與座椅背接觸，使接觸位置產(chǎn)生了變化所致。

各組試驗兒童假人頭部各項指標最大值時刻的數(shù)值如表2所示?？芍诰o急制動下6組試驗兒童假人的頭部HIC15、大腦灰質(zhì)處撞擊側(cè)正壓與對撞側(cè)負壓、腦組織Von-Mise 應(yīng)力和腦組織剪切應(yīng)力均遠小于相應(yīng)的損傷閾值［10-13］，可知公交車在緊急制動工況下，對兒童乘員的顱腦損傷較小。而在正面碰撞工況下，B1 組試驗的頭部HIC15為1 358，超過了700 的損傷閾值；B1、B3、B4、B5、B6 5 組試驗大腦灰質(zhì)處碰撞側(cè)正壓與對撞側(cè)負壓超過了李凡［10］提出的195.5與-196.8 kPa 的損傷閾值；B1、B3、B4、B6 4 組試驗的腦組織Von-Mise應(yīng)力超過了Roth等［12］提出的11.0 kPa損傷閾值；B1、B3、B6 3 組試驗的腦組織剪切應(yīng)力均超過Zhang等［13］提出的7.8 kPa損傷閾值。相比于緊急制動工況，正面碰撞工況下的公交車內(nèi)兒童乘員的安全隱患大大增加，兒童乘員將會受到較明顯的顱腦損傷，且對比不同位置處兒童乘員頭部損傷指標可知，正面碰撞時位置1處兒童乘員各項損傷數(shù)值均高于其余位置，表明該位置兒童乘員會受到最大的傷害，兒童乘員乘坐該位置最危險。

表2 各組試驗各項指標最大值時刻數(shù)值

4 結(jié)論

建立公交車整車有限元模型，對車內(nèi)典型位置的兒童假人在緊急制動和正面碰撞兩種工況下進行仿真，并以頭部HIC15、大腦灰質(zhì)處壓力、腦組織Von-Mise應(yīng)力和腦組織剪切應(yīng)力為損傷指標分析兒童乘員頭部損傷。通過對試驗結(jié)果對比分析可知，在緊急制動工況下顱腦各項損傷指標均遠小于各項損傷閾值，兒童乘員頭部不會受到明顯損傷。在正面碰撞工況下，各損傷指標數(shù)值均有明顯增長，兒童乘員將會受到較明顯的顱腦損傷。故在現(xiàn)階段公交車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計中，車內(nèi)兒童乘員等特殊群體的乘車安全性不容忽視，也為公交車車內(nèi)結(jié)構(gòu)的改善提供了理論依據(jù)和數(shù)值參考。