基于等效彈簧的Hybrid-Ⅲ50%仿真假人胸腔結(jié)構(gòu)剛度特性數(shù)值仿真

龍宜凡，龐 毅，孟憲明，吳 闖，段利斌

（1.江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.廣西數(shù)仿科技有限公司，廣西柳州 545000；3.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300300）

碰撞假人在汽車(chē)、航空及其他相關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要用于分析乘員的碰撞損傷機(jī)理，從而開(kāi)發(fā)有效的車(chē)體結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)來(lái)降低乘員的碰撞損傷［1-6］。中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心制定的新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程C-NCAP中，要求必須使用Hybird-Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)碰撞假人來(lái)評(píng)估乘員的頭部、頸部、胸部、腿部的受傷風(fēng)險(xiǎn)以及機(jī)動(dòng)車(chē)輛的乘員保護(hù)性能［7］。

學(xué)者們針對(duì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性從不同的角度對(duì)仿真假人進(jìn)行改進(jìn)［8-10］。周青等［5］對(duì) Hybird-Ⅲ50百分位標(biāo)準(zhǔn)假人有限元模型的髖部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，從而消除一體式皮膚對(duì)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度的約束。肖森等［9］通過(guò)參數(shù)分析研究正面碰撞中安全帶高度位置、安全帶角度和碰撞速度對(duì)乘員胸部損傷的影響，從而為約束系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。鄧世寬等［10］通過(guò)仿真與滑臺(tái)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，找出假人傷害得分低的主要原因，指導(dǎo)新車(chē)型的開(kāi)發(fā)。逯小雨［11］對(duì)Hybird-Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)碰撞假人胸部?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改并定義其材料參數(shù)，一定程度上提高了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。賴(lài)興華等［12］建立了多方向耦合的詳細(xì)假人胸部數(shù)字模型，用于包含斜向碰撞在內(nèi)的多種碰撞工況下的乘員胸部傷害風(fēng)險(xiǎn)研究。

以往文獻(xiàn)多著眼于如何減少乘員的損傷，很少關(guān)注假人仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度。為了解決仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的不匹配問(wèn)題，提高運(yùn)算效率，本文中對(duì)現(xiàn)有Hybird-Ⅲ假人有限元模型的胸部結(jié)構(gòu)采用彈簧單元等效。通過(guò)正面碰撞及偏置碰撞的有限元仿真分析，發(fā)現(xiàn)基于等效彈簧模型的仿真假人胸壓變形曲線(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，驗(yàn)證了使用等效彈簧模擬胸部結(jié)構(gòu)剛度的有效性。

1 問(wèn)題分析

Hybrid-Ⅲ50百分位男性機(jī)械假人的胸腔由6根高強(qiáng)度鋼肋骨和聚合體制成的阻尼材料組成［13］，用來(lái)模擬人體胸腔受力變形的大小和快慢，其中包括1個(gè)用于測(cè)量胸部變形和1個(gè)測(cè)量加速度變化的傳感器。胸腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 胸腔結(jié)構(gòu)示意圖

在使用有限元LS-DYNA軟件計(jì)算某車(chē)型約束系統(tǒng)正面碰撞FRB50和ODB64工況時(shí)，在安全帶預(yù)緊結(jié)束假人向前俯沖運(yùn)動(dòng)階段和安全帶卸載后假人回彈階段，駕駛側(cè)V7.18假人的胸部位移傳感器讀出的變形曲線(xiàn)，如圖2、3所示。仿真計(jì)算結(jié)果俯沖階段較試驗(yàn)時(shí)大，且回彈階段下降快。

圖2 FRB50仿真對(duì)標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 ODB64仿真對(duì)標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

2 胸腔結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理

早期為了研究交通損傷而建立了損傷等級(jí)，依據(jù)醫(yī)學(xué)診斷，損傷等級(jí)將各種類(lèi)型的損傷程度加以定義。最常用的損傷等級(jí)是建立于1971年的簡(jiǎn)明損傷等級(jí)AIS，其中分為7個(gè)等級(jí)來(lái)評(píng)定人體各部位的損傷嚴(yán)重程度［14］。

在損傷生物力學(xué)研究領(lǐng)域，當(dāng)胸部由于鈍器撞擊突然減速時(shí)，存在3種不同的損傷機(jī)理：壓縮、黏性載荷和體內(nèi)器官的慣性載荷。此外，也有可能發(fā)生這3種基本情況的任意組合。早期損傷生物力學(xué)研究的胸部耐受限度和損傷計(jì)算有壓縮準(zhǔn)則、黏性準(zhǔn)則、肋骨變形準(zhǔn)則和胸部壓縮準(zhǔn)則等。通過(guò)分析鈍器撞擊試驗(yàn)，克勒爾等得出結(jié)論：胸部的最大壓縮量與AIS有密切聯(lián)系，而與力和加速度沒(méi)有聯(lián)系［15］：

其中：壓縮準(zhǔn)則C被定義為胸部的變形量除以胸部的厚度，F(xiàn)MVSS208允許在正面碰撞時(shí)Hybrid-Ⅲ50分位男性假人最大的變形量為76 mm，而2015版C-NCAP允許的最大壓縮量為50 mm，超過(guò)這個(gè)限值得分為0。

黏性準(zhǔn)則VC是考慮到軟組織損傷取決于壓縮量和壓縮速度而制定的損傷準(zhǔn)則，也被稱(chēng)為軟組織相關(guān)準(zhǔn)則［16］，其中 VC值（m／s）是胸部變形速度和胸部變形量瞬時(shí)值的乘積的最大值，即

式中：ν（t）是由變形量 D（t）微分得到的變形速度（m／s）；C（t）是瞬時(shí)壓縮函數(shù)，即變形量 D（t）和初始的軀體厚度b之間的比值。其中，2015版C-NCAP規(guī)定胸部黏性準(zhǔn)則VC值要小于1 m／s，超過(guò)這個(gè)限值得分為0。

3 等效彈簧剛度模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 等效彈簧模型受力簡(jiǎn)化

在做汽車(chē)約束系統(tǒng)正碰FRB50和偏置碰ODB64工況LS-DYNA仿真計(jì)算時(shí)，假人碰撞工況受力如圖4所示。其中F1為歇腳板結(jié)構(gòu)對(duì)右腳的接觸力，F(xiàn)2為內(nèi)飾件對(duì)膝蓋的碰撞力，F(xiàn)3為方向盤(pán)轉(zhuǎn)向管柱和氣囊對(duì)假人頭部的接觸合力，F(xiàn)4為安全帶拉力和氣囊對(duì)假人的胸部壓力的合力，F(xiàn)5為安全帶腰帶力，F(xiàn)6為座椅對(duì)假人胯部的支撐力。

圖4 假人碰撞工況受力示意圖

截取胸腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力簡(jiǎn)化分析，如圖5所示，有

其中：F4為安全帶拉力和氣囊對(duì)假人的胸部壓力的合力總和；fi（i＝1，…，6）為6根肋骨的反力；f7為其他非主要受力部件的合反力。肋骨的材料為高強(qiáng)度鋼，由機(jī)械物理假人的胸腔結(jié)構(gòu)可知肋骨是主要的受力結(jié)構(gòu)，f7由于較小可并入6根肋骨的合反力。再細(xì)分受力模型，取單獨(dú)1根肋骨結(jié)構(gòu)如圖6所示，經(jīng)過(guò)有限元網(wǎng)格劃分，等效彈簧模型如圖7所示。

圖5 胸腔受力簡(jiǎn)化圖

圖6 單根肋骨結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 有限元等效彈簧模型示意圖

這樣，胸腔結(jié)構(gòu)模型的受力轉(zhuǎn)變成彈簧合力等于外力合力，則有

通過(guò)式（4）的分析發(fā)現(xiàn)，胸腔的剛度可以用彈簧的剛度來(lái)模擬和修正。

3.2 彈簧剛度和阻尼系數(shù)修正

目前，汽車(chē)正碰試驗(yàn)中所用到的Hybrid-Ⅲ50分位男性假人的胸部標(biāo)定程序有2種方法。一種是按照NHTSA CFR Part 572規(guī)定的胸部高速程序進(jìn)行［17］，要求擺錘在撞擊開(kāi)始時(shí)的速度為6.71±0.12 m／s；調(diào)整試驗(yàn)擺錘縱向中心線(xiàn)，使得擺錘與胸部接觸時(shí)，其縱向中心線(xiàn)與假人中心對(duì)稱(chēng)面內(nèi)的某一水平線(xiàn)重合誤差為±0.5°，如圖8所示。另一種標(biāo)定方法是由Euro NCAP［18］提出的胸部低速標(biāo)定程序SAE J2779，規(guī)定擺錘撞擊速度為3.0±0.06 m／s。本文中采用高速6.7 m／s速度進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定和仿真計(jì)算。

圖8 胸部變形量標(biāo)定示意圖

胸腔結(jié)構(gòu)仿真模型使用有限元軟件LS-DYNA計(jì)算，彈簧材料選 MAT196，關(guān)鍵字為*MAT_GENERAL_SPRING_DISCRETE_BEAM_（TITLE），剛度K分別取1 kN／mm和10 kN／mm，阻尼系數(shù)分別取0和0.2，胸部標(biāo)定試驗(yàn)和仿真的結(jié)果如圖9所示。

圖9 胸部標(biāo)定仿真胸壓變形量

通過(guò)假人胸部擺錘標(biāo)定仿真計(jì)算，可修正胸腔結(jié)構(gòu)等效剛度的彈簧K值和damping阻尼值。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將修正后的等效彈簧胸腔結(jié)構(gòu)模型分別應(yīng)用于50 km／h正面碰撞工況（FRB50）和64 km／h偏置碰撞工況（ODB64）的仿真計(jì)算，再將仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而驗(yàn)證等效彈簧模型的有效性。本文中的正碰FRB50試驗(yàn)和偏置碰ODB64試驗(yàn)均在天津的中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心完成。為數(shù)據(jù)保密，2輛試驗(yàn)車(chē)涂裝了迷彩，車(chē)況良好。

正碰FRB50試驗(yàn)工況如圖10所示，車(chē)輛100%重疊以不低于50 km／h的速度正面碰撞固定剛性壁障。按照C-NCAP規(guī)定，試驗(yàn)車(chē)輛前排駕駛員和乘員處分別放置1個(gè)Hybrid-Ⅲ50分位男性假人，用以測(cè)量前排人員受傷害情況。在FRB50的仿真計(jì)算模型中，等效彈簧剛度的仿真Hybrid-Ⅲ50分位假人胸壓變形曲線(xiàn)如圖11所示。經(jīng)彈簧剛度和阻尼系數(shù)修正后的仿真計(jì)算假人的胸壓變形曲線(xiàn)在試驗(yàn)假人和仿真假人的胸壓曲線(xiàn)中間，表明經(jīng)彈簧剛度和阻尼系數(shù)修正的仿真假人在50 km／h速度正碰的計(jì)算工況時(shí)，向前俯沖運(yùn)動(dòng)階段和安全帶卸載后回彈階段精度較好，與試驗(yàn)的假人曲線(xiàn)結(jié)果更接近。

圖10 正面碰撞FRB50工況示意圖

圖11 FRB50仿真胸壓變形曲線(xiàn)

偏置碰ODB64的碰撞試驗(yàn)工況如圖12所示，車(chē)輛40%重疊以不低于64 km／h的速度碰撞固定可變形壁障，前排駕駛員和乘員位置處分別放置1個(gè)Hybrid-Ⅲ50分位男性假人。在ODB64的仿真計(jì)算模型中，等效彈簧剛度的仿真Hybrid-Ⅲ50分位假人胸壓變形曲線(xiàn)如圖13所示。經(jīng)彈簧剛度和阻尼系數(shù)修正的仿真計(jì)算假人的胸壓變形曲線(xiàn)在試驗(yàn)假人和仿真假人的胸壓曲線(xiàn)中間，表明經(jīng)過(guò)彈簧剛度和阻尼系數(shù)修正的仿真假人在64 km／h偏置碰撞工況下，向前俯沖運(yùn)動(dòng)階段和安全帶卸載后回彈階段精度較好，與試驗(yàn)的假人曲線(xiàn)結(jié)果更接近。

圖12 偏置碰撞ODB64工況示意圖

圖13 ODB64仿真胸壓變形曲線(xiàn)

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)比假人標(biāo)定工況、正碰FRB50工況及偏置碰ODB64工況下的試驗(yàn)胸壓變形曲線(xiàn)和仿真計(jì)算得出的胸壓變形曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)：等效彈簧模擬胸腔結(jié)構(gòu)的剛度模型，各工況下胸壓變形曲線(xiàn)都與7.1.8版本的Hybrid-Ⅲ50分位humanistic公司研發(fā)的男性假人的結(jié)果有較好的一致性。

2）胸壓變形曲線(xiàn)的峰值可以由等效彈簧的剛度K控制，前沖階段的胸壓變形曲線(xiàn)和回彈階段的胸壓變形曲線(xiàn)可以由等效彈簧的阻尼控制。從試驗(yàn)和仿真的胸部壓縮量的曲線(xiàn)對(duì)標(biāo)結(jié)果可以看出，該控制方法較傳統(tǒng)方法更為簡(jiǎn)單快捷，為仿真假人胸腔結(jié)構(gòu)變形量的模擬提供了可行的方法。