發(fā)動機罩氣囊在人車碰撞事故中對行人的保護作用

魏玉釗，曹軍帥，任傳波，孫志釧，吳凱偉, 顏廷浩

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255049)

汽車作為一種代步工具，在給人們出行帶來方便的同時，也引發(fā)了大量的交通事故。在人車碰撞事故中，由于行人缺乏相應(yīng)的安全保護措施，傷亡比較嚴(yán)重，因此我國在2009年制定了人車碰撞事故中行人保護標(biāo)準(zhǔn)[1]。在人車碰撞事故中行人身體各部位都可能會受到不同程度的損傷，其中行人頭部是最容易受到重度損傷的部位(80%)，其次為胸部(7%)、脊柱(6%)及腹部(6%)；而受到中度損傷比例最高的部位為下肢(37%)，其次為頭部(35%)[2]。通過對人體受傷位置的分析研究發(fā)現(xiàn)，頭部受傷通常是與前風(fēng)窗玻璃、發(fā)動機罩及A柱碰撞造成的[3]。為了降低人車碰撞事故中行人損傷，在前風(fēng)窗玻璃下端與發(fā)動機蓋上端設(shè)置安全氣囊，使得人車碰撞事故中行人與發(fā)動機蓋上部及前風(fēng)窗玻璃進(jìn)行“軟接觸”，可降低行人損傷。

1 行人與發(fā)動機罩氣囊碰撞模型

1.1 行人碰撞模型

在碰撞實驗中，行人碰撞模型的建立是仿真研究的基礎(chǔ)，具有較高人體生物相似度的假人模型對仿真實驗的精準(zhǔn)性有很大的影響[4]。國內(nèi)外在假人模型方面開展了大量的研究工作，已經(jīng)取得了很大的成果，研發(fā)出了一系列的Hybrid假人模型。根據(jù)人車碰撞事故中行人身高及碰撞前行人狀態(tài)統(tǒng)計情況：中等身高的行人(1.52～1.83 m)占據(jù)了人車碰撞事故中的72%，且有74%的成年行人處于行走或奔跑狀態(tài)[5]。因此本文選用長度為1.67 m的HybridIII男性假人，并將假人模型經(jīng)LS-Prepost前處理，調(diào)整為走路姿態(tài)。

根據(jù)人車碰撞事故中行人身體主要部位與車輛發(fā)生接觸的分布情況，事故中行人與車身前部接觸比例最高約占67.1%，并且有68%的行人是從側(cè)面受撞[5]，則將假人模型放置在汽車正前方83 mm處，與汽車前保險杠呈90°夾角。

1.2 安全氣囊模型

基于某款國產(chǎn)轎車的結(jié)構(gòu)尺寸創(chuàng)建汽車模型，人車碰撞時行人主要與車輛前端發(fā)生接觸，為了節(jié)省計算時間，對車輛前端主要部件進(jìn)行創(chuàng)建，包括前保險杠、前防撞梁、大燈，發(fā)動機、發(fā)動機艙蓋、前擋風(fēng)玻璃等，其余部件進(jìn)行簡化處理。

安全氣囊材料通過關(guān)鍵字MAT_FABRIC_(034)進(jìn)行設(shè)置，采用平面卷繞式折疊法，展開形狀為長方體，在車輛與假人模型接觸的同時，氣囊向擋風(fēng)玻璃上方及發(fā)動機罩下方展開。氣囊剛度參照某款國產(chǎn)轎車駕駛室安全氣囊剛度參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，安全氣囊氣體流量曲線如圖1所示。

圖1 安全氣囊氣體流量曲線Fig.1 Airbag flow rate curve

通過關(guān)鍵字AUTOMATIC_SURFACE_SURPACE設(shè)置車輛與假人模型接觸、AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE設(shè)置車輛自身接觸、CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE設(shè)置氣囊自身接觸、AUTOMATIC_SURFACE_SURPACE設(shè)置氣囊與假人接觸。假人碰撞前姿勢及安全氣囊放置位置如圖2所示。

圖2 碰撞模型示意圖Fig.2 Collision model diagram

2 碰撞仿真分析

將有無發(fā)動機罩安全氣囊的汽車模型和假人模型分別在LS-Prepost中設(shè)置好相同的環(huán)境變量參數(shù)(碰撞車速40 km/h，保險杠前端距離假人模型右腿外側(cè)83 mm，仿真時間300 ms)，然后導(dǎo)入LS-DYNA進(jìn)行求解，得出仿真結(jié)果，對兩種碰撞條件下假人頭部、頸部、胸部損傷值進(jìn)行分析比較。

2.1 仿真過程

圖3 無發(fā)動機罩氣囊人車碰撞Fig.3 The human-car crash without hood airbag

從圖3無氣囊人車碰撞仿真動畫可以看出：人車碰撞后，假人運動包括直線運動和旋轉(zhuǎn)運動。假人右腿膝關(guān)節(jié)首先與前保險杠接觸，80 ms時大腿與發(fā)動機罩邊緣接觸，此時碰撞產(chǎn)生的沖擊力大于人體與地面的靜摩擦力，使得假人雙腳與地面產(chǎn)生相對滑動，直至離開地面；130 ms時假人下肢產(chǎn)生向前的加速度帶動上半身向汽車前部傾斜，臀部及右臂與發(fā)動機罩接觸，隨后頭部與前風(fēng)窗下端發(fā)生接觸；200 ms時人體被拋向汽車行駛方向，身體以右臂為支撐，且頭部向上掀起，頸部向下彎曲；275 ms假人開始向汽車尾部翻轉(zhuǎn)。

根據(jù)無氣囊人車碰撞仿真中假人頭部碰撞點的位置分布，為保證假人頭部更好的與安全氣囊接觸，將氣囊安裝在發(fā)動機罩上端，完全展開時氣囊覆蓋發(fā)動機后部及前風(fēng)窗下部。由于假人頭部在130 ms左右開始與前風(fēng)窗玻璃接觸，則設(shè)置氣囊充氣時間為70 ms。

仿真過程如圖4所示，t=70 ms氣囊完全展開，隨后頭部與安全氣囊接觸，頭頸部陷入安全氣囊中得到保護。

圖4 有氣囊人車碰撞Fig.4 The human-car crash with hood airbag

2.2 頭部損傷對比分析

對于HybridIII碰撞假人，頭部損傷程度通常用HIC值和3ms合成加速度來進(jìn)行評價，其計算公式為

式中：t1到t2是碰撞過程中HIC計算值最大的時間間隔；a(t)表示頭部的質(zhì)心加速度，以重力加速度g為單位[6]。通過分析計算得出有/無發(fā)動機罩氣囊人車碰撞事故中假人頭部質(zhì)心合成加速度對比結(jié)果，如圖5所示。

圖5 頭部合成加速度曲線Fig.5 The curves of head synthesis acceleration

由圖5可以看出兩種碰撞情況下假人頭部合成加速度曲線變化基本一致。無氣囊碰撞條件下假人頭部加速度，在110～122 ms出現(xiàn)最大加速度239.213 g，有氣囊碰撞條件下在113～125 ms出現(xiàn)最大加速度109.877 g，相比降低了54.03%。同時有氣囊碰撞條件下頭部加速度曲線變化較為平穩(wěn)，說明氣囊的保護作用是因為將頭部接觸時間延長，使碰撞產(chǎn)生的能量較為均勻的分布在一個較長的接觸時間內(nèi)，從而減小頭部受力[2]。結(jié)合仿真動畫分析，由于安全氣囊充氣后的剛度低于前風(fēng)窗玻璃，假人頭部在接觸前風(fēng)窗玻璃達(dá)到最大加速度前與已經(jīng)完全展開的氣囊進(jìn)行“軟接觸”，降低了加速度,使得頭部損傷值HIC從2029減至838，相比降低58.7%，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求HIC值低于1000的規(guī)定，實現(xiàn)了保護頭部安全的效果。

2.3 頸部損傷對比分析

在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究方面，一些研究者發(fā)現(xiàn)在頸部運動的過程中產(chǎn)生的彎矩會對人體頸部造成傷害，其內(nèi)部的剪切力也會對各個組織造成嚴(yán)重傷害[7]。本文選用頸部剪切力和彎矩作為人車碰撞過程中假人頸部損傷情況的評價指標(biāo)，經(jīng)過仿真得出假人頸部剪切力和彎矩曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 頸部剪切力曲線Fig.6 The curves of neck shear force

圖7 頸部彎矩曲線Fig.7 The curves of neck monment

由對比曲線可以看出兩種碰撞條件下剪切力和彎矩曲線變化基本一致，無氣囊碰撞條件下111～134 ms出現(xiàn)最大剪切力0.941 1 kN，114～149 ms連續(xù)出現(xiàn)最大彎矩和最小彎矩65.864 1 kN·mm、-34.474 9 kN·mm。有氣囊碰撞條件下剪切力曲線變化較為平緩，最大剪切力減小40.66%，最大彎矩減小52.08%，最小彎矩減小15.56%。

結(jié)合仿真動畫分析，假人頭部在130 ms左右與前風(fēng)窗玻璃開始接觸，由于人車相對速度較大，產(chǎn)生的沖擊力使得假人頭部向前甩，頸部產(chǎn)生較大剪切力及彎矩，產(chǎn)生較大的彎曲變形。相對比在設(shè)置了發(fā)動機罩氣囊的人車碰撞中，假人頭頸部未與前風(fēng)窗玻璃直接接觸，而是陷在剛度較小的安全氣囊中，抵消了部分沖擊力，使得剪切力和彎矩都得到了降低，達(dá)到減小頸部損傷的效果。

2.4 胸部損傷對比分析

有研究表明胸部損傷對人的傷害嚴(yán)重程度僅次于頭部，在人車碰撞事故中行人胸部直接與發(fā)動機蓋及前風(fēng)窗玻璃接觸，造成胸骨斷裂、內(nèi)臟器官破損等傷害行為[8]。胸部損傷準(zhǔn)則主要包括胸部3 ms準(zhǔn)則和胸部壓縮量，F(xiàn)MVSS208規(guī)定胸部3 ms內(nèi)合成加速度不得超過60 g，胸部壓縮量THPC(Thorax Perfor-mance Criteria)為胸骨相對于脊柱的壓縮量[9]。以假人胸部變形量的絕對值表示胸部性能指標(biāo)，THPC≤75 mm[10]。

如圖8、圖9所示，無氣囊碰撞條件下胸部合成加速度在110～123 ms時出現(xiàn)最大加速度30.553 g，51～80 ms時出現(xiàn)最大擴張量4.90 mm，192～204 ms時出現(xiàn)最大壓縮量3.00 mm。相比較有氣囊碰撞條件下胸部在50～67 ms時出現(xiàn)最大擴張量4.70 mm，186～203 ms時出現(xiàn)最大壓縮量3.90 mm，壓縮量降低了4.08%，胸部合成加速度和變形量均符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 胸部加速度曲線Fig.8 The curves of chest synthesis acceleration

圖9 胸部壓縮量曲線Fig.9 The curves of chest deflection

結(jié)合仿真動畫分析，由于假人側(cè)面先受到撞擊，胸部側(cè)面與發(fā)動機罩發(fā)生碰撞使得胸部產(chǎn)生擴張變形，在碰撞過程中沖擊力使得假人產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，隨后胸部正面與發(fā)動機罩發(fā)生接觸，產(chǎn)生壓縮變形。在有氣囊碰撞仿真中假人胸部在產(chǎn)生最大變形及加速度之前就已經(jīng)與氣囊進(jìn)行軟接觸，避免了胸部與發(fā)動機蓋直接接觸，減緩了胸部加速度，達(dá)到了保護了行人胸部安全的效果。由于主要考慮頭部保護，設(shè)置氣囊剛度稍大，使得胸部壓縮量增加了0.3 mm，后期可通過對氣囊氣體流量速率曲線進(jìn)行優(yōu)化解決此問題。

3 結(jié)論

通過對有無發(fā)動機罩氣囊條件下人車碰撞事故進(jìn)行仿真，并對結(jié)果分析得出結(jié)論：

1)車輛在時速達(dá)到40 km/h時的人-車正面碰撞中，車輛安裝發(fā)動機罩安全氣囊，且氣囊充氣時間為70 ms時與不安裝發(fā)動機罩氣囊時相比假人頭部HIC值降低58.70%。假人頭部最大合成加速度相比減小了54.03%。

2)車輛安裝發(fā)動機罩安全氣囊時假人頸部和胸部損傷情況較不安裝發(fā)動機罩安全氣囊時明顯降低，其中頸部最大剪切力相比減小40.66%、最大彎矩力減小15.56%。胸部最大合成加速度和最大壓縮量降低了19.63%和4.08%。證明車輛與行人發(fā)生碰撞時，發(fā)動機罩安全氣囊能夠一定程度上影響行人的運動姿態(tài)，并有效的降低人車碰撞事故中行人主要部位的損傷。